一起110 kV GIS设备局部放电检测定位及解体实例

范丽君，李 准，董海庆，陈 冠

(国网上海市电力公司嘉定供电公司，上海 201800)

SF6气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear, 简称 GIS)采用全密封安装的结构，具有占地面积小，运行稳定的优点[1]，在城市供电网中得到了广泛应用。该结构能保护设备不受外界环境条件的影响，同时也为GIS设备的监视和维护带来了障碍[2]。GIS设备可能在生产制造、运输、安装、长期运行等过程中导致内部出现异常情况，完全封闭的结构也使变电运维人员在常规巡视检查工作中无法及时发现GIS内部缺陷。运行中内部异常持续放电很可能会导致设备主绝缘缺陷，为整个电网的安全运行埋下隐患[3]。GIS设备维修成本高、周期长，设备事故将造成重大损失，严重威胁电网安全运行，因此必须采取有效的技术手段对GIS的绝缘状况进行检测评估[4]。

根据《国家电网公司变电检测管理规定》，110 kV GIS每年都应进行一次特高频(Ultra-high frequency, 简称UHF)局放检测，每两年进行一次超声波局放检测。若检测到异常信号时可综合利用UHF典型干扰图谱、频谱仪和高速示波器等仪器和手段进行综合判断，发现异常情况后应缩短检测周期。局部放电在线检测，能够在GIS正常运行的条件下检测其绝缘状况，及时发现早期缺陷，避免发生重大事故。

本文介绍一起110 kV GIS设备内部典型悬浮放电的定位、分析及解体过程。根据带电检测综合分析，精准定位放电源位于GIS电缆仓气室内A相电缆终端上半部分，解体后验证带电检测分析及定位的准确性，为GIS带电检测的异常诊断与处理积累了经验。

1 GIS带电检测技术

局部放电是局部电场畸变、场强集中导致的一种脉冲放电。绝缘体中的持续性局部放电会造成绝缘的劣化甚至击穿，如图1所示。GIS内部放电类型包括自由金属颗粒放电；金属上的凸起导致的电晕放电；金属部件松动导致的悬浮电位放电；盆式绝缘子上的颗粒、划痕导致的沿面放电；绝缘部件内部气隙沿面放电或空穴放电。GIS是金属全密封结构，常用的带电检测法包括UHF检测法、超声波检测法[5-9]。

图1 绝缘局部放电发展过程

对于UHF检测法，传感器放置在盆式绝缘子的浇注孔上，GIS设备的金属外壳形成了天然屏蔽，可免受外界手机信号等干扰，因此检测灵敏度高；GIS的母线筒结构类似于同轴电缆，UHF信号传播远而衰减少，因此检测效率高；根据UHF检测信号的频谱特征，可进行故障类型诊断[2]。

超声波信号在SF6气体中的传输距离较短，因此检测GIS设备内部信号不易受到外来局放信号的干扰，检测灵敏度高；声音的传播速度比电磁波慢很多，时间差更容易测量，定位也更加准确[10-15]。

2 检测数据分析与缺陷定位

2.1 现场情况

某110 kV变电站于2016年投运，2017年检修处理后正常投运，检修后一个月内进行带电检测时发现GIS存在UHF异常信号。

GIS设备结构如图2所示。经定位，信号来源于某间隔电缆仓内，UHF图谱呈现出典型的悬浮放电特征，如图3所示。经过长期、连续的跟踪检测，发现信号时有时无，呈现出较强的间歇性。

图2 GIS设备结构图

图3 UHF检测图谱

2.2 声电联合法定位

UHF信号的传输速度接近光速，远大于超声波速度。在故障点附近同时进行UHF和超声波检测，把UHF传感器固定在GIS上离故障点最近的浇注口，如图4所示。移动超声波传感器，观察示波器显示的二者信号传输时差。当二者传输时差最小时，可认为超声波传感器最接近放电源位置。此时，放电源位置可计算获得：

图4 声电联合测试传感器安装位置图

S=v×Δt

(1)

式中S——放电源距离超声波传感器的距离；Δt——最小传输时差；v——超声波传输速度。

根据声波在环氧树脂中的传播速度(纵波2 600 m/s、横波1 100 m/s)，超声波在固态中传播以横波为主的特性，时差184 μs(见图5)。按照横波计算放电源位置，距离红色超声波传感器202 mm，按照纵波计算放电源距离传感器478 mm。

图5 声电联合测试结果图

根据图5的测试结果分析，放电源距离超声波传感器的距离为202～478 mm；对照电缆终端接头图可知，放电很可能位于A相电缆终端，标识的位置如图7所示。

图6 放电源位置标注图

2.3 UHF时差法定位

2.3.1 方法一

为了确认局放信号来自A相，将3个UHF传感器与电缆终端三相对应，完全对称地放置，如图7所示。UHF定位测试数据如图8所示，确定局放信号来自该间隔电缆仓(A)相电缆终端。

图7 传感器放置示意图(UHF时差法一)

图8 ABC三相信号(UHF时差法一)

2.3.2 方法二

根据时差法，在A相电缆终端处与附近40 cm处各放置一个UHF传感器，定位测试数据如图9所示。两个传感器数据时差为1.26 ns，电磁波在空气中传输速度为3×108m/s。根据时差法计算可得，放电源与传感器的距离为378 mm。

图9 定位数据(UHF时差法二)

计算距离基本与实物传感器距离吻合。采用时差法进行各个方位数据时差对比计算，最终定位故障点在GIS电缆仓内部A相电缆终端，与声电联合法结果相一致。

3 解体检查与处理

2019年对该GIS间隔电缆终端气室进行停电检修。停电后查看带电检测数据变化情况，发现信号已经消失。GIS气室解体检查，电缆终端退出气室，没有发现可疑放电点。解体电缆终端内部，检查线芯、应力锥、均压环等部位，发现压接梗与均压环之间存在空隙，均压环可上下活动，没有紧密贴紧线芯固定金具，查看线芯本体可见放电痕迹，如图10所示。均压环与压接梗之间的空隙形成不等电位，导致悬浮放电。

图10 A相电缆终端解体后放电点

本次解体更换电缆终端，重新投运后复测，局放信号明显消失，未再出现放电脉冲信号。

分析原因认为，由于附件质量或施工工艺问题，电缆终端接头压接梗与均压环之间产生松动，在电场的作用下产生高频振动，在某一瞬间可能产生电位差，导致间歇性悬浮放电的情况发生。查明原因后更换电缆终端重新投运后进行复测，异常信号消失。

4 结语

(1)设备质量或施工工艺问题引起GIS内部异常放电，无法通过其他手段(例如预防性试验或红外热像等)发现，UHF检测是最有效的检测手段。根据UHF频谱特征可进行故障类别诊断，结合超声波采用声电联合法，合理考虑内部结构，分析信号传输路径便可实现异常信号来源精准定位。

(2)本案例中，根据带电检测结果，结合电缆终端结构判断很可能是电缆终端内部金属材质接触不良导致。悬浮电位缺陷本身很少发生事故，悬浮电位放电事故前一般可以忍受较长时间如几个月到数年。但在本案例中，经定位，放电源位置在电缆终端内部，可能会诱导产生绝缘故障，因此对该间隔电缆终端气室进行停电检修。

(3)建议设备运维管理单位优化GIS设备交接试验流程。由于现场设备交接验收时，GIS设备与电缆设备分阶段进行，GIS现场验收阶段，电缆终端尚未接入，在此阶段即完成GIS设备所有交接试验。后期电缆终端接入时再由对侧开展耐压试验，并未针对GIS电缆终端气室开展局放检测，则电缆终端安装环节或质量问题引起的局部放电现象不能被及时发现。建议设备运维管理单位根据实际情况，在交接环节优化GIS设备交接试验流程，电缆终端接入后再次开展GIS局放试验，以全面考验电缆终端头的设备质量及现场安装工艺，把好验收关，避免设备带缺陷投运。