1000kV特高壓GIS局放在線監測應用及案例分析

尹　恒

（國網浙江檢修公司，浙江杭州　310000）

1000kV特高壓GIS局放在線監測應用及案例分析

尹恒

（國網浙江檢修公司，浙江杭州310000）

本文描述了1000kV特高壓GIS的應用概況及其運行特性，重點對述1000kV特高GIS局部放電特征分類說明，詳細描述1000kV特高壓浙中站GIS局放在線監測系統構成情況及其軟硬件特點，通過1起特高壓故障診斷案例比對分析1000kV特高壓GIS設備局放在線監測和專業帶電檢測各自特點，闡述故障診斷中的典型方法和關鍵經驗。

1000kV特高壓GIS局部放電在線監測故障診斷

隨著我國國民經濟的持續發展，特別是東部沿海地區對電力能源需求日益增長，但由于我國能源分布與負荷中心分布存在較大地理空間，所以發展傳輸容量大、距離遠、設備先進、安全穩定的特高壓輸電技術是解決我國能源戰略的重要舉措。目前，我國已建成3條1000千伏交流特高壓輸變電工程（10座1000kV特高壓交流變電站），特高壓站中1000kV配電裝置主要采用GIS（HGIS）設備，即為氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear），特高壓系統安全穩定運行的基礎就是要做好設備狀態管理，在各種運檢維護技術中，利用局放在線監測技術是收集1000kV GIS設備運行工況數據的重要手段之一。

圖1　固定粒子放電典型圖譜

圖2　自由粒子放電典型圖譜

圖3　浮動電極放電典型圖譜

圖4　絕緣空穴放電典型圖譜

1　1000kV特高壓GIS的工程應用概況及其運行特性

GIS設備自上個世紀中期問世以來在電力系統輸變電工程中飛速發展，特別是近些年電力制造技術水平全面提升后，GIS設備已從低電壓等級的配電領域向超高壓（220kV-750kV）、特高壓（交流1000kV、直流±800kV）全面發展并大規模工程應用。與常規設備相比1000kVGIS設備具有占地面積?。?0%）、避免電磁污染、防止人員觸電、檢修周期長、設備絕緣性能不受周圍大氣條件影響、抗震性強等特點，已建成的10座交流特高壓站中有8座采用GIS、2座采用HGIS，根據國網公司“兩型一化”要求，后續特高壓工程將全部使用GIS作為配電裝置典型設計。

圖5　局放在線監測系統拓撲結構

圖6　某特高壓站OCU布置圖（部分）

圖7　局放在線監測顯示的局放譜圖

圖8　T012斷路器B相超聲信號

圖9　OCU7與OCU11的時域信號（20ns每格，黃色為OCU7、綠色為OCU11，黃色領先綠色信號約100ns）

圖10　OCU8與OCU22的時域信號（50ns每格，黃色為OCU22、紅色為OCU8，紅色領先黃色信號約150ns）

在運行過程，1000kV特高壓GIS面臨運行電壓高、大負荷、受系統沖擊和內外部過電壓對設備絕緣多重嚴峻的考驗，例如斷路器內滅弧室電場分布、流場分布、熱場分布，液壓機構輸出功率的穩定性及可靠性，盆式絕緣子、支柱絕緣子的絕緣穩定強度，閘刀觸頭、動合部件的咬合度，還包括在設備安裝試驗過程中的受工藝水平、清潔度、SF6氣體成份等影響都可能引起局部放電并逐步發展為設備故障。

2　1000kV特高壓GIS局部放電類型及特征

1000kV特高壓GIS采用SF6作為絕緣氣體，根據對已投運的特高壓GIS運行工況的跟蹤顯示，以特高壓GIS局部放電為故障先期特征的缺陷成為影響設備安全運行重要原因，結合低電壓等級GIS設備局部放電的經驗和特高壓GIS局部放電特征可分類為：母線和氣室電暈（也稱作固定粒子）、自由粒子、浮動電極、絕緣故障、干擾等。

2.1母線電暈（固定粒子）

母線電暈是指母線導體上的突起產生的局部放電，這種放電可能是由焊在母線上的金屬屑引起的。當母線電壓到達峰值的時候，突起的尖端高度受壓，便產生電暈放電（局放）。在發展的第一階段—初始階段—放電首先發生在母線電壓的負半周期（如圖1）。隨著母線電壓的增加，或者突起的長度增加，放電率大幅上升，在正半周期可能會發生一種更大的放電。這種放電往往是很規則的，更大的放電可能發展成很危險的放電。

2.2氣室電暈 （固定粒子）

氣室電暈與母線電暈相似，但是氣室電暈是由氣室壁的突起產生的。因此，它的局放圖像與母線電暈的圖像相似，放電開始發生在負半周期的峰值處。

2.3自由粒子

自由粒子是指留在GIS內的很小的金屬顆粒，例如金屬屑。這種粒子受高電場的影響發生跳躍。顆粒每與殼體碰撞一次，便發生一次放電。自由粒子似乎是隨機移動的，放電有可能發生在交流電源周期的任一點上（如圖2）。

在15分鐘POW數據圖上，自由粒子分布的形狀變得很明顯。計數率很小，相對均勻分布，可以看到它的振幅大多數聚集在交流波形的正負峰值處。

圖11　B相OCU8與OCU7的時域信號（20ns每格，黃色為OCU7、綠色為OCU8，綠色領先黃色信號約27ns）

圖12　T012 B相斷路器內部結構圖

2.4浮動電極

GIS的部件沒有接地或是沒有接到母線上，會形成浮動部件或浮動電極。浮動電極的作用就像一個放電電容器，它產生非常高的振幅（＞100pC），由于局放信號使PDM系統的靈敏輸入放大器飽和了，信號輸出是滿量程（100%）（如圖3）。

2.5絕緣缺陷

絕緣缺陷表現為GIS屏蔽體內的空隙、屏蔽體表面的污染物。絕緣缺陷的特點是：在整個周期內表現為中低幅值的信號。最大振幅發生在交流周期的正負峰值處。絕緣缺陷往往在第三象限產生最大的計數率，隨著電壓到達下一個零點逐漸變小（如圖4）。對于嚴重的絕緣缺陷應立即組織設備停運，防止缺陷的發展，避免設備事故。

3　特高壓站GIS局放在線監測系統介紹

為準確掌握1000kV特高壓GIS設備內部的局部放電情況，實時、量化、動態跟蹤局放數據，提高設備狀態的掌控力度，特高壓某站安裝了一套特高頻局放在線監測系統，需在特高壓GIS設備生產過程中同步安裝和預留內置式局放探頭，局放探頭的數量及布局應根據GIS的實際空間布置進行專項定制。局放在線監測系統主要由內置式傳感器探頭、IED和專家系統三部分組成（如圖5）。

傳感器用于測量和采集特高壓GIS設備局部放電時產生的UHF信號，IED主機用于采集傳感器過來的特高頻信號，并對數據進行分析和診斷，形成設備初步單項評價。IED將監測信息傳輸至上級單元，并可根據上級單元要求傳送詳細監測信息。專家系統利用統計技術和智能診斷技術，對數據庫中的歷史數據進行分析處理，給出系統的放電趨勢和診斷意見。

4　案例分析

某1000kV特高壓站GIS投運帶電后，現場局放在線監測裝置顯示江蓮I出線、T012間隔、T011間隔、1#主變出線等部位的OCU6-8、11、22 B相在線局放報警（如圖6）。

4.1局放在線監測分析

江蓮II出線、T012間隔、T011間隔、1#主變出線等部位的OCU6、7、8、11、22B相在線局放報警的PRPS譜圖（如圖7所示）。因信號很強已超出檢測范圍，無法累積成PRPD譜圖?？梢姡址判盘栕V圖仍為典型的懸浮放電信號，且OCU6的信號明顯較鄰近的OCU7弱，說明信號源應是在OCU6之前的GIS部位輻射出來的。另外，OCU18無信號，這也說明局放信號源應發生在T011間隔、T012間隔、江蓮I出線、#1主變出線部位。

4.2現場帶電檢測分析

根據局放在線監測的初步分析和定位，現場帶電檢測采用超聲波法對江蓮I出線、T012間隔、T011間隔、T021間隔、1#主變出線B相等進行檢測。檢測結果發現T012斷路器B相處有超聲信號（約為背景信號的1.8倍），且存在頻率成分（如圖8）。

由于1000kV特高壓浙中站GIS的盆式絕緣子采用無澆注孔式完全金屬屏蔽，且盆式絕緣子邊緣無接地屏蔽環，因此局放信號無法通過盆式絕緣子處檢測，現場利用示波器對在線監測內置傳感器的信號進行定位。

4.2.1OCU7-11的定位結果

如圖9所示（OCU7-11的直線距離約為15m），可見局放信號到達OCU7領先于OCU11約100ns，換算成距離為30m，說明信號先傳播至OCU7，再到OCU11。

4.2.2OCU8-22的定位結果

OCU8-22的定位結果如圖10所示（OCU8-22的直線距離約為20m），可見OCU8領先于OCU22約150ns，換算成距離為45m，說明信號先傳播至OCU8，再到OCU22的。

上述兩個定位結果均表明局放信號是從GIS內部傳播至出線套管處的，信號源應位于B相T012間隔、T011間隔內。

4.2.3通過設備帶電時序定位

在某次設備帶電操作過程中，現場記錄了在線監測局放信號的形成時序，在某日21：00左右，T011處于冷備用階段、而T012間隔帶電時，查看DMS在線裝置后臺發現OCU6-8、11、22 B相處的局放信號仍然存在，且信號衰減分布，說明局放源可排除來自于T011間隔。

4.2.4T012間隔內部構件精確定位結果

為了確定具體局放位置，將B相T012間隔兩端的OCU7和OCU8處的特高頻信號到達時間進行了比較，如圖11所示?？梢?，OCU8領先于OCU7約27ns，而OCU8和7兩個傳感器之間的距離約為23m，通過時間差定位可知放電源距離OCU8處約為7.5m，而T012斷路器中心位置離OCU8處距離約為8.5m，說明局放源位于離T012斷路器中心位置靠T0122約1m處。

其后，國內外多家專業檢測單位對此局放信號開展了檢測和定位，一致判定局放源位于距離T012 B相斷路器中間位置靠T0122約1m處，放電類型為懸浮放電。根據GIS廠家人員確認該處位置為滅弧室附近，涉及多個設備元器件（如圖12），可能因屏蔽罩、螺絲松動造成。

5　經驗總結

通過上述案例，我們認為1000kV特高壓GIS局放在線監測的發揮了設備局放預警功能，局放監測的專家系統對局放定性與現場帶電檢測有著一致性，在特高壓GIS設備中推廣局放在線監測是保障設備安全穩定運行和狀態評價的重要工具。

［1］劉振亞.特高壓交直流電網.圖書目錄［M］.北京：中國電力出版社，2013.12.

［2］盧鵬，方煜瑛，劉旭.1100kVGIS設備特高頻（UHF）法測量局部放的應用研究［J］.電力建設，2009.06.

［3］肖登明，李旭光，秦松林.特高壓輸變電系統中GIS氣體放電特性［J］.高電壓技術，2007.06.

尹恒（1982—），男，工程師，從事特高壓變電設備運檢管理。