GIS现场闪络故障定位关键技术应用

崔巨勇，杨 鹤，韦德福，申 焕，师 政

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

GIS现场闪络故障定位关键技术应用

崔巨勇，杨 鹤，韦德福，申 焕，师 政

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

分析了封闭式组合电器（GIS）发生闪络的原因，建立了闪络过程的模型，并采用超声波的方法对故障点进行检测和定位，并在实验室对550 kV GIS设备在耐压过程中进行尖端和气隙闪络放电试验，利用该方法对故障点进行定位，验证了该模型和方法的有效性。

GIS；闪络；故障定位；超声波检测

随着我国智能电网及超高压、特高压电力系统建设的快速发展，电气设备的使用数量激增的同时，电压等级和设备的集成度也在不断提高。GIS因其体积小，绝缘性能良好等优点，在国内外的变电站建设中应用广泛。在实际运行中，GIS设备经常因恶劣天气、电力系统故障、设备自身制造工艺缺陷等情况，在高电压作用下产生沿面闪络的现象［1－3］，引起内部绝缘击穿，严重危害系统安全。在设备交接阶段进行常规的交流耐压试验能够发现GIS设备比较严重的外在绝缘缺陷，但对内部的绝缘缺陷检测率较低。内部绝缘缺陷在设备新投运及运行初期对系统的影响不大，不易察觉，若不能及时发现并进行检修，则会增加设备损毁的风险，极大地影响电力系统供电的稳定性和可靠性，危及其他电气设备的正常运行和工作人员的人身安全。

在设备的交接阶段，进行耐压试验的同时，对GIS进行内部绝缘缺陷的排查是保障设备正常运行、延长使用寿命的重要措施。目前，应用于故障检测的主要方法有：常规检测法、超高频检测法、光学检测法、化学检测法、超声波检测法等［4－8］。常规检测法又称为脉冲电流法，利用耦合电容器对放电产生的脉冲电流进行测量，该方法实现简单，但易受到周围环境的电磁干扰，影响检测结果。超高频检测法利用放电产生的超高频段电磁振波进行检测，超高频法对周围电磁干扰不敏感，但需要在设备内部安置多个传感器，操作复杂，成本较高。光学检测法灵敏度高，但易受环境光的影响，现已很少应用于电气设备的故障检测。化学检测法主要检测闪络使SF6气体产生分解物SOF2和SO2F2，通过其含量判断闪络放电，通常检测周期较长，且灵敏度低。

超声波检测法主要通过检测放电时产生的超声波信号，对闪络放电进行检测和定位，不易受环境的电磁干扰，且操作方便，已在故障诊断和定位领域得到广泛应用。因此，提出了利用超声波检测技术在交流耐压试验过程中，对GIS设备内部绝缘缺陷进行同步检测，并实现对因绝缘缺陷产生的闪络和绝缘击穿故障点的精确定位，有针对性地对缺陷部件进行整改，避免了重复进行耐压试验对设备造成的损伤。在实验室1台550 kV GIS设备进行交流耐压试验过程中，采用了该方法对设备进行内部尖端和气隙闪络的检测，并对闪络故障点进行准确定位。试验结果验证了该方法的有效性，可在设备验收和交接阶段甄别内部绝缘缺陷，并实现定位，避免设备带病入网运行，减少系统故障的风险，延长设备的使用寿命。

1 闪络产生的机理

根据GIS内部构造特性，交接阶段的交流耐压试验过程中产生的闪络，多为SF6气体沿固体绝缘子表面放电所引起。SF6中固体绝缘子放电主要是因为绝缘介质表面电场强度发生畸变所导致的，由于制造工艺和安装质量问题造成绝缘表面有毛刺、灰尘、悬浮颗粒等都将导致耐压过程中闪络［9］。

SF6气体中发生闪络时的闪络电压如下：

式中Uf——闪络电压；

η——绝缘利用系数；

Ef——闪络时的最大电场强度；

d——气体间隙。

Ef与电极和绝缘介质表面的粗糙程度有很大关系，如下式所示：

式中Kh——电极的曲率；

Kf——电极表面的粗糙程度；

Kg——固体介质表面的粗糙程度；

p——气体压力。

将式（2）代入式（1）得：

当绝缘介质受到的电压值达到式（4）中的Uf值，就会在GIS内部产生绝缘子沿面闪络。

2 超声波检测原理

GIS内部绝缘介质发生沿面闪络的同时，也会以光和声波的方式向周围传播能量。超声波检测法即是利用捕捉这种声波能量，实现对故障点的检测和定位。

以GIS内部绝缘介质上的细小气隙为例［10－11］，在放电产生过程中，气隙具有的力学特性满足式（5）：

式中Lm——力学等效电路中的电感；

Cm——力学等效电路中的电容；

Rm——力学等效电路中的电阻；

Uc——力学等效电路中电容两端的电压。

图1是力学过程等效电路图，由图1可知，该过程是一个振荡过程，因此，式（6）的关系成立：

图1 力学等效电路

发生振荡时，气隙在力的作用下，产生超声波向周围传播，超声波的幅值与放电量成正比。

3 耐压试验验证

在实验室对某550 kV GIS进行交流耐压试验，同时利用本文方法对耐压过程产生的GIS内部尖端和气隙闪络进行检测，并对故障点进行定位。图2是根据本文方法提出的闪络故障定位系统示意图。

图2 GIS闪络故障定位测试系统示意图

3.1 试验过程

在此次试验中，利用超声波检测系统（无线传输）定位GIS内部闪络和绝缘击穿故障点，试验步骤如下。

a.在升压前将各检测单元布置到设备上各选定的检测点。

b.耐压开始即启动检测，无线接收各检测点传回的检测数据。

c.根据实时检测图谱中的脉冲特征作定位。

d.移动特定检测单元，进行比较测量。

图3为试验现场和检测单元，试验过程如下。

a.内部尖端闪络。在2号气室内部放置尖端，并施加工频耐压，直至闪络放电。

b.内部气体间隙闪络。通过调节1号气室的隔离开关动静触头间的间距来人为制造放电源和控制放电电压，工频耐压直至闪络放电击穿；通过调节1号气室的隔离开关动静触头之间的间距来人为制造放电源和控制放电电压，冲击耐压（1 230 kV左右）直至闪络放电击穿。

图3 试验现场和检测单元

3.2 试验结果

对各项试验进行检测后，得到的结果如表1—3所示，结果验证了本文方法对闪络故障定位的准确性和有效性。

表1 内部尖端闪络故障定位

表2 工频耐压气体间隙闪络故障定位

表3 冲击耐压气体间隙闪络故障定位

4 结束语

目前GIS设备在交接阶段的交流耐压试验过程中，不能有效地检测设备内部的绝缘缺陷，易导致GIS设备带病入网运行，给电力系统的稳定性和可靠性带来隐患。针对该问题，提出了在交流耐压试验的同时，利用闪络产生的超声波信号，对GIS设备内部因绝缘缺陷导致的闪络进行检测，对闪络故障点进行定位，并在实验室对550 kV GIS设备进行耐压试验过程中加入尖端和气隙闪络故障点，对该方法进行检验，试验结果验证该方法在闪络故障检测及故障点定位应用中的准确性和有效性，可在高压设备交接试验中推广，也可应用于设备运维阶段的故障诊断与定位，为智能检修提供支撑。

［1］杜晓平，李 涛，陈瑞林.一起220 kV GIS闪络故障分析及建议［J］.电力系统保护与控制，2010，38（3）：128－132.

［2］韦德福，李 斌，洪 鹤.一起220 kV GIS母线失压事故分析［J］.东北电力技术，2015，36（5）：74－76.

［3］朱 毅，吴建军，李 博，等.GIS设备超声波局部放电带电测试方法及故障分析［J］.东北电力技术，2015，36（1）：33－36.

［4］洪 鹤，李 斌，鲁旭臣.组合电器状态检测新技术在辽宁电网的应用［J］.东北电力技术，2014，35（8）：49－55.

［5］Meijer S，Smit J J，Girodet A.Estimation of UHF signal propa⁃gation through GIS for sensitive PD detection［C］.Conference recordofIEEEInternationalSymposiumonElectrical Insulation，2002.

［6］黄兴泉，郭 琳，李成榕.基于X射线激励下的局部放电定位［J］.华北电力大学学报，1999，6（4）：1－5.

［7］付文光，杨 玥，韩 磊，等.GIS内部放电缺陷的综合诊断方法与实践［J］.电气技术，2013，14（2）：44－46.

［8］韩晓昆，闫春江，涂明涛，等.超声波和超高频技术在GIS设备中的联合应用［J］.电力系统装备，2012，11（4）：13－16.

［9］严 璋，朱德恒.高电压绝缘技术（第二版）［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［10］李 颖.GIS局部放电超声检测技术的研究及应用［D］.大连：大连理工大学，2014.

［11］刘绍男.超声波检测技术在GIS设备故障诊断中的应用［D］.长春：吉林大学，2013.

Application on GIS Flashover Fault Location Technology

CUI Ju⁃yong，YANG He，WEI De⁃fu，SHEN Huan，SHI Zheng
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The cause of flashover emergence is discussed and the flashover process model is established.Ultrasonic detection method is used to test the flashover fault and locate fault spot.Through an actual 550 kV GIS AC withstand voltage test，the method proposed in this paper is utilized to detect the inside point and gas gap flashover.The result verifies that the proposed model and the test method are feasible and effective in the handover stage test.

GIS；Flashover；Fault location；Ultrasonic testing

TM595

A

1004－7913（2016）08－0059－04

崔巨勇（1978—），男，博士，工程师，主要从事高电压技术研究。

2016－05－20）