范麗君，李 準(zhǔn)，董海慶，陳 冠

(國(guó)網(wǎng)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(jiǎn)稱 GIS)采用全密封安裝的結(jié)構(gòu)，具有占地面積小，運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[1]，在城市供電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)能保護(hù)設(shè)備不受外界環(huán)境條件的影響，同時(shí)也為GIS設(shè)備的監(jiān)視和維護(hù)帶來(lái)了障礙[2]。GIS設(shè)備可能在生產(chǎn)制造、運(yùn)輸、安裝、長(zhǎng)期運(yùn)行等過(guò)程中導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)異常情況，完全封閉的結(jié)構(gòu)也使變電運(yùn)維人員在常規(guī)巡視檢查工作中無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部缺陷。運(yùn)行中內(nèi)部異常持續(xù)放電很可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備主絕緣缺陷，為整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行埋下隱患[3]。GIS設(shè)備維修成本高、周期長(zhǎng)，設(shè)備事故將造成重大損失，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行，因此必須采取有效的技術(shù)手段對(duì)GIS的絕緣狀況進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估[4]。

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司變電檢測(cè)管理規(guī)定》，110 kV GIS每年都應(yīng)進(jìn)行一次特高頻(Ultra-high frequency, 簡(jiǎn)稱UHF)局放檢測(cè)，每?jī)赡赀M(jìn)行一次超聲波局放檢測(cè)。若檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)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(jìn)行綜合判斷，發(fā)現(xiàn)異常情況后應(yīng)縮短檢測(cè)周期。局部放電在線檢測(cè)，能夠在GIS正常運(yùn)行的條件下檢測(cè)其絕緣狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期缺陷，避免發(fā)生重大事故。

本文介紹一起110 kV GIS設(shè)備內(nèi)部典型懸浮放電的定位、分析及解體過(guò)程。根據(jù)帶電檢測(cè)綜合分析，精準(zhǔn)定位放電源位于GIS電纜倉(cāng)氣室內(nèi)A相電纜終端上半部分，解體后驗(yàn)證帶電檢測(cè)分析及定位的準(zhǔn)確性，為GIS帶電檢測(cè)的異常診斷與處理積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 GIS帶電檢測(cè)技術(shù)

局部放電是局部電場(chǎng)畸變、場(chǎng)強(qiáng)集中導(dǎo)致的一種脈沖放電。絕緣體中的持續(xù)性局部放電會(huì)造成絕緣的劣化甚至擊穿，如圖1所示。GIS內(nèi)部放電類型包括自由金屬顆粒放電；金屬上的凸起導(dǎo)致的電暈放電；金屬部件松動(dòng)導(dǎo)致的懸浮電位放電；盆式絕緣子上的顆粒、劃痕導(dǎo)致的沿面放電；絕緣部件內(nèi)部氣隙沿面放電或空穴放電。GIS是金屬全密封結(jié)構(gòu)，常用的帶電檢測(cè)法包括UHF檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法[5-9]。

圖1 絕緣局部放電發(fā)展過(guò)程

對(duì)于UHF檢測(cè)法，傳感器放置在盆式絕緣子的澆注孔上，GIS設(shè)備的金屬外殼形成了天然屏蔽，可免受外界手機(jī)信號(hào)等干擾，因此檢測(cè)靈敏度高；GIS的母線筒結(jié)構(gòu)類似于同軸電纜，UHF信號(hào)傳播遠(yuǎn)而衰減少，因此檢測(cè)效率高；根據(jù)UHF檢測(cè)信號(hào)的頻譜特征，可進(jìn)行故障類型診斷[2]。

超聲波信號(hào)在SF6氣體中的傳輸距離較短，因此檢測(cè)GIS設(shè)備內(nèi)部信號(hào)不易受到外來(lái)局放信號(hào)的干擾，檢測(cè)靈敏度高；聲音的傳播速度比電磁波慢很多，時(shí)間差更容易測(cè)量，定位也更加準(zhǔn)確[10-15]。

2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與缺陷定位

2.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

某110 kV變電站于2016年投運(yùn)，2017年檢修處理后正常投運(yùn)，檢修后一個(gè)月內(nèi)進(jìn)行帶電檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)GIS存在UHF異常信號(hào)。

GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。經(jīng)定位，信號(hào)來(lái)源于某間隔電纜倉(cāng)內(nèi)，UHF圖譜呈現(xiàn)出典型的懸浮放電特征，如圖3所示。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期、連續(xù)的跟蹤檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的間歇性。

圖2 GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

圖3 UHF檢測(cè)圖譜

2.2 聲電聯(lián)合法定位

UHF信號(hào)的傳輸速度接近光速，遠(yuǎn)大于超聲波速度。在故障點(diǎn)附近同時(shí)進(jìn)行UHF和超聲波檢測(cè)，把UHF傳感器固定在GIS上離故障點(diǎn)最近的澆注口，如圖4所示。移動(dòng)超聲波傳感器，觀察示波器顯示的二者信號(hào)傳輸時(shí)差。當(dāng)二者傳輸時(shí)差最小時(shí)，可認(rèn)為超聲波傳感器最接近放電源位置。此時(shí)，放電源位置可計(jì)算獲得：

圖4 聲電聯(lián)合測(cè)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(shí)差；v——超聲波傳輸速度。

根據(jù)聲波在環(huán)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(tài)中傳播以橫波為主的特性，時(shí)差184 μs(見圖5)。按照橫波計(jì)算放電源位置，距離紅色超聲波傳感器202 mm，按照縱波計(jì)算放電源距離傳感器478 mm。

圖5 聲電聯(lián)合測(cè)試結(jié)果圖

根據(jù)圖5的測(cè)試結(jié)果分析，放電源距離超聲波傳感器的距離為202～478 mm；對(duì)照電纜終端接頭圖可知，放電很可能位于A相電纜終端，標(biāo)識(shí)的位置如圖7所示。

圖6 放電源位置標(biāo)注圖

2.3 UHF時(shí)差法定位

2.3.1 方法一

為了確認(rèn)局放信號(hào)來(lái)自A相，將3個(gè)UHF傳感器與電纜終端三相對(duì)應(yīng)，完全對(duì)稱地放置，如圖7所示。UHF定位測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示，確定局放信號(hào)來(lái)自該間隔電纜倉(cāng)(A)相電纜終端。

圖7 傳感器放置示意圖(UHF時(shí)差法一)

圖8 ABC三相信號(hào)(UHF時(shí)差法一)

2.3.2 方法二

根據(jù)時(shí)差法，在A相電纜終端處與附近40 cm處各放置一個(gè)UHF傳感器，定位測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9所示。兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)時(shí)差為1.26 ns，電磁波在空氣中傳輸速度為3×108m/s。根據(jù)時(shí)差法計(jì)算可得，放電源與傳感器的距離為378 mm。

圖9 定位數(shù)據(jù)(UHF時(shí)差法二)

計(jì)算距離基本與實(shí)物傳感器距離吻合。采用時(shí)差法進(jìn)行各個(gè)方位數(shù)據(jù)時(shí)差對(duì)比計(jì)算，最終定位故障點(diǎn)在GIS電纜倉(cāng)內(nèi)部A相電纜終端，與聲電聯(lián)合法結(jié)果相一致。

3 解體檢查與處理

2019年對(duì)該GIS間隔電纜終端氣室進(jìn)行停電檢修。停電后查看帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，發(fā)現(xiàn)信號(hào)已經(jīng)消失。GIS氣室解體檢查，電纜終端退出氣室，沒有發(fā)現(xiàn)可疑放電點(diǎn)。解體電纜終端內(nèi)部，檢查線芯、應(yīng)力錐、均壓環(huán)等部位，發(fā)現(xiàn)壓接梗與均壓環(huán)之間存在空隙，均壓環(huán)可上下活動(dòng)，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(huán)與壓接梗之間的空隙形成不等電位，導(dǎo)致懸浮放電。

圖10 A相電纜終端解體后放電點(diǎn)

本次解體更換電纜終端，重新投運(yùn)后復(fù)測(cè)，局放信號(hào)明顯消失，未再出現(xiàn)放電脈沖信號(hào)。

分析原因認(rèn)為，由于附件質(zhì)量或施工工藝問(wèn)題，電纜終端接頭壓接梗與均壓環(huán)之間產(chǎn)生松動(dòng)，在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生高頻振動(dòng)，在某一瞬間可能產(chǎn)生電位差，導(dǎo)致間歇性懸浮放電的情況發(fā)生。查明原因后更換電纜終端重新投運(yùn)后進(jìn)行復(fù)測(cè)，異常信號(hào)消失。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)設(shè)備質(zhì)量或施工工藝問(wèn)題引起GIS內(nèi)部異常放電，無(wú)法通過(guò)其他手段(例如預(yù)防性試驗(yàn)或紅外熱像等)發(fā)現(xiàn)，UHF檢測(cè)是最有效的檢測(cè)手段。根據(jù)UHF頻譜特征可進(jìn)行故障類別診斷，結(jié)合超聲波采用聲電聯(lián)合法，合理考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析信號(hào)傳輸路徑便可實(shí)現(xiàn)異常信號(hào)來(lái)源精準(zhǔn)定位。

(2)本案例中，根據(jù)帶電檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合電纜終端結(jié)構(gòu)判斷很可能是電纜終端內(nèi)部金屬材質(zhì)接觸不良導(dǎo)致。懸浮電位缺陷本身很少發(fā)生事故，懸浮電位放電事故前一般可以忍受較長(zhǎng)時(shí)間如幾個(gè)月到數(shù)年。但在本案例中，經(jīng)定位，放電源位置在電纜終端內(nèi)部，可能會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生絕緣故障，因此對(duì)該間隔電纜終端氣室進(jìn)行停電檢修。

(3)建議設(shè)備運(yùn)維管理單位優(yōu)化GIS設(shè)備交接試驗(yàn)流程。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備交接驗(yàn)收時(shí)，GIS設(shè)備與電纜設(shè)備分階段進(jìn)行，GIS現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收階段，電纜終端尚未接入，在此階段即完成GIS設(shè)備所有交接試驗(yàn)。后期電纜終端接入時(shí)再由對(duì)側(cè)開展耐壓試驗(yàn)，并未針對(duì)GIS電纜終端氣室開展局放檢測(cè)，則電纜終端安裝環(huán)節(jié)或質(zhì)量問(wèn)題引起的局部放電現(xiàn)象不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。建議設(shè)備運(yùn)維管理單位根據(jù)實(shí)際情況，在交接環(huán)節(jié)優(yōu)化GIS設(shè)備交接試驗(yàn)流程，電纜終端接入后再次開展GIS局放試驗(yàn)，以全面考驗(yàn)電纜終端頭的設(shè)備質(zhì)量及現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝，把好驗(yàn)收關(guān)，避免設(shè)備帶缺陷投運(yùn)。