基于声光联合法发现的GIS内部绝缘子裂纹引起的局部放电缺陷

刘钊，李晓溪，弓艳朋，田小龙，刘小琰

(1.河北省电力有限公司保定供电分公司，河北 保定 071000；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192)

气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，GIS)将一次设备元件直接连接在一起，并全部封闭在接地的金属外壳内，壳内充以一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质[1]。GIS设备内部出现的局部放电(以下简称“局放”)，多体现为悬浮电位放电、尖端放电、自由颗粒放电、空穴放电、绝缘物沿面放电等潜在缺陷，这种放电仅仅是绝缘局部短接而不形成导电通道，放电能量小，会使微量SF6分解。GIS内部局放通常是由于设备受潮、制造工艺差、运输维护不当、安装工艺不良造成的。虽然设备耐压试验合格，能正常运行，但长期存在的局放使SF6分解产物不断积累，SF6气体击穿电压降低，极易发生贯穿性对地放电故障。目前，检测GIS内是否存在局放的方法主要有特高频局放检测技术、超声波局放检测技术和SF6分解物测试技术等[2-3]。特高频、超声波局放检测对于初期的局放缺陷较为灵敏，而SF6分解物检测只能发现较为严重的局放缺陷[4]。

特高频局放检测技术通过检测设备内局放时的电流脉冲激励产生的高频率电磁波信号来实现局放检测。特高频法检测频段为300～3 000 MHz，由于现场的电晕干扰主要集中在300 MHz频段以下，因此特高频法能有效地避开现场的电晕等干扰，具有检测灵敏度高、抗低频电晕干扰能力强、便于局放源定位、便于绝缘缺陷类型识别等优点[5-6]。由于检测频带宽，检测现场易受手机、雷达、电机等电磁信号的干扰，另外由于筒式全封闭金属结构对特高频电磁波的屏蔽，需要在法兰的盆式绝缘子留置测试孔或内、外置传感器，开展特高频检测易受设备结构影响。目前，220 kV及以上电压等级GIS出厂安装已被要求内置特高频传感器[7-9]。

超声波局放检测技术通过采集、处理和分析电力设备发生局放时产生的超声波信号来获取设备运行状态，其检测频段一般为20～200 kHz[10-11]。超声波局放检测具有抗电磁干扰能力强、便于放电定位、适应范围广等优点，存在对于绝缘子内部缺陷不敏感、受机械振动干扰较大、放电类型难识别等缺点，且超声波信号在GIS内衰减较快[12-13]。

在GIS带电测试工作中，往往通过特高频法、超声波联合检测分析，以相互印证判断放电类型、放电源定位，辅以SF6分解物检测技术。另外现在更多地将X射线检测技术应用于GIS带电测试中，实现可视化检测[14-15]。

1 缺陷简述

2022年8月14日，检测人员在对某220 kV变电站组合电器进行例行超声波、特高频局放带电检测时，发现110 kV I号母线组合电器145-1 C相隔离开关附近母线筒内中下方存在较明显局放信号，特高频局放检测未见明显异常。该站110 kV GIS型号为ZF7A-126，生产日期2007年11月，投运时间2007年11月25日。

该变电站110 kV电压等级设备运行方式为I号、II号母线并列运行。110 kV 145间隔GIS布置情况如图1所示。

图1 110 kV 145间隔GIS布置示意图Fig.1 Layout diagram of 110 kV 145 circuit

2 检查试验情况

2022年8月14日，天气晴，温度26 ℃，相对湿度28%。110 kV 145间隔及I、II号母线各气室压力正常。试验人员使用天威新域TWPD-510型局放巡检仪进行超声波、特高频局放检测，特高频局放检测未见异常，超声波检测发现110 kV I号母线组合电器145-1 C相隔离开关附近母线筒内存在明显局放信号。

2.1 特高频局放检测

对110 kV 145间隔及母线进行特高频局放检测，选取145-1 C相隔离开关盆式绝缘子及邻近母线145-2 C相隔离开关盆式绝缘子2个特殊测点(图2中黄框位置)进行图谱分析。

图2 145间隔局放测点示意图Fig.2 Schematic diagram of 145 circuit PD measuring points

根据测试结果，145-1 C相及145-2 C相盆式绝缘子处的特高频信号分别为-74.6 dBm和-74.3 dBm，与背景值-74.2 dBm无明显差异，说明此处未发现能被特高频传感器检测到的局放信号。

2.2 超声波局放检测

110 kV I号母线组合电器145间隔处选取的超声波局放测试点如图2所示(测点1—7)。为了确定145间隔是否存在局放以及进一步分析局放信号的性质，测试人员在145间隔进行局放信号的精确测量，沿母线筒轴向共选取4个测点(测点1、2、3、4)，沿超声波信号最大的测点3处母线筒径向截面圆周另选取3个测点(测点5、6、7)。为了更清晰地捕捉局放信号，局放检测仪增益调至“×1 000”且检测频率调至10～80 kHz，具体检测结果见表1。

表1 145间隔超声波局放精确测试结果Tab.1 Accuracy ultrasonic test results of 145 circuit PD”

表1中7个测点的超声波局放信号均超过了背景值(2.0 mV)，且放电信号具有周期性，基本可以判断该间隔存在局放信号[16]。

轴向测点中，测点1—4的超声波信号有效值分别为2.5、2.9、6.1、4.1 mV，测点3处的信号最强，且向两侧衰减。径向测点中，测点3、5、6、7均可测得较明显局放超声波信号，幅值分别为6.1、3.6、5.0、3.6 mV，仍然是测点3处的信号最强。用耳机监听各测点放电信号，人耳可清晰辨别放电强度变化，与各放电图谱显示有效值变化规律一致[17]。

分别运用连续检测模式、相位检测模式、时域波形检测模式、飞行图检测模式对测点3局放信号进行检测，结果如图3所示[18]。

图3 测点3局放信号检测结果Fig.3 PD test result of point 3

由图3(a)可知，连续模式下测得的有效值2.1 mV、周期峰值6.6 mV均大于背景值(2 mV)，放电信号存在50 Hz及100 Hz频率相关性，且50 Hz频率相关性大于100 Hz频率相关性，即在1个工频周期(0.02 s)内放电信号大概率重复1次。相位检测模式图谱如图3(b)所示，该放电信号具有明显的相位聚集效应，在1个工频周期内表现为1簇，即“单峰”，同时工频正负半周具有一定的对称性。时域波形检测模式图谱如图3(c)所示，该放电信号有明显的相位特征，即在正弦波负峰值处出现幅值较大的1簇信号，与相位检测模式和连续检测模式分析结果一致。飞行图检测模式图谱如图3(d)所示，未检测出信号，排除了金属自由颗粒缺陷的可能性[18]。通过分析超声波局放检测各图谱可以判断该局放信号为尖端或沿面放电，但不排除悬浮放电的可能性。

2.3 缺陷定位

根据超声波幅值定位法理论，试验人员基本判断超声波局放信号源在测点3附近区域。同时其他径向测点信号均不及测点3强，可以判断缺陷位于接近测点3壳体的位置。

图4—7为测点3处的内部结构示意图，可以清楚地看出离测点3最近的是支撑C相导电杆的支柱绝缘子(图4中黄框所示位置)，初步判断该支柱绝缘子发生缺陷的可能性最大，但不排除145间隔I母线上部出线口母线圆盘绝缘子、筒内导体、壳体以及连接处等部位发生缺陷的可能性。

图4 I号母线正视图Fig.4 Front view of busbar I

图5 I号母线筒左侧视图Fig.5 Side view of busbar I

图6 I号母线内部结构图Fig.6 Internal structure of busbar I

图7 I号母线筒内部结构左视图Fig.7 Left view of busbar I internal structure

2.4 气体检测结果

为进一步分析该局放信号，检测人员对发现局放信号的相关气室进行了SF6气体分解物测试，测试结果见表2。

表2 SF6气体分解物体积分数测试结果Tab.2 Volume fraction test results of SF6 gas decomposed product

由表2可知，未检测出局放产生的特征气体。由于被测气室出气口距离放电位置较远，同时母线气室近10 m长，气室容量大，如有特征气体，可能存在测试反应不够灵敏等情况[19]。

2.5 复测情况

8月15日测试人员用EC4000型局放检测仪对该局放缺陷进行了复测，检测结果与8月14日结果一致，特高频检测未见明显异常信号，超声波检测在测点3处信号最强。局部放电脉冲序列相位分布(phase resolved pules sequence，PRPS)图谱和局部放电相位分布(phase resolved partial discharge，PRPD)图谱分别如图8、9所示。

图8 测点3 PRPS图谱Fig.8 PRPS spectrum of measurement point 3

图9 测点3 PRPD图谱Fig.9 PRPD spectrum of measurement point 3

可以看出放电信号幅值大于背景值且具有明显的50 Hz相位相关性，在1个工频周期内表现为1簇。

综合超声波、特高频局放的检测结果判断，引起此类缺陷的原因按照可能性大小排列有以下5种，需要进行进一步解体检查以确定具体原因：

a)主母线筒内固定导体的支柱绝缘子由于受外力导致表面或内部缺陷。鉴于较明显的超声波局放信号，沿面放电可能性最大。虽然特高频检测可以检测到沿面放电信号，但对于放电量较小的沿面放电，其检测灵敏性要低于超声波检测手段。

b)145间隔I母线上部出线口处分支母线圆盘绝缘子有表面或内部缺陷。

c)母线筒内带电导体有尖角毛刺。

d)母线筒壳体内腔表面有尖角毛刺。

Besides, the calculation is in mm, and left side and right side are same. And the I1～I6 are integer, R1～R6 are remainder.

e)母线筒内连接导体有螺栓未紧固造成的压接不实，导致悬浮放电。

3 解体及返厂检测情况

3.1 解体检查情况

10月12日，开关专业人员和生产厂家技术人员对110 kV I号母线145间隔处气室及145-1 C相气室进行解体检查，肉眼可见范围内未发现支柱绝缘子表面有异物或裂纹，未发现连接部件接触不良或内部有异物，导体等替换件经检查无尖角、毛刺。

随后工作人员更换了存在局放信号位置的9支支撑绝缘子和部分导体，设备送电后超声局放信号消失。更换下来的绝缘子返厂后进行了X光探伤、交流耐压及局放试验。

3.2 交流耐压及局放检测

C相绝缘子局放测试结果为：9支支撑绝缘子均通过5 min 230 kV交流耐压试验，145-1隔离开关下部I号母线本体内C相绝缘子在89 kV电压下局放量10 546 pC，远超相关规程要求的局放量(3 pC)[20]，局放起始电压49 kV，熄灭电压16 kV，局放量严重超标。

3.3 X光探伤检查

返厂的支撑绝缘子经过X探伤检查，发现局放量超标的145-1隔离开关下部I号母线本体内C相绝缘子存在微小裂纹，如图10所示，其余8支未均未发现有裂纹、气隙。

图10 C相支柱绝缘子X光影像(有微小裂纹)Fig.10 X-ray image of C-phase post insulator (with small cracks)

4 缺陷原因分析

综合超声波、特高频局放检测结果，以及现场解体和返厂试验情况，可以判断这是一起由110 kV 145-1隔离开关下部I号母线本体内C相绝缘子本体微小裂纹引起的局放缺陷。绝缘子裂纹由内部延伸至表面，导致表面电阻不均匀，使原电场分布发生畸变，从而在强电场作用下发生放电。由于裂纹较小，放电量微弱，该缺陷未被特高频传感器识别，但是对于沿面放电较敏感的超声波检测到该缺陷。各种检测模式下超声波局放谱图也与典型沿面放电谱图吻合。同时，因为放电量较小，气室体积较大，未检测到SF6气体分解物特征气体成分。

绝缘件产生裂纹分为以下3种原因：①绝缘件浇铸时产生；②现场装配时，由于野蛮施工安装，导致金属导体或金属外壳与绝缘件发生了磕碰、刮划，造成了绝缘件的损伤；③设备运行后，异常应力的持续作用。绝缘件浇筑原因和现场安装时的磕碰导致绝缘件异常所产生的局放，都能够在后续每年进行的例行带电局放巡检中被发现。因此，该绝缘子存在的裂纹缺陷应是在设备运行后逐渐产生的。

由于运行时设备未发生位移、撞击等异常情况，导致裂纹产生的原因应是持续的异常应力。在现场安装的过程中，导电杆与梅花触头间的间隙不均匀，即导电杆与安装在绝缘子上的触头座未对中，则导电杆会对触头座向间隙小的一侧施加一个撬的力量。由于导电杆与梅花触头是插接的，在电动力的作用下导电杆会自行调节直至力平衡。当这个异常应力较大时，其持续地作用在支柱绝缘子上，会导致该支柱绝缘子产生裂纹直至变形。

导体对接未对中很大可能是由于现场安装时未严格遵守安装工艺造成的。母线对接时需要先观察导体的对中性再对接壳体，如果未按工艺要求先观察并调节导电杆位置，在对接时就可能发生导电杆装配后未能与触头座对中，从而产生一个相互的作用应力。现场工艺要求：导电杆装配后，务必旋转导电杆，确保导电杆转动时无卡滞现象；同时测量导电杆的插入量，防止导电杆装配后与触头座顶撞，对绝缘子造成损伤。

5 结论和建议

局放测量目前仍是有效检验设备质量的可靠方法之一。在对GIS设备进行工频耐压及脉冲电流法局放检测的同时辅以局放的带电检测和在线监测，是检验设备质量的有效手段。按照相关技术规程要求，对GIS内部绝缘件应逐支进行X射线探伤、工频耐压和局放试验，要求绝缘件内部无裂纹、空穴，局放量不大于3 pC。对110 kV及以上电压等级GIS设备应安装超声波及特高频在线监测系统，以实时掌握设备的健康状况。

对于异常放电信号需结合超声波及特高频2种方法综合判断分析，才能准确判断设备内部放电情况。GIS超声波、特高频局放检测的原理和检测频带范围不同，对于不同类型缺陷的灵敏度不同，例如超声波局放检测无法检测绝缘内部缺陷如空穴、气隙，但对于沿面放电、金属颗粒放电及机械振动较为敏感，而特高频局放检测可以检测到绝缘内部缺陷，二者存在一定的交叉互补关系。

建议如下：

a)加强对GIS设备现场安装的监督力度，对导体插接情况进行仔细检查，在导电杆装配后，务必旋转导电杆，确保导电杆转动时无卡滞现象，防止因导电杆安装不到位，在后期运行过程中对绝缘子产生损伤。

b)GIS设备使用高抗弯扭强度的支撑绝缘子。部分生产厂家用氧化铝粉代替硅粉作为支柱绝缘子的填料，不但提高了电弧腐蚀的耐受性，也增大了绝缘子的抗弯扭强度。经试验验证，采用新工艺的支柱绝缘子的破坏弯矩平均可达3 700 N·m，远远高于国标要求(2 000 N·m)，也高于硅粉材料的破坏弯矩平均值(3 000 N·m)，抗弯强度大幅提高，可以承受更高的破坏应力。

c)配置用于精确测量的高性能局放检测仪。对于放电量微小的局放，一般检测精度的检测仪存在检测不到信号的情况，因此需要配置高性能局放检测仪。

d)配置高检测精度的SF6气体分解物检测仪，同时研究特征气体含量与气室体积的关系。对于同一放电量的缺陷，缺陷位于较小气室内产生特征气体含量要远大于位于较大气室的情况，因此建议配置高检测精度的SF6气体分解物检测仪。同时研究在20 ℃、1个标准大气压下特征气体含量的测量方法或者换算方法，以及相应的阈值判断法。