特高压变电站1 000 kV GIS局部放电问题分析

王江伟，张丕沛，李 杰，汪 鹏，田春晓

（1.山东电力研究院，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Metal Enclosed Switchgear，GIS）具有占地面积小、安全可靠、检修维护工作量小的优点［1］，GIS 设备将各组成元件封闭组合，受外界环境影响小，并且噪声小、电磁干扰弱，后期维护工作少，因为设备集成度高，大大降低了设备的固有安装距离，由于上述优点，符合当前对占地面积、环保、运维检修等方面的要求，因此广泛应用于多种电压等级的变电站中。

随着GIS 装用量、电压等级、系统容量的不断增加，近几年连续发生多起包括特高压在内的GIS 内部放电故障［2］，造成了不同程度的经济损失，给电网安全稳定运行造成隐患［3］。统计近几年变电设备故障情况，330 kV 及以上GIS 设备故障跳闸情况占比近41%，是引起故障跳闸的主要设备，故障率为0.18 次（/百间隔·年），故障原因包括异物放电、装配安装工艺不良、组部件缺陷等原因，GIS 设备的运行稳定性亟须提高［4］。

提升GIS 设备的运行稳定性一方面需要提高厂内生产组装、现场安装的工艺水平，另一方面需要提高检测预警能力，及时消除设备缺陷。因为GIS 为全封闭设备，无法直接观察内部情况，如何检测内部运行情况、绝缘状态等一直是GIS运行维护的重点工作之一［5］。局部放电检测是发现内部缺陷，防止发生放电故障的有效手段，经过多年的推广应用，发现了大量GIS 内部缺陷，消除了大量安全隐患。近几年随着特高压变电站的持续投运，检测发现了多起局部放电问题，总结发现特高压GIS局部放电在传播特性和分析诊断上与其他电压等级存在一定区别。特高压GIS因为电压等级高，运行机理存在一定区别。绝缘裕度相比低电压等级设备有所降低，使得局部放电信号的向外传播情况有所不同。对于断路器、隔离开关等部位，径向与轴向比例增大，在局部放电定位过程中按照传统办法简化为一维传播模型会带来较大计算误差。这些变化为特高压GIS局部放电检测带来一定障碍，影响了对局部放电的有效检测和判断，导致没有充分发挥出局部放电检测的故障预警作用［6］。因此需要进一步研究特高压GIS局部放电的传播特性，针对典型局部放电案例进行充分检测分析，对GIS设备进行解体寻找局部放电源头，提高局部放电检测水平。

介绍一起特高压GIS 局部放电问题，综合在线监测和带电检测结果，判断GIS内部存在局部放电，通过现场检查、解体检查、试验验证确认了局部放电原因，该原因导致特高压GIS发生局部放电为首次确认和处理，为特高压GIS局放检测和设计提供了指导。

1 局部放电概况

某特高压变电站1 000 kV GIS 隔离开关气室特高频在线监测系统持续发出报警信号，多次进行带电检测均检测到内部局部放电信号，经过分析确认内部存在绝缘类局部放电，对该隔离开关进行整体更换，并对原隔离开关进行解体检查和试验研究，以查找局部放电原因。

1.1 在线监测情况

2018 年12 月，该隔离开关临近气室特高频在线监测装置首次出现局放告警，PRPS、PRPD 图谱如图1所示。自2018年12月至2019年2月，局放脉冲出现频次较低，每天平均约50 次，自2019 年3 月至2020年1 月，信号频发，每天平均约1 600～8 000 次，自2020 年2 月以来信号较前期频次明显降低，每天平均约200 次，变化趋势如图2 所示。停电前在线监测图谱如图3所示。

图1 该隔离开关首次告警在线监测图谱

图2 该隔离开关每天平均局部放电事件数

图3 该隔离开关停电前在线监测信号图谱

1.2 带电检测情况

2018年12月，对该气室进行局放检测，确认异常信号来自设备内部，放电相位较稳定，极性效应明显，幅值具有一定的分散性，判断为绝缘缺陷放电［7］。

开展特高频局放信号定位［8］，特高频传感器位置如图4 所示，特高频局放信号波形如图5 所示。传感器2 信号领先传感器3 信号7 ns，与传感器2、3 间距（2.1 m）吻合；传感器2 信号领先传感器1 信号5 ns，传感器1、2 间距2.6 m，判断局放源位于传感器2处盆式绝缘子左侧、且离盆式绝缘子距离约0.55 m，位于隔离开关下部静触头附近。该气室结构如图6所示，静触头附件有合闸电阻、绝缘支撑杆、绝缘支撑筒及盆式绝缘子，怀疑为放电部件。

图4 特高频检测传感器位置

图5 特高频局放信号波形

图6 隔离开关内部结构

确定异常信号后，采取每月定期跟踪复测的策略，发现至2020年1月份局放信号稳定存在，从2020年2 月开始，局放信号频次降低，且开始出现间歇性特点。综合在线监测和带电检测历史数据，结合局放图谱特征和定位结果，分析认为该气室内部存在绝缘类局部放电，需要进行停电处理。

2 现场开盖检查情况

2.1 隔离开关气室检查情况

打开隔离开关手孔盖，如图7 所示，对隔离开关底部绝缘支撑筒进行检查，未见明显异常，隔离开关底部其他位置未见异常，如图8所示。

图7 手孔盖位置

图8 隔离开关底部

2.2 相邻气室检查情况

打开隔离开关电流互感器侧气室及母线侧气室的手孔盖，检查两侧盆式绝缘子，检查位置如图9 所示，未见明显异常，如图10、图11所示。

图9 相邻气室检查位置

图10 电流互感器侧盆式绝缘子

图11 母线侧盆式绝缘

3 返厂解体检查情况

对该气室进行返厂解体检查，进行整体局放试验、解体检查、绝缘件探伤和局部放电试验。

3.1 整体局放试验

局部放电试验在762 kV 下保持1 h，利用特高频法、超声波法、脉冲电流法检测隔离开关内部局部放电信号，通过开发局部放电特高频原始波形数据采集装置，实现对间歇性微弱信号的准确捕捉。

特高频法共捕捉到3 次气室内部的脉冲信号，说明隔离开关内部仍存在偶发性的局部放电缺陷［9-10］，放电位置位于静触头附近，特高频信号波形如图12—图14 所示，特高频传感器布置如图15 所示，超声波法和脉冲电流法未见明显异常，检测结果分别如图16—图18所示。

图12 特高频局部放电信号波形1

图13 特高频局部放电信号波形2

图14 特高频局部放电信号波形3

图15 特高频传感器布置

图16 超声波测试结果

图17 脉冲电流法背景值

图18 脉冲电流法测试结果

3.2 解体检查

合闸电阻绝缘支撑杆。拆解合闸电阻，发现在合闸电阻绝缘支撑杆中部与均压环连接部位有多处异常发黑痕迹［11］，如图19 和图20 所示，位置与前期运行阶段特高频定位结果符合，初步判断为异常局部放电信号来源。同时发现，合闸电阻外侧绝缘护套为非紧固状态。

图19 拆解合闸电阻

图20 绝缘杆多处异常痕迹

其他部位检查。检查两侧盆式绝缘子、两侧绝缘支撑筒、绝缘拉杆、动静触头、屏蔽罩、绝缘盆导体插接处，未见明显异常。依次检查隔离开关绝缘支撑筒底脚螺栓力矩，力矩值均符合180 N要求。

3.3 绝缘件试验

对两个盆式绝缘子、绝缘支撑筒进行局部放电试验和X 光检测，局部放电量均为1.5 pC 以下，未发现绝缘件内部缺陷，试验结果如图21—图24所示。

图21 盆式绝缘子局部放电试验

图22 绝缘支撑筒局部放电试验

图23 盆式绝缘子X光检测

图24 绝缘支撑筒X光检测

4 试验验证

4.1 合闸电阻绝缘支撑杆取样试验

对合闸电阻的绝缘支撑杆异常发黑处取3 段样本，取样位置如图25所示，其中2号为异常发黑位置，4号为人为磨损位置，5号为正常位置，采用扫描电镜进行成分分析，分析结果如表1所示，3处测试结果具体如图26—图28 所示。正常绝缘杆仅存在C、O、F 和Al 4种元素［12］；与人为摩擦位置相比，异常发黑位置出现了硫元素，且Ag元素含量较低（均压环为镀银件）。初步判断2号位置存在长时间低能量的局部放电。

图28 人为摩擦位置（4号）

表1 3处取样位置元素质量分数 单位：%

图25 绝缘支撑杆取样位置

图26 正常位置（5号）

4.2 模拟局部放电试验

为进一步确定局部放电产生原因，使用绝缘绳将合闸电阻外护套拉弯，如图29 所示，使得合闸电阻均压环偏离中心位置。

图29 拉弯合闸电阻外护套

图27 异常发黑位置（2号）

在762 kV 电压下进行局部放电试验，使用特高频法检测到气室内部局部放电信号，如图30 所示。相比于未拉弯合闸电阻外护套时进行的局部放电试验，此次检测到的特高频信号幅值增大，且信号频次更高，说明合闸电阻均压环的偏心明显加强了气室内部局部放电。

图30 特高频局部放电信号波形

5 原因分析

现场局部放电检测定位于隔离开关下部静触头附近，厂内整体局部放电试验检测到内部信号，且定位位置与现场检测一致。证明隔离开关内部存在偶发性的局部放电缺陷。

合闸电阻绝缘支撑杆表面存在异常发黑痕迹，成分分析结果显示，异常发黑处不是由于均压环磨损产生的，且存在硫元素，说明异常发黑位置为放电所致。

解体过程中发现，合闸电阻及其均压环、外护套均设计为非紧固状态，在运行过程中受负荷电流或其他因素影响可能发生振动，均压环偏离中心位置，与合闸电阻绝缘支撑杆间距缩短，在该种情况下进行的局部放电试验检测到的特高频信号的幅值和频次明显变大。

综上所述，判断异常原因为安装过程中合闸电阻的均压环与绝缘支撑杆存在摩擦或磕碰，使均压环表面金属物质残留到绝缘支撑杆表面，与均压环之间形成悬浮电位，产生局部放电。现场定位结果位于隔离开关静触头附近，与合闸电阻绝缘支撑杆所在位置相符合，且均压环偏心后局部放电更加明显，进一步说明局部放电信号由合闸电阻绝缘支撑杆表面金属残留物与均压环间放电产生。

6 结语

介绍一起特高压GIS 局部放电问题处理过程，涵盖局部放电检测和判断、解体检查、试验验证、原因分析全部环节，确认局部放电信号由合闸电阻绝缘支撑杆表面金属残留物与均压环间放电产生，该原因导致特高压GIS 发生局部放电为首次确认和处理。

该问题的处理对完善特高压GIS 局部放电检测方法，指导现场带电检测和完善GIS 设计具有重要意义。特高压GIS 电压等级高、振动幅度大，相比于低电压等级设备，诱发局部放电的因素更多。为提高特高压GIS的安全稳定运行水平，在GIS设计方面，需要完善结构设计，加强场强控制，优化场强分布，除绝缘设计外，需要重视机械结构设计，对非固定部件进行充分理论论证和试验验证，充分考虑特高压GIS运行条件下振动大的特点，防止非固定部件因为振动摩擦等原因产生局部放电。在局部放电检测方面，重视特高压GIS局部放电检测工作，对局部放电问题进行充分检测分析，及时消除设备缺陷，通过解体检查和试验检测确认局部放电源头，在检测过程中充分考虑特高压GIS 特点，结合内部构造进行综合诊断，并且注重不同检测手段的联合分析。