GIS组合电器内部放电诊断试验及原因分析

吴 星，刘志刚，饶鸿猷，潘春晖

（江西省送变电工程有限公司， 江西 南昌 330032）

0 前言

GIS因免维护且占地面积小，被越来越多新建工程特别是城市电网建设选用，但随着GIS设备推广，异常事件增多，GIS日常例试定检逐渐引起关注，开展带电检测工作是目前日常运维的主要方式，GIS带电检测项目主要有SF6成分分析、SF6微水检测、特高频局放检测、超声波局放检测等，但受设备及人员影响，带电检测的实施效果有所差异，文中介绍了一起利用特高频局放检测和超声波局放检测两种方法联合成功诊断并定位的典型案例，为现场开展带电检测工作提供先进经验[1-5]。

1 故障经过

2月24日，对某500 kV变电站220 kV GIS进行带电检测时，发现220 kVⅡ母电压互感器A相气室存在局放信号异常，确认放电位置为220 kV GIS II母A相母线电压互感器A相气室法兰与下方盆式绝缘子连接处，初步判断为金属垫片等异物引起的悬浮放电，建议立即停电处理。3月7日，对500 kV某变电站220 kV GIS II母A相母线电压互感器气室进行了更换。3月21日对更换下来的电压互感器进行了返厂解体，法兰与下方盆式绝缘子连接处发现放电痕迹，罐体内有尼龙螺栓、垫片等异物掉落，垫片表面也存在放电痕迹，与局放试验结果完全吻合。3月30日，按照交接试验规程对再次更换的电压互感器气室进行了局放试验，未检测到异常局部放电信号，设备投运。

2 带电局部放电检测情况

2.1 检测对象

220 kVⅡ母线电压互感器A相气室，设备型号JDQXH-220，结构为单相内敷式，生产厂家：平高集团有限公司，出厂时间：2016年5月。设备外形及测点布置如图1所示。

图1 设备外观图及测点布置图

特高频信号检测位置：1）A相电压互感器连接刀闸气室的盆式绝缘子浇注口；2）A相避雷器气室连接刀闸气室的盆式绝缘子浇注口；3）A相电压互感器靠隔离开关的内置传感器；4）刀闸气室靠近电压互感器气室的非气隔绝缘子浇注口。

检测项目：1）特高频局放检测；2）超声波局放检测；3）SF6气体湿度及成分检测。

2.2 检测仪器及装置

检测仪器信息见表1。

表1 检测仪器信息

2.3 特高频局部放电检测

采用PDS-T90对GIS进行特高频局部放电检测，测试仪选择高通滤波模式。在A相隔离开关处的内置特高频传感器处（图1中3号测点）检测到的放电信号（特高频PRPD及PRPS图谱）如图2所示，放电间隔比较均匀，信号幅值为67 dB，一个工频周期有两簇放电信号，相位稳定，具有一定的对称性，与悬浮电位典型图谱具有很高的相似性。

图2 A相隔离开关内置特高频传感器处特高频PRPD及PRPS图谱

检查空气背景信号如图3所示，未检测到明显放电信号说明局部放电来自于GIS内部。

图3 空气背景信号特高频PRPD及PRPS图谱

在B、C相隔离开关的内置特高频传感器处也检测到的放电信号，信号幅值依次减小分别为63 dB、62 dB，图4为B相特高频PRPD及PRPS图谱。检测电压互感器A、B、C相盆式绝缘子浇注口处（图1中1号测点）特高频信号，信号幅值依次减小分别63 dB、62 dB、51 dB，根据幅值定位法，判断放电位置在A相。

图4 B相隔离开关内置特高频传感器处特高频PRPD及PRPS图谱

2.4 超声波局放检测

采用AIA-（2）对GIS进行超声波局放检测，超声波信号检测位置如图5所示。

图5 超声波传感器测点布置图

超声波测点位置：1）电压互感器A相气室下方法兰靠近盆式绝缘子处测点（最强信号点）；2）法兰水平面其他测点；3）盆式绝缘子下方的法兰测点；4）最强信号点对侧测点。

1号测点的超声波经过轴向和径向多点测量对比，超声波信号（10 kHz～100 kHz）最强，幅值达100 mV，100 Hz相关性强，所测相位图谱的每簇信号与悬浮电位典型图谱具有很高的相似性，且A相超声波信号最强点处局部放电幅值达到100 mV（＞20 mV），如图6、图7所示。

图6 1号测点信号图谱

图7 1号测点相位图谱

2号测点的超声波信号（10 kHz～100 kHz）强度为40 mV，相比较明显减少，如图8、图9所示。3号测点的超声波信号（10 kHz～100 kHz）强度为5 mV，幅值很小。4号测点的超声波信号强度（10 kHz～100 kHz）为13 mV。根据幅值定位法，判断放电位置在1号测点附近。

图8 2号测点信号图谱

图9 2号测点相位图谱

对1号测点的50 kHz～100 kHz超声波信号检查，如图10、图11所示，幅值达50 mV，相较之前10 kHz～100 kHz幅值100 mV，减小较大，说明放电点靠近罐体外壳。

图10 1号测点的50kHz～100kHz信号图谱

图11 1号测点的50kHz～100kHz相位图谱

2.5 声电联合、电电联合试验

声电联合试验，使用PDS-G1500仪器同时接三个信号。三个信号分别是A相电压互感器连接刀闸气室的盆式绝缘子浇注口的特高频信号（图1中1号测点、黄色波形），A相隔离开关处的内置特高频传感器的信号（图1中3号测点、绿色波形），220 kVⅡ母母线电压互感器盆式绝缘子处的超声波信号（图5中1号测点、紫色波形）。检测到存在最大400 mV周期性放电信号，三个信号都具有100 Hz周期性，如图12所示。

图12 特高频信号与超声信号

检查超声波脉冲信号波形，如图13所示，超声波局部放电信号（紫色波形信号）与特高频局部放电信号（黄、绿色波形信号）时间间隔相差11.6μs，A相内置传感器特高频波形信号和B相内置传感器波形信号时间是同步的。可以知道超声波的声信号比特高频的电信号延迟了11.6μs，由于电信号传播的速度3×108 m/s远远大于声信号的速度，可以认定检测到的电信号的时间就是局部放电源放电的时间，声信号在铝合金罐体中的传播速度大约是6 400 m/s，于是通过计算可得放电点距离超声波传感器7.42 cm。

图13 超声波脉冲信号波形

电电联合试验，使用PDS-G1500仪器同时接两个信号。信号分别是A相隔离开关处的内置特高频传感器的信号（图1中3号测点、黄色波形），220 kVⅡ母母线电压互感器盆式绝缘子浇注口的特高频信号（图1中1号测点、绿色波形）。如图14所示，黄色波形信号与绿色波形信号时间间隔相差10.6 ns，电信号传播的速度为3×108 m/s，通过计算可得两个检测点距离相差3.18 m。实际现场两个特高频传感器之间的距离为3.2 m，由此可知两个特高频的局部放电信号是同源信号。

图14 特高频脉冲信号波形

2.6 试验结论及建议

超声局放检测与特高频检测能同时检测到有局部放电信号，采用声电联合和电电联合定位，可以判断220 kV GIS II母A相母线电压互感器气室法兰与下方盆式绝缘子连接靠径向7.4 cm处存在放电，放电原因可能是遗落的螺丝、垫片或者螺栓松动导致的悬浮放电。

建议：根据《Q/GDW 11059.1—2018气体绝缘金属封闭开关设备局部放电带电测试技术现场应用导则第1部分超声波法》，当220 kV GIS设备悬浮电位放电信号幅值Vpeak＞20 mV，应停电处理。220 kVⅡ母母线电压互感器A相气室法兰与下方盆式绝缘子相连的处幅值达100 mV，应及时停电进行解体处理。在未停电处理前，运行中加强监测，宜每月进行一次特高频、超声波、SF6组分、微水带电检测。

3 返厂解体检查情况

对220 kV GIS II母A相母线电压互感器气室进行了更换后，为验证局部放电检测结论及确认电压互感器是否存在缺陷，3月27日，对更换下来的第一台电压互感器进行了返厂解体（见图15）。

图15 更换及返厂解体图片

3.1 电压互感器结构

JDQXH-220型电压互感器如图16所示（倒装），主要由绝缘子、屏蔽管、一次引线、均压罩、一次及二次绕组、侧屏蔽板、底屏蔽板、铁芯、二次接线盘、爆破片、吸附剂及外筒体组成。

图16 JDQXH-220型电压互感器

其中，高压部分为一次引线、绝缘子电联接、屏蔽管及均压罩，其余部位均为低压端。均压罩为均匀电场作用，屏蔽管、侧屏蔽板、底屏蔽板起屏蔽PT结构尖端作用。侧屏蔽板与底屏蔽板通过接地线进行连接接地。

3.2 解体情况

PT解体前，对需拆除的连接部位进行划线标记，明确拆解位置，便于分析放电原因（见图17）。

图17 解体前标记放电部位

盆式绝缘子表面靠近罐体法兰处发现黑色放电分解物，与盆式绝缘子连接的罐体法兰对应位置处也发现黑色分解物（见图18）。

图18 黑色放电分解物

盆式绝缘子表面此处黑色分解物分布形成圆形图案与垫片尺寸相似（疑似此处存在垫片），如图19所示。

图19 盆式绝缘子表面黑色分解物分布

罐体底部发现散落三副尼龙螺栓（尼龙螺栓、螺帽、垫片、弹片）异物，尼龙螺栓都已断裂（见图20）

图20 罐体内发现的断裂的尼龙螺栓

检查发现电压互感器绕组两侧低压屏蔽罩存在三处尼龙螺栓缺失，与掉落在罐体底部的三副断裂尼龙螺栓对应，且高压屏蔽罩存在明显偏移，未正中安装（见图21）。

图21 低压屏蔽罩存在三处尼龙螺栓缺失

发现一处垫片表面有明显放电痕迹（见图22）。

图22 垫片上存在烧蚀痕迹

3.3 解体检查结论

解体检查情况说明，罐体法兰与下方盆式绝缘子连接处存在放电，放电原因为金属垫片引起的悬浮放电。

解体检查得到的结论与局放试验结论吻合，解体检查的放电位置与局放试验确定的局放源位置吻合。

4 故障原因分析

结合解体发现的尼龙螺栓断裂情况，判断运输过程中碰撞导致尼龙螺栓断裂，垫片掉落，在电压互感器运行过程中产生悬浮放电。尼龙螺栓断裂暴露出以下可能的问题：

1）三处尼龙螺栓若为运输过程中断裂，厂家确实存在运输过程中未安装三维冲撞记录仪的情况，应立即整改。

2）交接试验未严格按照试验要求执行，出现垫片掉落情况，耐压试验和局放试验都未检测出异常。

3）厂家这种尼龙螺栓设计是否存在强度不够等设计问题，也未就尼龙螺栓在多大碰撞力下会断裂的情况进行试验分析，生产运输安装过程中无相对应的管控要求。

5 结语

该次事件是一起通过带电检测成功发现220 kV GIS内部放电典型案例，利用特高频局放检测和超声波局放检测两种方法联合成功诊断并定位某500 kV变电站220 kV GIS电压互感器气室内部悬浮性放电事件，对故障电压互感器气室进行返厂解体检查，确认了内部存在金属垫片脱落引起悬浮放电，与局放检测结果完全一致。说明了特高频局放检测和超声波局放检测的有效性和必要性。