GIS盆式绝缘子内部气隙放电检测与诊断

赵 琳，邵先军，王绍安，陈孝信，郑文哲

(国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014)

0 引言

气体绝缘全封闭组合电器(GIS)具有集成化好、占地少、可靠性高、受外界环境影响小等特点，目前在110 kV 及以上变电站中广泛应用，其运行可靠性将直接关系到整个电力系统运行的稳定性。盆式绝缘子是GIS 中重要的组成部分，起着电气绝缘、机械固定和隔离气室的作用，长期承受着高气压、高电压，若其发生闪络故障，将会导致相关设备与线路全停。因此，如何更加有效地检测及诊断盆式绝缘子的绝缘性能是国内外研究的热点。

通过对一起550 kV GIS 母线特高频局部放电(简称局放)缺陷的分析，综合运用特高频局放现场带电检测、局放重症长时监测、示波器时差定位等技术，判断出缺陷类型以及定位出信号源位置(母线盆式绝缘子)；再利用内检与返厂试验分析，确定了其内部的缺陷，验证了现场多种检测手段相结合对GIS 绝缘气隙类局放诊断的有效性。

1 盆式绝缘子常规检测分析

根据多起盆式绝缘子的故障分析，盆式绝缘子缺陷产生的原因主要有厂内绝缘件浇筑工艺差、出厂试验把控不严、现场安装工艺管控不到位等。

厂内绝缘件浇筑质量一般可通过X 射线来检查。X 射线是一种多角度透视成像、配合专用图像处理与识别技术的“可视化”检测手段，可有效发现盆式绝缘子内部的气泡等，但该检测手段受仪器功率影响，现场检测效率低且存在辐射风险。在GIS 绝缘件的出厂试验中，结合工频耐压试验进行基于脉冲电流法的局部放电检测是其主要的绝缘测试方法。该方法灵敏度高，能定量检测绝缘件局放量，但受试验工装限制及环境干扰大的影响，现场很难开展脉冲电流法局放测试。

目前，GIS 设备现场安装投运后主要的局放检测手段有超声波法和特高频法。由于超声波传感器与GIS 设备的电气回路之间无任何联系，因此超声波检测具有较强的抗电气干扰能力，但超声局放信号在GIS 绝缘件中的衰减较大，绝缘类缺陷很难通过超声波局放检测检出。特高频检测对GIS 绝缘类信号比较敏感，且频带通常在300 ～1 500 MHz，可以有效避开现场电晕放电等低频电磁干扰，在GIS 设备绝缘类局放信号的现场检测和定位方面得到了广泛的应用。但特高频检测只能定性分析，无法判别缺陷的严重程度，定位精度有限。

局放重症监测系统作为移动式多频段局放在线监测手段，可进行长时的实时监测。系统根据内部局放信号同源性比较以及局放干扰信号判别，可有效判断内部是否存在放电信号，特别适用于GIS 设备内部存在疑似间歇性较强局放信号的场景。该系统有效弥补了GIS 设备在线监测和常规局放检测的不足，减轻试验人员的负担，为实时精准、动态高效地监测GIS 运行状态提供助力。

2 故障母线现场带电检测

某550 kV GIS 设备于2017 年2 月厂内耐压、局放及X 射线检测试验合格后出厂，并在2019 年6 月投运。在运行过程中的某次带电检测中发现该GIS 的I 母A 相压变气室存在异常特高频局放信号，遂对其展开了现场诊断性检测。

2.1 特高频局放传感器布置

2023-06-03，现场开展故障GIS 设备的特高频局放诊断分析。利用该母线间隔附近3 个内置特高频传感器分别接入特高频局放诊断仪进行局放检测，测点布置如图1 所示。

图1 特高频局放传感器布置

其中，测点1、测点2 为500 kV I 母A 相内置传感器，测点3 为500 kV I 母压变A 相内置传感器。同时，测点3 附近布置外置传感器测点测量环境背景，用来避免外部干扰导致的局放检测误判。

2.2 特高频局放图谱分析

通过对比各测点局部放电脉冲序列(PRPS)和相位分布(PRPD)图谱可知：由于背景传感器无明显放电信号，且在同一时刻其他测点检测到的异常放电信号明显异于背景信号，可排除外界信号的干扰；各测点内置传感器均能检测到特征类似的特高频局放信号，一、三象限PRPD 图谱呈幅值一大一小的2 簇弧形；对比典型缺陷的图谱特征可知该图谱属于典型的绝缘气隙类缺陷。此外，在相邻500 kV I 母B、C 相进行特高频检测，未发现异常。

2.3 超声波局放检测

利用超声波局放测试仪在缺陷定位的盆式绝缘子附近进行超声波局部放电检测，但未检测到异常信号，分析认为由于超声波局放检测对绝缘类缺陷的敏感性较低导致无法检测出此缺陷。

3 局放重症监测分析

3.1 局放重症监测系统原理

局放重症监测系统通过多源装置集成和多状态量交互的状态检测及诊断分析来实时、全面的监测GIS 的运行状态，其架构如图2 所示。系统主要由前端局放传感器(特高频、高频、超声波等)、数据传输通道、就地采集单元、后台数据分析及健康诊断平台构成。前端传感器可同时获取设备内部绝缘超声波、特高频及高频局放等多种信号，通过同轴电缆传输至就地采集单元；就地采集单元能够根据输入脉冲信号的电平自动触发完成信号的捕获并进行降噪、滤波、识别和存储，还可计算局部放电脉冲的幅值、功率、频次、首半波时长、全时长等参数，记录工频相位、到达时间、原始波形等信息作为诊断依据；最后通过光纤将结果送至后台完成数据分析及专家系统健康诊断，实现超前预警及主动运维。

图2 局放重症监测系统架构

3.2 局放重症监测分析

2023-06-04—2023-06-07，停电更换了该处盆式绝缘子，采用重症监测装置对4 个测点进行特高频局放长时监测。PRPD 图谱显示该故障为绝缘气隙类缺陷，各测点信号特征相似，监测期间信号图谱无明显变化，分析结论与现场带电检测结果基本一致。图3 中4 个测点测得的局放信号一致，由于测点1、测点2 空间位置较高，环境噪声干扰较小，因此该信号呈间歇性产生，且集中在零时至12 时；测点3 信号幅值最大，测点2 次之，判断信号源离测点3 最近；各测点信号幅值动态变化在4 db，幅值较为稳定。

图3 各测点监测到的特高频放电趋势累计

4 缺陷定位及信号频谱分析

4.1 特高频局放源定位

根据上述局放重症监护系统特高频长时监测结果，该相GIS 母线内部存在间歇性绝缘缺陷放电，且放电时刻集中零时至12 时。为提高现场缺陷定位效率，选择上午9 时至12 时进行检测。利用高速示波器通过测点1、测点2、测点3 对局部放电源进行诊断定位，气室尺寸及测点布置如图4 所示。通过比较信号波头时间可知：测试点2 领先于测点1 约2.5 ns，测点1 和测点2 距离约23.80 m，通过测点1 和测点2 的时差计算(忽略GIS 气室的稍不对称性)，结合气室实际尺寸，判断局放信号源位于测点1 和测点2 之间，距离测点2 约11.53 m，大致位于母线红色盆式绝缘子处；测点3 领先于测点1 约16.33 ns，测点2 和测点3 距离约17.90 m，通过测试点1 和3 时差计算，判断局放信号源位于测点2 和测点3 之间，距离测点3 约6.50 m，大致位于母线红色盆式绝缘子处。

图4 气室结构尺寸及定位测点

为防止单次定位起始点选取的偏差，进行多次定位，结果一致性较好。综上，基于高速示波器时差结果，判断出局放信号源位于T 型结构红色盆式绝缘子附近，该处距离测点3 较近，与重症监测结果吻合。

4.2 信号频谱分析

为进一步判断信号源是否具有局放典型放电频谱特征，对测点1、2、3 内置特高频传感器及背景传感器高速示波器采集的原始信号分别进行频谱分析。测点1、2、3 处信号频谱均呈宽频特征，频带主要分布在500 MHz ～1.5 GHz，符合特高频局部放电信号典型频谱特征，而背景信号无相关典型特征，进一步确认了内部特高频局放信号的真实性。

5 内检与返厂试验分析

5.1 现场开盖内检结果

现场开盖内检发现该盆式绝缘子表面存在多处条状异常纹路，其中一条纹路的折弯处存在黑色痕迹。此外，盆子边缘接近法兰位置有多处凹陷痕迹。

5.2 盆式绝缘子耐压和局放试验

为进一步分析故障，将疑似局放缺陷的盆式绝缘子拆解返厂，并在厂内工装试验形态下开展相关试验。特高频法测试的结果呈绝缘类图谱特征，脉冲电流法与特高频局放的结果趋势一致，呈现与现场类似的绝缘放电信号。

5.3 X 射线与工业CT 测试

对该异常盆式绝缘子开展X 射线检测，发现存在多处浅色线状条纹，分析是环氧树脂固化环节产生的缩痕；随后利用工业CT 对该盆式绝缘子多个截面进行检测，观察到绝缘子内部两个区域存在3 处较为明显的微裂纹，长度约在50 ～120 mm，分析此微裂纹为盆式绝缘子产生局放的原因。

6 结论

基于550 kV GIS 盆式绝缘子内部气隙放电现场检测与诊断的真实案例，得出了以下结论。

1) 现场发现了一起550 kV GIS 设备存在异常特高频局放信号，经检测定位至盆式绝缘子处，特高频图谱呈绝缘气隙类放电缺陷。

2) 局放重症监测可弥补在线监测和带电检测手段的不足，通过长时监测，累积PRPD 图谱可有效识别GIS 内部间歇性放电缺陷，并根据放电平均幅值、放电脉冲频次来判断缺陷发展情况，指导现场进一步诊断及定位分析。

3) 通过特高频局放现场检测、局放重症监测、时差法精确定位等多种手段可有效识别发现GIS 内部气隙放电，为进一步诊断分析提供参考。

4) 通过返厂试验、X 射线和工业CT 检查等手段验证了盆式绝缘子存在内部绝缘缺陷，发现其内部存在多处微裂纹和表面缩痕，其中微裂纹是导致局部放电的主要原因。