特高壓GIS設備交接試驗擊穿放電定位技術研究

李 杰，王 輝，鄭 建，王 斌，任敬國

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

特高壓1 100 kV SF6氣體絕緣金屬封閉組合電器設備（GIS）各獨立單元在設備制造廠內完成出廠試驗后，運輸到特高壓變電站現場，在變電站內進行現場組裝。在GIS單元運輸、安裝過程中，不可避免會在GIS設備內部留下缺陷，如清理擦拭不徹底引起異物存在、裝配不到位等，一旦投入運行，極易導致GIS設備絕緣擊穿［1-3］。投運前進行現場交流耐壓試驗，可以及時發現設備由于工藝、運輸、安裝產生的設備缺陷［4-11］。

由于特高壓GIS設備體積大，現場交接試驗時試驗段長達百米以上，一旦試驗過程中設備發生擊穿，很難依靠傳統的分析方式來確定放電位置。對試驗段GIS設備氣室進行大面積解體檢查，雖然能夠準確找出放電位置，但大面積解體檢查，不僅工作量大、影響施工進度，而且還會因為二次拆裝引起設備內部存在質量安全隱患。因此在特高壓1 100 kV GIS設備現場耐壓局部放電試驗中，采用擊穿定位技術進行故障氣室的快速準確判斷十分必要。

提出以超聲波為主、特高頻為輔的聯合局部放電定位技術，并應用于特高壓站GIS設備交接試驗過程中。該方法成功地確定了試驗過程中擊穿放電的氣室，縮短了現場對故障氣室進行確認檢修的時間，避免為進行擊穿定位而采用二次加壓對GIS設備造成的損壞，保證了現場施工工期，為特高壓GIS定位方法的選擇提供了依據。

1 擊穿定位技術原理

1.1 特高頻擊穿定位技術

GIS設備中的局部放電能夠產生具有陡上升沿的電磁波信號，其頻率最高可達1 GHz以上，局部放電產生的電磁波信號在GIS設備內傳播，經由盆式絕緣子等非連續部位向外輻射。該信號可由特高頻傳感器探頭，在GIS設備非金屬屏蔽位置檢測到。通過高速采集卡及高速示波器對采集到的多路特高頻信號進行對比分析，根據電磁波在GIS設備傳播中到達不同傳感器的時間差，計算得到GIS設備內局部放電源位置。

利用多路特高頻局部放電信號進行時差定位的方法靈敏度較高，并且可通過放電波形特征進行故障類型的判別，能夠用于設備在線監測。但是，特高頻時差定位法進行定位對檢測人員檢測水平要求較高，對檢測設備要求較高，對整個耐壓范圍進行全覆蓋檢測的成本昂貴。因此，在GIS耐壓試驗擊穿定位技術中，特高頻時差定位法常作為超聲波擊穿定位的一種輔助手段，提高現場定位的準確性。

1.2 超聲波擊穿定位技術

GIS設備內部存在局部放電時，在產生電磁波信號的同時，會引起SF6氣體體積的變化，產生超聲波信號，通過超聲波傳感器檢測GIS內部超聲信號，可以間接得到GIS設備內部局部放電信息。超聲波傳感器檢測信號為非電磁波信號，可以有效避免變電站內的電磁干擾信號，因此抗干擾能力強，定位準確度高。

在進行超聲波擊穿定位應用時，將超聲波傳感器按照特定排列方式布置在GIS殼體表面，保證每個絕緣盆子兩側、每個獨立氣室都能檢測到。當發生放電擊穿時，靠近放電點位置的超聲波傳感器會檢測到超聲信號，通過對GIS筒體表面超聲波傳感器探頭的觸發時間和觸發峰值進行檢測和分析，確定擊穿故障點的位置。

超聲波擊穿定位系統利用多個超聲波傳感器進行信號采集工作，每個傳感器單元通過超聲波探頭檢測GIS殼體表面超聲信號，并對信號進行處理，轉換為數字信號，并將數字信號存儲于傳感器內部存儲單元，同時采用無線傳輸技術將數字信號實時傳輸到附近的終端計算機監測系統，以便于利用計算機終端對多個傳感器信號實時檢測，以實現對GIS設備內部局部放電信號的在線監測。

表1所示為一種GIS設備放電擊穿定位系統的參數信息。具備多檢測單元對時功能，傳感器與監測單元一體化，目前所用的擊穿定位裝置均具備擴展無線節點的功能，可以根據GIS設備的實際加壓范圍擴展無線節點的數量。無線節點之間可以互為中繼，擴大數據傳輸的范圍，而且自帶就地存儲和顯示功能，可以備份并校驗終端計算機得到的判斷結論。

表1 GIS設備擊穿定位裝置參數

2 現場應用

在某1 000 kV特高壓站進行1 100 kV GIS設備耐壓局部放電試驗，采用GIS擊穿定位技術。此特高壓站1 100 kV GIS設備為3／2接線方式，主變加線路出線共8條出線、14個間隔，根據計算將工頻耐壓試驗分為4個階段進行。擊穿現象發生在第1階段耐壓過程中。第1次耐壓試驗從1號主變進線套管處加壓，如圖1所示，圖中紅色標記區域為第1次耐壓試驗加壓位置。試驗加壓程序為：升壓至635 kV，持續10 min；然后升壓至762 kV，持續20 min；然后升壓至1 100 kV，持續1 min。1 100 kV 1 min耐壓試驗通過后，將電壓降到762 kV，保持30 min后進行被測設備特高頻、超聲局部放電檢測工作。

圖1 耐壓試驗范圍

加壓開始之前在GIS設備殼體上布置超聲波傳感器探頭和特高頻傳感器探頭，其布點如圖2所示。圖中紅色標記為超聲波傳感器布點位置，綠色標記為特高頻傳感器布點位置。對B相進行加壓時，老練試驗635 kV／10 min和762 kV／20 min完成后，繼續進行升壓到1 100 kV。在升壓過程中，當加壓至1 036 kV時，GIS內部傳出巨大的聲響，初步判斷GIS內部發生擊穿放電。設備擊穿后，后臺終端控制計算機顯示超聲波傳感器單元30號、2號、3號均超過報警值，發出報警信號，30號傳感器幅值最大，如圖3所示。

圖2 傳感器探頭布置位置

表2 擊穿時傳感器觸發峰值排序 dB

圖3 擊穿時傳感器幅值

表3 擊穿時傳感器觸發時間排序 ms

圖4 母線導體上的放電痕跡

根據超聲幅值信號判斷可能存在的擊穿位置有兩處，在終端控制計算機調出傳感器觸發信息，結合超聲波傳感器觸發時間，可以看出2號超聲波傳感器最先觸發，但30號探頭幅值最大，如表2、表3所示。通過超聲波信號無法確認是30號探頭所在氣室還是2、3號探頭所在氣室發生擊穿故障。在觀察特高頻傳感器探頭信號時，發現特高頻傳感器探頭2-1和2-2檢測到信號，與超聲波30號探頭所在氣室位置相近，因此綜合超聲和特高頻信號判斷擊穿放電位置位于圖2中紅色圓圈標記處。而2、3號傳感器檢測到信號可能為放電擊穿后產生的過電壓反擊造成傳感器捕捉到信號。

現場檢查發現，根據擊穿定位系統所判斷故障位置為一段母線氣室，放電發生后，對故障段母線進行解體處理。現場解體過程中，在導體上發現一處明顯放電痕跡，如圖4所示，其所在位置與擊穿定位系統確定的故障點一致。

3 結語

特高壓1 100 kV GIS設備特殊交接試驗可以在其投運前及時發現設備內部存在的潛在缺陷，擊穿放電定位技術為試驗過程中快速確定放電氣室提供技術保障，超聲波為主、特高頻為輔的聯合擊穿定位技術更適用于特高壓GIS設備現場耐壓試驗的擊穿定位。在某特高壓變電站1 100 kV GIS設備現場耐壓試驗過程中，采用該方法成功地確定了試驗過程中擊穿放電的氣室，縮短現場對故障氣室進行確認檢修的時間，相對于二次加壓法進行擊穿定位，該方法可有效避免對GIS設備造成損壞，保證了現場施工工期，為后續特高壓GIS定位方法的選擇提供了依據。