一起110 kV GIS設備局部放電檢測定位及解體實例

范麗君，李 準，董海慶，陳 冠

(國網上海市電力公司嘉定供電公司，上海 201800)

SF6氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear, 簡稱 GIS)采用全密封安裝的結構，具有占地面積小，運行穩定的優點[1]，在城市供電網中得到了廣泛應用。該結構能保護設備不受外界環境條件的影響，同時也為GIS設備的監視和維護帶來了障礙[2]。GIS設備可能在生產制造、運輸、安裝、長期運行等過程中導致內部出現異常情況，完全封閉的結構也使變電運維人員在常規巡視檢查工作中無法及時發現GIS內部缺陷。運行中內部異常持續放電很可能會導致設備主絕緣缺陷，為整個電網的安全運行埋下隱患[3]。GIS設備維修成本高、周期長，設備事故將造成重大損失，嚴重威脅電網安全運行，因此必須采取有效的技術手段對GIS的絕緣狀況進行檢測評估[4]。

根據《國家電網公司變電檢測管理規定》，110 kV GIS每年都應進行一次特高頻(Ultra-high frequency, 簡稱UHF)局放檢測，每兩年進行一次超聲波局放檢測。若檢測到異常信號時可綜合利用UHF典型干擾圖譜、頻譜儀和高速示波器等儀器和手段進行綜合判斷，發現異常情況后應縮短檢測周期。局部放電在線檢測，能夠在GIS正常運行的條件下檢測其絕緣狀況，及時發現早期缺陷，避免發生重大事故。

本文介紹一起110 kV GIS設備內部典型懸浮放電的定位、分析及解體過程。根據帶電檢測綜合分析，精準定位放電源位于GIS電纜倉氣室內A相電纜終端上半部分，解體后驗證帶電檢測分析及定位的準確性，為GIS帶電檢測的異常診斷與處理積累了經驗。

1 GIS帶電檢測技術

局部放電是局部電場畸變、場強集中導致的一種脈沖放電。絕緣體中的持續性局部放電會造成絕緣的劣化甚至擊穿，如圖1所示。GIS內部放電類型包括自由金屬顆粒放電；金屬上的凸起導致的電暈放電；金屬部件松動導致的懸浮電位放電；盆式絕緣子上的顆粒、劃痕導致的沿面放電；絕緣部件內部氣隙沿面放電或空穴放電。GIS是金屬全密封結構，常用的帶電檢測法包括UHF檢測法、超聲波檢測法[5-9]。

圖1 絕緣局部放電發展過程

對于UHF檢測法，傳感器放置在盆式絕緣子的澆注孔上，GIS設備的金屬外殼形成了天然屏蔽，可免受外界手機信號等干擾，因此檢測靈敏度高；GIS的母線筒結構類似于同軸電纜，UHF信號傳播遠而衰減少，因此檢測效率高；根據UHF檢測信號的頻譜特征，可進行故障類型診斷[2]。

超聲波信號在SF6氣體中的傳輸距離較短，因此檢測GIS設備內部信號不易受到外來局放信號的干擾，檢測靈敏度高；聲音的傳播速度比電磁波慢很多，時間差更容易測量，定位也更加準確[10-15]。

2 檢測數據分析與缺陷定位

2.1 現場情況

某110 kV變電站于2016年投運，2017年檢修處理后正常投運，檢修后一個月內進行帶電檢測時發現GIS存在UHF異常信號。

GIS設備結構如圖2所示。經定位，信號來源于某間隔電纜倉內，UHF圖譜呈現出典型的懸浮放電特征，如圖3所示。經過長期、連續的跟蹤檢測，發現信號時有時無，呈現出較強的間歇性。

圖2 GIS設備結構圖

圖3 UHF檢測圖譜

2.2 聲電聯合法定位

UHF信號的傳輸速度接近光速，遠大于超聲波速度。在故障點附近同時進行UHF和超聲波檢測，把UHF傳感器固定在GIS上離故障點最近的澆注口，如圖4所示。移動超聲波傳感器，觀察示波器顯示的二者信號傳輸時差。當二者傳輸時差最小時，可認為超聲波傳感器最接近放電源位置。此時，放電源位置可計算獲得：

圖4 聲電聯合測試傳感器安裝位置圖

S=v×Δt

(1)

式中S——放電源距離超聲波傳感器的距離；Δt——最小傳輸時差；v——超聲波傳輸速度。

根據聲波在環氧樹脂中的傳播速度(縱波2 600 m/s、橫波1 100 m/s)，超聲波在固態中傳播以橫波為主的特性，時差184 μs(見圖5)。按照橫波計算放電源位置，距離紅色超聲波傳感器202 mm，按照縱波計算放電源距離傳感器478 mm。

圖5 聲電聯合測試結果圖

根據圖5的測試結果分析，放電源距離超聲波傳感器的距離為202～478 mm；對照電纜終端接頭圖可知，放電很可能位于A相電纜終端，標識的位置如圖7所示。

圖6 放電源位置標注圖

2.3 UHF時差法定位

2.3.1 方法一

為了確認局放信號來自A相，將3個UHF傳感器與電纜終端三相對應，完全對稱地放置，如圖7所示。UHF定位測試數據如圖8所示，確定局放信號來自該間隔電纜倉(A)相電纜終端。

圖7 傳感器放置示意圖(UHF時差法一)

圖8 ABC三相信號(UHF時差法一)

2.3.2 方法二

根據時差法，在A相電纜終端處與附近40 cm處各放置一個UHF傳感器，定位測試數據如圖9所示。兩個傳感器數據時差為1.26 ns，電磁波在空氣中傳輸速度為3×108m/s。根據時差法計算可得，放電源與傳感器的距離為378 mm。

圖9 定位數據(UHF時差法二)

計算距離基本與實物傳感器距離吻合。采用時差法進行各個方位數據時差對比計算，最終定位故障點在GIS電纜倉內部A相電纜終端，與聲電聯合法結果相一致。

3 解體檢查與處理

2019年對該GIS間隔電纜終端氣室進行停電檢修。停電后查看帶電檢測數據變化情況，發現信號已經消失。GIS氣室解體檢查，電纜終端退出氣室，沒有發現可疑放電點。解體電纜終端內部，檢查線芯、應力錐、均壓環等部位，發現壓接梗與均壓環之間存在空隙，均壓環可上下活動，沒有緊密貼緊線芯固定金具，查看線芯本體可見放電痕跡，如圖10所示。均壓環與壓接梗之間的空隙形成不等電位，導致懸浮放電。

圖10 A相電纜終端解體后放電點

本次解體更換電纜終端，重新投運后復測，局放信號明顯消失，未再出現放電脈沖信號。

分析原因認為，由于附件質量或施工工藝問題，電纜終端接頭壓接梗與均壓環之間產生松動，在電場的作用下產生高頻振動，在某一瞬間可能產生電位差，導致間歇性懸浮放電的情況發生。查明原因后更換電纜終端重新投運后進行復測，異常信號消失。

4 結語

(1)設備質量或施工工藝問題引起GIS內部異常放電，無法通過其他手段(例如預防性試驗或紅外熱像等)發現，UHF檢測是最有效的檢測手段。根據UHF頻譜特征可進行故障類別診斷，結合超聲波采用聲電聯合法，合理考慮內部結構，分析信號傳輸路徑便可實現異常信號來源精準定位。

(2)本案例中，根據帶電檢測結果，結合電纜終端結構判斷很可能是電纜終端內部金屬材質接觸不良導致。懸浮電位缺陷本身很少發生事故，懸浮電位放電事故前一般可以忍受較長時間如幾個月到數年。但在本案例中，經定位，放電源位置在電纜終端內部，可能會誘導產生絕緣故障，因此對該間隔電纜終端氣室進行停電檢修。

(3)建議設備運維管理單位優化GIS設備交接試驗流程。由于現場設備交接驗收時，GIS設備與電纜設備分階段進行，GIS現場驗收階段，電纜終端尚未接入，在此階段即完成GIS設備所有交接試驗。后期電纜終端接入時再由對側開展耐壓試驗，并未針對GIS電纜終端氣室開展局放檢測，則電纜終端安裝環節或質量問題引起的局部放電現象不能被及時發現。建議設備運維管理單位根據實際情況，在交接環節優化GIS設備交接試驗流程，電纜終端接入后再次開展GIS局放試驗，以全面考驗電纜終端頭的設備質量及現場安裝工藝，把好驗收關，避免設備帶缺陷投運。