110 kV GIS交流耐壓及局部放電試驗和異常信號分析

摘 要：主要對GIS設備進行現場交流耐壓及局部放電試驗的試驗目的、試驗方法、試驗注意事項、異常結果等進行了分析探討。

關鍵詞：GIS;交流耐壓;老練;局部放電檢測;異常信號分析

0? ? 引言

六氟化硫（SF6）封閉式組合電器，三相共箱結構，模塊化設計，國際上稱作“氣體絕緣封閉開關設備”，簡稱GIS，它是由斷路器（GCB）、隔離接地開關（DES）、電壓互感器（VT）、電流互感器（CT）、帶電顯示裝置（VD）、快速接地開關（FES）、電纜終端（CES）等元件組合成一個整體，并封閉在接地的金屬殼體內，殼內充以一定壓力的六氟化硫氣體作為絕緣和滅弧介質。由于六氟化硫斷路器滅弧性能優良，開斷電流大，且GIS設備具有結構緊湊（小型化）、占地面積小、安裝方便、防污防霧（封閉式）、運行維護簡單、檢修周期長等優點，故而GIS設備廣泛應用于110～500 kV電網中。目前上海電網建設的110 kV變電站110 kV進出線設備均使用GIS，初建時設一、二段母線（圖1），共6間隔（遠景設一、二、三段母線）。

1? ? GIS現場交流耐壓及局放試驗目的

新裝GIS設備投運前，應進行整體交流耐壓及局放試驗，其目的是檢驗GIS設備在生產、運輸和安裝過程中是否存在元器件損壞、組裝件和緊固件松動移位、導電部位刮傷或安裝錯位引起缺陷以及設備內留有異物的情況。另外，空氣中懸浮的塵粒、導電微粒雜質和導體表面毛刺等都將產生局部放電，引發絕緣事故。GIS設備交流耐壓及局放試驗是為了檢查完整設施的絕緣性能且探究以上異常情況，是對出廠絕緣試驗的補充，因此國家及行業標準都做了相關規定。GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準》13.0.1規定GIS的交接試驗項目包括主回路的交流耐壓試驗;13.0.6規定主回路在1.2Ur/電壓下，應進行局部放電檢測。國網（運檢/3）827—2017《國家電網公司變電驗收管理規定（試行）》第3分冊《組合電器驗收細則》A.4.3也規定了“對現場GIS設備局放試驗驗收時進行旁站見證”。

2? ? GIS設備交流耐壓及局放試驗方法

2.1? ? 試驗儀器、設備的選擇

由于GIS內部導電體對筒殼的空間小，對地電容量較大，若采用常規工頻耐壓試驗法，則試驗變壓器容量選擇可按以下過程計算：

一般110 kV GIS每間隔電容量（每相對地及其他兩相）為600～700 pF，220 kV GIS每間隔電容量為500～600 pF，則試驗變壓器容量計算式為：

S=kωCxUs2×10-3

式中，S為試驗變壓器容量（kVA）;k為安全系數;ω為角頻率，ω=2πf;Cx為被試品的電容量（μF）;Us為試驗電壓（kV）。

例如：某110 kV GIS間隔電容量為650 pF，試驗電壓為230 kV，k取3，則S=kωCxUs2×10-3=32.4 kVA。經計算可知，工頻試驗變壓器容量很大，設備笨重、體積龐大，不利于現場搬運;且試驗過程中若產生閃絡或擊穿，GIS裝置很可能因短路電流受到傷害，所以一般現場較少采用本試驗方法。

目前采用較多的是變頻串聯諧振試驗方法，變頻串聯諧振裝置是指通過調整電源頻率，使串聯電感與電容（試品電容、分壓器電容）達到諧振狀態（ωL=的試驗裝置，設備容量計算如下：

（1）諧振頻率（單位：Hz）：

f=×103

（2）調諧電抗器電流（單位：A）：

IL=IC=ωCxUs×10-3

（3）勵磁變壓器容量（單位：VA）：

S=ICUN

（4）變頻電源容量（單位：VA）：

三相S=UI

這種裝置體積小，重量輕，搬運方便，利用額定電壓較低的試驗變壓器可以得到較高的輸出電壓，用較小容量的試驗設備可對15～150倍容量的試品進行交流耐壓試驗。根據IEC 517和GB 7674規定，試驗電壓頻率在10～300 Hz變頻耐壓試驗與工頻耐壓試驗基本等效，因此變頻串聯諧振試驗方法得到了廣泛認同。串聯諧振試驗過程安全可靠，被試品擊穿時，諧振條件被破壞（ωL≠），高壓自動下降，特別適合GIS交流耐壓試驗。

2.2? ? 放電信號檢測

GIS局部放電檢測方法常用非電量測量法：聲測法（超聲波）;電量測量法：電脈沖法、超（特）高頻電磁波法。目前聲測法和超（特）高頻法為主要檢測方法。

2.3? ? 試驗方法

（1）風險因素辨識與預控措施如表1所示。

（2）選擇合適的變頻電源、高壓諧振電抗器、勵磁變壓器、交流分壓器、擴徑金屬軟管、采樣信號線、超聲波超高頻局放儀、安全工器具、放電棒、接地線、萬用表、溫（濕）度計、秒表等，并檢查相關儀器儀表及安全工器具、開關箱的檢定有效期。

（3）試驗程序：

1）斷開高壓電纜、電壓互感器、電力變壓器高壓引出線與GIS的連接，并保持足夠的安全距離。

2）試驗回路中的TA二次繞組短接接地，密度繼電器表塊閥門必須開啟。

3）對于新安裝的GIS，抽真空充入合格的SF6氣體至額定壓力，充氣12 h后進行氣體檢漏，充氣24 h后進行微水測試，經氣體檢漏、微水、斷路器動特性、回路電阻及絕緣測試合格后方可進行交流耐壓試驗。

4）檢查試驗設備接線，交流耐壓前先進行老練試驗，GIS設備三相須分相進行，一相試驗，非試驗相和外殼一起接地。

5）老練試驗、耐壓試驗施加電壓和時間：依據GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準》要求參照DL/T 555—2004《氣體絕緣金屬封閉開關設備現場耐壓及絕緣試驗導則》執行，DL/T 555—2004一共給出4個試驗方案，我們選擇方案3，同時根據DL/T 617—2010《氣體絕緣金屬封閉開關設備技術條件》，結合GIS耐壓試驗測量其局部放電量，加壓流程為：Um/停留5 min→Um停留3 min→Uf停留1 min→1.2Ur/大于1 min，110 kV系統Um為系統最高線電壓126 kV，Uf為試驗電壓230 kV，Ur為GIS的額定電壓126 kV。國網（運檢/3）827—2017《國家電網公司變電驗收管理規定（試行）》第3分冊《組合電器驗收細則》A.4.1規定：對現場GIS設備耐壓試驗進行旁站見證，Uf按出廠試驗電壓的100%。必須從零開始勻速升壓，速率為3～4 kV/s，升壓切不可沖擊合閘。加壓過程中電壓與時間的關系如圖2所示。

6）檢測局部放電量時，主回路施加電壓至預加值Uf并保持1 min，在此期間出現的局部放電量不應考慮，應在1.2Ur/電壓下進行局部放電量測量。

7）主回路老練和耐壓試驗結束，恢復VT連接后，應進行電壓為Um/、時間為5 min的老練試驗。

8）試驗結束，使被試品充分放電并復測主回路絕緣電阻，將設備恢復至耐壓前的狀態，拆除試驗遮攔。

9）圖2所示的加壓過程符合GB/T 7354—2018《高電壓試驗技術 局部放電測量》的傳統局放探測方法。采用超（特）高頻方法時，應結合老練試驗分級加壓過程實施局放探測。

3? ? 試驗注意事項

（1）試驗電源必須滿足試驗要求，電壓保持穩定，試驗過程中不得使用如真空泵、SF6回收裝置、電焊機、濾油機等大功率用電設備。

（2）為減少電暈損失，提高串聯諧振系統品質因數Q值，高壓引線應采用擴徑金屬軟管。

（3）耐壓試驗中應密切注視GIS設備的帶電狀態及儀表指示變化情況，若耐壓過程中出現擊穿、閃絡或升壓過程中發生異常，立即降低試驗電壓，切斷試驗電源，用接地棒對被試品充分放電，分析處理后重新進行。

（4）天氣情況對Q值影響很大，陰天或濕度較大的天氣試驗時易發生電暈，造成Q下降，試驗最好選擇在晴好干燥天氣進行。

（5）遇有放電情況判斷：1）可進行重復試驗，如果被試品或氣室還能經受，可推斷為表面臟污和表面缺陷引起氣體擊穿放電，該類放電稱為自恢復放電，認為耐壓試驗通過。2）如重復試驗再次失敗，應進行設備解體檢查處理，再次進行規定的耐壓試驗，直至通過耐壓試驗，該類放電稱為非自恢復放電。

4? ? 現場耐壓試驗遇有放電異常信號分析

GIS局部放電發生過程中，會向外界發散出電磁波，其波頭非常短，頻率從幾千赫到幾千兆赫都有分布。超高頻放電信號頻譜一般為500～2 000 MHz，因此可以利用超高頻傳感器接收局部放電發出的超高頻信號進行檢測（圖3）。

4.1? ? GIS典型放電波形、圖譜

局部放電類型是判斷GIS絕緣缺陷程度的重要依據，表2展示了通過實驗室得到的五種典型放電波形、圖譜特征等。

4.2? ? 現場試驗案例

國網上海嘉定供電公司110 kV民悅站交接試驗過程中，GIS進行老練及交流耐壓時采用XD5352局放檢測儀測試。110 kV GIS二段主回路B、C相耐壓及局放試驗合格。在A相耐壓及局放試驗時，加壓至72.7 kV測量局放量，此時發現異常信號兩處，具體現象如下：

4.2.1? ? 盆式絕緣子沿面放電

110 kV GIS二段主回路A相耐壓及局放試驗，測試時加壓72.7 kV，試驗頻率151 Hz。進線2（圖1）母線筒盆式絕緣子有局放信號，如圖4所示。

從放電波形來看，該波形幅值分散性較大，放電時間間隔不穩定，時有時無，根據典型放電波形判別為盆式絕緣子表面大件金屬顆粒放電。解體后檢查，如圖5所示，GIS盆式絕緣子表面有一鐵屑片，去除鐵屑并作清潔處理，重新注氣靜置后試驗，未檢測到異常信號。

4.2.2? ? 松動部件放電

110 kV GIS二段主回路A相耐壓及局放試驗，測試時加壓72.7 kV，試驗頻率151 Hz。進線4（圖1）電纜筒內盆式絕緣子處有局放信號，如圖6所示。

從波形分析，該放電幅值穩定，且相鄰時間間隔一致，根據典型放電波形判別為內部部件松動放電。解體后檢查，發現導電棒與盆式絕緣子上的安裝件相接處有松動，如圖7所示。緊固后重新注氣靜置，再進行試驗，未檢測到異常信號。

4.3? ? 局放異常信號分析小結

根據檢測到的放電波形、圖譜特征判斷檢測信號是否具備典型放電波形、圖譜特征，或與背景有明顯不同。若具備上述情況，則進行以下分析和處理：排除外界環境干擾，將傳感器放置于絕緣盆上檢測信號與在空氣中檢測信號進行比較（對于無金屬屏蔽的絕緣子應沿絕緣子外側加裝屏蔽帶或采取屏蔽措施，防止設備內部信號從盆式絕緣子傳出被空氣中傳感器接收到造成誤判）。若信號一致且幅值較小，則判斷為外部干擾;若信號不一樣或幅值變大，則需結合超聲波、超高頻檢測做進一步精準定位。現場試驗過程中，GIS主回路的耐壓試驗通過規定的試驗電壓，且局放檢測過程中未檢測到異常信號，才算整個GIS通過交流耐壓試驗。

5? ? 結語

GIS設備的耐壓及局放試驗能及時有效地發現其因生產、運輸、安裝等方面的問題造成的缺陷，是防范電力設備事故、保證電力系統安全運行的有效手段，是保證其安全投產不可缺少的一個重要環節。由于各個廠家GIS設備結構上的區別，在進行試驗時若發生放電，檢測到的現象、波形也不盡相同，給分析判斷增加了難度。GIS交流耐壓及局放試驗可能因設備的任何一個內部缺陷而終止，正確判斷放電產生的原因，精準進行定位，并采取科學的處理方案是關鍵，這就要求試驗人員不僅要具備一定的理論基礎與豐富的實踐經驗，還要具有高度的責任心、上進心以及刻苦專研、敢于探索的精神。古人云：“不積跬步，無以至千里;不積小流，無以成江海。”只有在試驗過程中不斷積累，不斷總結，不斷創新，輔之以精密的試驗儀器和科學的試驗方法，才能客觀判斷設備的絕緣性能，為電網安全運行提供堅強的后盾。

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收稿日期：2020-04-14

作者簡介：李峰（1972—），男，湖北荊州人，工程師，從事輸變電工程和電力設備安裝、調試、檢修、運維等工作。