220 kV電纜GIS終端局部放電聯合檢測技術應用

趙晨昊，陳云飛，胡泉偉，李 躍，李 雯

（國網天津市電力公司電纜分公司，天津 300171）

0 引言

隨著城市化發展，電纜的覆蓋率越來越高。電纜和組合電器終端因為占地面積小、土地利用率高，在電力系統中得到廣泛應用［1-2］。由于內部存在復雜的復合界面和電場應力集中現象，GIS終端是電纜線路中較為薄弱的環節，因此保證電纜GIS終端的狀態無異常，對于電纜線路的安全穩定運行具有重要意義。

電纜GIS 終端中常見的缺陷有橡膠和環氧分界面的缺陷、橡膠和交聯聚乙烯（Cross Linked Polyethylene，XLPE）分界面缺陷以及存在懸浮電極［3-5］。在長期運行電壓下，缺陷可能會引發局部放電，并導致絕緣逐漸劣化擊穿造成電網故障，因此，有效地檢出局部放電是保證電纜GIS 終端質量控制和狀態檢測的重要手段［6-7］。

目前電纜線路局部放電的檢測技術包括高頻法、特高頻法、超聲法等，有研究表明，在復雜的現場環境下，單一的檢測手段易受到外部信號干擾，具有一定局限性，可能難以應對復雜的檢測情況［8-12］。多種手段聯合檢測可以有效提高檢測效果，文獻［13］通過現場檢測結果表明，多傳感器聯合檢測技術在XLPE 電纜附件的局部放電檢測可以有效地排除現場干擾，提高局部放電檢測與定位結果的可靠性。

結合某220 kV 某變電站帶電檢測發現的電纜GIS 終端側的異常放電信號，討論針對GIS 終端的局部放電聯合檢測手段及實際應用方法，分析兩種檢測手段的檢測數據，并結合定位情況及解體結果，分析缺陷成因，為同類設備缺陷的處理提供參考。

1 電纜GIS終端局部放電檢測方法

高頻法是目前電纜線路局部放電帶電檢測的常用手段，對頻率介于1 MHz～300 MHz 區間的局部放電信號采集、分析、判斷，傳感器是高頻電流互感器（High Frequency Current Transformers，HFCT）、電容耦合傳感器。電力電纜絕緣內部的局部放電源可以看作一個點脈沖信號源，當電纜絕緣內部產生局部放電時，缺陷內部的電荷發生移動和積累，在兩端電極體現為脈沖電流，脈沖電流沿著線芯和金屬屏蔽進行傳播，通過高頻電流傳感器檢測流過接地引下線或其他地電位連接線上的高頻脈沖電流信號，可實現對電纜局部放電的帶電檢測。由于高頻局部放電檢測與脈沖電流法檢測原理類似，在傳感器及檢測回路相對固定的情況下，可以對被測局部放電信號的強度進行量化分析，但抗電磁干擾的能力相對較弱，對缺陷點的定位能力較差［14-15］。

特高頻法的檢測頻帶為100～3 000 MHz，對頻率處于該區間內的局部放電信號進行采集、分析、判斷，主要采用天線結構傳感器采集信號。由于檢測頻段高，現場抗低頻電暈干擾能力強，檢測靈敏度高，在變壓器與GIS 帶電檢測中應用效果良好［16］。但特高頻法無法實現對金屬封閉的電氣設備的檢測，交聯聚乙烯電纜除了絕緣接頭隔斷處及終端，其余部分全線均有鋁護套覆蓋，因此特高頻局部放電檢測對電纜監測的適用面較窄，主要用于GIS 終端的缺陷性質的定性診斷或利用時延法進行定位分析。若電纜終端內含有缺陷產生局部放電脈沖時，會從環氧套管接縫處泄漏出特高頻電磁波信號，通過特高頻（Ultra High Frequency，UHF）傳感器可以有效地檢測到該電磁波，用來判斷內部局部放電的情況［17］。

目前，研究結果顯示特高頻檢測法和高頻檢測法獲取的局部放電信號在時域上有相關性，基于此兩種方法聯合檢測可以剔除高頻信號中的干擾脈沖，提高局部放電帶電檢測技術的靈敏度，且兩種方法通過相互驗證可以提高缺陷辨識準確度［18］。

2 案例分析

2.1 局部放電信號發現

2020 年11 月16 日，技術人員在對某220 kV 變電站站站內電纜進行帶電檢測工作時，通過特高頻法發現2217 間隔電纜GIS 終端A 相存在異常放電信號，放電圖譜具有典型的局部放電特征。多次復測，發現該局部放電信號仍然存在并存在發展趨勢，隨后進行了放電源的定位，對比分析后發現放電位置位于2217 間隔A 相電纜終端氣室內。為了確定設備隱患位置并驗證帶電檢測結果的正確性，對2217 間隔A 相終端進行解體，并結合解體情況對放電原因進行分析。

2.2 帶電檢測數據分析

2.2.1 特高頻局部放電數據

對上述2217 間隔電纜GIS 終端進行特高頻局部放電檢測，傳感器安裝在電纜終端環氧樹脂套處，安裝位置如圖1 所示，檢測所得放電圖譜如圖2 所示。根據測得的脈沖序列分布（Phase Resolved Pulse Sequence，PRPS）和局部放電相位分布（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD）圖譜可以看出，A、B、C 三相及相鄰間隔均存在相同類型的特高頻放電信號，且均具有工頻相關性，從放電相位上看，B、C相及相鄰間隔處放電的相位分布相同，且與A相相位分布相反，從放電幅值上看，B、C 相及相鄰間隔處放電信號幅值均低于A 相，且信號幅值與相對A 相距離呈負相關，據此初步判斷此放電信號來源于A相。

圖1 特高頻傳感器安裝位置

圖2 特高頻第1次檢測結果

2020 年11 月19 日、26 日，分別采用特高頻法進行第2 次和第3 次復測，測試結果如圖3、圖4 所示。由圖2—圖4 可知，第1 次檢測時測得A 相放電幅值為-51.3 dBm［19］，第2 次復測時測得A 相放電幅值為-34.2 dBm，第3 次復測時測得A 相測得放電幅值為-37.2 dBm，對比3次檢測結果可以發現，從放電幅值來看，A相放電幅值偏大，且相較于第1次檢測放電幅值大幅增大，從放電脈沖特征來看，3次檢測到的放電呈現出相似的特征，均出現在一、三象限，每簇放電脈沖幅值比較穩定，相鄰放電時間間隔較為一致，呈現出懸浮放電的特征，第2次檢測到的放電信號正負半周脈沖幅值不一致，猜測是懸浮電極不穩定所致。

圖3 特高頻第2次檢測結果

圖4 特高頻第3次檢測結果

2.2.2 高頻局部放電數據

2020 年11 月16 日、19 日、26 日，使用TECHIMP設備在GIS終端地線處安裝高頻CT進行高頻局部放電檢測，未發現疑似局部放電。

11 月26 日，在A 相GIS 架構螺栓處安裝CT 進行高頻局部放電檢測時發現疑似放電信號，且信號特征與特高頻信號類似，傳感器安裝位置如圖5 所示，檢測結果如圖6 所示，從PRPD 圖譜中可以看到4 簇放電信號，這4 簇放電信號的脈沖幅值都比較穩定，其中第一象限中幅值為負的一簇信號與第三象限中幅值為正的一簇信號的脈沖數較多，且這兩簇放電脈沖的幅值較大，因此認為這兩簇放電來自一個放電源，呈現出懸浮放電特征，另外兩簇信號疑似來自地線的干擾，其他兩相相同位置螺栓未發現類似放電信號，據此也可初步判斷放電信號來源于A相。

圖5 特高頻傳感器安裝位置

圖6 高頻局部放電檢測結果

2.3 放電源定位

為了更精確地判斷放電點的位置，采用特高頻定位儀進行放電源的定位。

2.3.1 確定放電相位

為避免誤檢情況的發生，在進行準確定位之前，先排除放電信號不是來自其他位置。采用兩個標記顏色的傳感器用來接收不同位置的信號，黃色傳感器放置在A 相電纜終端環氧樹脂套處，綠色傳感器分別放置在前、后、左、右4 個方位，傳感器放置位置如圖7 所示，檢測結果如圖8 所示。檢測結果表明，黃色傳感器測到的放電波形均超前于綠色傳感器測到的放電波形，可以證明信號不是來自空間其他區域。

圖7 排除干擾時傳感器放置位置

圖8 A相信號與空間信號時延波形圖譜

采用3 個標記不同顏色的特高頻傳感器進行放電位置相位的確定，將黃色、綠色、紅色傳感器分別放置在2217 間隔A、B、C 相電纜終端環氧樹脂套處，傳感器放置位置如圖9所示，檢測結果如圖10所示。由示波器定位波形圖可見A 相（黃色）信號的波形起始沿超前B 相（綠色）、C 相（紅色）兩相波形起始沿，可以證明放電信號來自A相電纜終端氣室。

圖9 確定局部放電信號相位時傳感器放置位置

圖10 A、B、C三相放電信號時延波形

2.3.2 信號定性分析

由圖11 所示，當示波器水平軸上每格的時間寬度為10 ms 或2 ms 時，即每2 格或10 格為一個工頻周期，該局部放電脈沖每周期內出現兩簇信號，脈沖信號間距相等，具有明顯工頻相位相關性，幅值最大為2.6 V，放電信號幅值較大，放電較為嚴重。圖3—圖11 中綠色曲線為特高頻信號，黃色曲線為高頻信號，兩條曲線中脈沖一一對應，表明測得的特高頻信號與高頻信號具有同源性。

圖11 A相放電信號10 ms/2 ms示波器圖

2.3.3 信號精確定位

如圖12 所示，采用黃色、綠色兩個傳感器進行放電源的精確定位，將黃色特高頻傳感器放置在A相電纜終端環氧樹脂套處，綠色特高頻傳感器放置在電纜終端筒倉上部盆子處，兩個傳感器采集到放電信號的時延波形圖如圖13 所示。A 相GIS 氣室的尺寸如圖12 所示，兩傳感器距離1.96 cm，波形圖中黃色波形超前綠色傳感器波形約4.3 ns，根據特高頻傳播速度，經計算，可以排除放電源位于外部或綠色傳感器內側情況，算得放電源距黃色傳感器約33 cm。結合上述定位過程及距離計算，判斷局部放電源位置在2217 間隔A 相電纜終端氣室如圖14 所示的紅色標注區域內。

圖12 精確定位傳感器放置位置

圖13 兩處測到放電信號的時域波形

圖14 局部放電源所在位置

3 解體情況

為確認缺陷位置，避免缺陷導致事故發生，對2217 間隔電纜GIS 終端A 相進行停電檢查。解體后，經檢查發現A 相電纜終端止動套與電纜線芯存在松動現象，電纜線芯和止動套上有黑色放電痕跡，如圖15、圖16所示。

圖15 電纜線芯上的放電痕跡

圖16 止動套放電痕跡

綜合分析，故障原因是GIS 終端安裝時，安裝不到位，未使止動套與電纜線芯接觸緊密。如圖17 所示，止動套位于線芯外側，用于線芯定位，運行工況下，當止動套與線芯未緊密貼合時，止動套處形成懸浮電位，發生懸浮放電，電纜線芯與止動套上的黑色痕跡則為放電燒蝕所致。

圖17 電纜GIS終端結構

隨后檢修人員對該缺陷進行處理，重新更換了電纜終端，且在安裝過程中認真核對止動套的規格尺寸，嚴格按照圖紙進行安裝，新的終端安裝完畢并恢復送電后，再次采用特高頻法對該220 kV 站內2217 間隔電纜GIS 終端進行復測，未發現異常放電信號。

4 結語

特高頻和高頻檢測將缺陷位置定位在A 相GIS終端，特高頻定位最終將放電源定位在A 相電纜終端氣室內，定位結果與解體發現的實際放電位置一致，證明GIS 電纜終端的局部放電帶電檢測的有效性，局部放電能夠反映電纜終端氣室的局部放電情況，即缺陷情況。

對于GIS 電纜終端，同時采用特高頻法和高頻法對疑似缺陷進行帶電檢測，能夠更加綜合地反映放電情況，且兩種手段聯合檢測相互驗證，能夠大大降低誤檢、漏檢概率，有效提高缺陷的檢出率。

在電纜終端日常檢測工作中，對于同一設備，應盡可能增加高頻局部放電的檢測點位，避免因檢測點信號不明顯而導致缺陷未及時檢出。

在電纜附件安裝過程中應嚴格驗收，避免因安裝工藝問題導致電纜缺陷。