基于特高频和声电联合法的GIS局部放电缺陷分析

岳彩鹏

（国网山东省电力公司聊城供电公司，山东 聊城 252000）

基于特高频和声电联合法的GIS局部放电缺陷分析

岳彩鹏

（国网山东省电力公司聊城供电公司，山东 聊城 252000）

GIS绝缘故障的发生会对电站和电网的安全稳定运行造成严重影响，局部放电检测可有效发现GIS设备的潜伏性故障，保障GIS设备安全运行。特高频法及超声波法是GIS局部放电检测的常用方法。采用特高频时差定位法、声电联合定位法成功定位一起220kV GIS隔离开关悬浮放电故障。解体后发现，由于齿轮传动轴与绝缘拉杆接头尺寸配合不当造成电位悬浮，进而产生局部放电。建议进一步改进该类型隔离开关绝缘拉杆处的结构设计，增加等电位连接措施，避免类似情况发生。

特高频；超声波；局部放电；声电联合；定位

0 引言

封闭式气体绝缘组合电器（GIS）具有占地面积小、可靠性高、受外界环境影响小、维护简单等优点，近年来被广泛地应用于电力系统中［1-2］。但在GIS的制造和装配过程中，往往由于工艺等问题会使GIS内部留下一些小的缺陷，如金属微粒、绝缘气隙等，这些微小的缺陷在GIS运行过程中可能会发展为危险的放电通道，并最终引起绝缘击穿事故。

对GIS进行局部放电带电检测是评估GIS运行状态的重要手段，可以提前发现GIS内部潜在的故障或缺陷，保证其安全可靠运行［3］。

目前，国内外多采用特高频法和超声波法进行局部放电定位，特高频法由于原理简单、灵敏度高的优点得到广泛的应用，但它难以实现设备缺陷的准确定位［4］。特别是当缺陷位于绝缘子附近时，难以准确确定其所在的气室，这就增加了检修维护的复杂性。超声波定位法虽然灵敏度较好，定位准确度高，但其有效范围较小，现场应用时工作较为繁重［5］。因此，如何有效结合两者的优点，实现快速准确定位，成为近年来现场维护人员关注的焦点。

1 检测方法

特高频法采用时差定位法实现GIS局部放电源的定位，即通过计算两个或多个不同位置的特高频传感器接收信号的时延来确定放电源的位置。

声电联合定位法即先采用特高频法对GIS局部放电进行初步定位分析，确定局部放电的大致范围，再采用特高频法和超声波法联合进行定位分析，从而实现绝缘缺陷的精确定位。

声电联合定位法同时对局部放电源产生的超声波信号和特高频信号进行检测，利用两者互补的特性，使其相比于单一超声波法和特高频法有更强的抗干扰能力，并能提高定位精度。

特高频法与超声波法各自存在不同的优缺点，如表1所示。

表1 两种检测方法优缺点比较

2 缺陷检测与分析

2.1 发现过程

2016-08-09，试验人员采用特高频法对某220kV变电站201间隔进行局部放电检测时，在201-3开关A相盆式绝缘子上检测到异常特高频信号，图1为现场检测照片，图2、图3为测得的特高频信号。图1中，绿色标识的特高频传感器固定在201-3开关A相盆式绝缘子上，红色标识的特高频传感器放置于外部空间。

由图2、图3可以看到，201-3开关A相检测到明显异常的特高频信号，该信号具有工频相关性，脉冲根数较少，幅值较大，并存在一定的间歇性，与悬浮电极放电的特征相符，应为悬浮电极类放电。经过各个方向上移动红色标识的特高频传感器进行时差分析，绿色标识的特高频信号在时间上均超前于红色标识特高频信号，因此可初步判定信号应来自于GIS设备内部。

为了进一步确定信号来自GIS内部，两个特高频传感器保持不变，将紫色标识的超声波传感器放于201-3开关外壳上进行声电联合检测，如图4所示，检测结果如图5所示。

由图5可以看到，测得的特高频与超声脉冲信号之间一一对应，具有明显的工频相关性。因此可确定放电信号应来自于GIS设备内部。

图1 201-3开关A相特高频检测现场

图2 201-3开关A相测得的特高频信号

图3 波形展开后的特高频信号

2.2 缺陷定位

2.2.1 特高频时差定位

为了确定信号源位置，首先采用特高频时差定位法，对201间隔A相多个盆式绝缘子特高频信号进行时延分析。

图4 201-3开关A相声电联合检测现场

图5 201-3开关A相上特高频及超声信号

第1次定位检测：将绿色标识的特高频传感器固定在201-3开关邻近的盆式绝缘子上，红色标识的特高频传感器固定在201-D3邻近的盆式绝缘子上，如图6所示，检测结果如图7所示。

图6 第1次定位检测现场

由图7可以看到，绿色标识的特高频信号在时间上明显超前于红色标识的特高频信号，因而，放电源更靠近绿色标识传感器所对应的盆式绝缘子，即更靠近201-3开关侧。

第2次定位检测：绿色标识的特高频传感器的位置保持不变，将红色标识的特高频传感器换到201-D2接地开关邻近的盆式绝缘子上，如图8所示，检测结果如图9所示。

图7 第1次定位检测结果

图8 第2次定位检测现场

图9 第2次定位检测结果

由图9可以看到，绿色标识的特高频信号在时间上超前于红色标识的特高频信号大约2 ns，因而，放电源更靠近绿色标识传感器所对应的盆式绝缘子，即更靠近201-3开关侧。

2.2.2 声电联合定位

为了精确确定放电源的位置，采用声电联合法进行定位，绿色标识的特高频传感器的位置保持不变，同时采用两个超声波传感器与特高频传感器进行同步检测，检测现场及结果如图10～图13所示，其中黄色与紫色标识的为超声波传感器，绿色为特高频传感器。

图10 第3次定位检测现场

图11 第3次定位检测结果

图12 第4次定位检测现场

由图11可以看到，黄色超声波传感器时间上超前紫色超声波传感器，特高频脉冲与黄色超声脉冲的时间差大约为300μs；由图13可以看到，黄色超声波传感器时间上超前紫色超声波传感器，特高频脉冲与黄色超声脉冲的时间差大约为100μs，因而，超声信号源应该更靠近图12中黄色标识的传感器。

图13 第4次定位检测结果

结合201-3开关A相附近特高频、超声波信号的强度及时序与设备内部结构，该放电源应该位于201-3开关A相操作机构传动连接部位，具体位置如图14所示。

图14 放电源位置

3 解体情况

1号主变、201间隔、101间隔及301间隔停电后，对201-3开关A相绝缘拉杆进行检查，拿出齿轮传动轴后，在A相的绝缘杆上部与齿轮传动轴咬合的凹槽处，发现大量因放电产生的黑色粉末，如图15、图16所示。

图15 绝缘杆凹槽里的放电粉末

图16 绝缘杆凹槽内侧的痕迹

长时间局部放电会产生金属粉末，由于在齿轮轴与绝缘拉杆嵌件配合的周围有聚四氟乙烯垫片、衬套，如图17所示，才使粉末未散落扩散到气室内。若长期运行后，一旦粉末发生散落，则会导致严重的闪络故障。

图17 绝缘拉杆与齿轮轴的连接结构

4 故障分析及处理

造成悬浮放电的原因是设备中的某两个部件没有接触好，形成一个电位差，而从图18可以看出，传动输入轴和齿轮传动部分都与外壳连接牢靠，为地电位；绝缘拉杆下端与高压导体的齿轮咬合紧密，是同等的高电位，因此可能存在悬浮放电的位置只有绝缘拉杆上端与齿轮传动轴的接触面，即红色圆圈所示部分。

图18 隔离开关内部传动部件

通过对绝缘拉杆铝合金接头及齿轮轴进行尺寸测量，发现接头卡槽尺寸过大，为12.32mm，如图19所示。而图纸要求为12.15mm，超出图纸要求0.17mm，使齿轮轴与铝合金接头之间出现接触不良的情况，设备运行时卡槽存在悬浮电位，在两个元件之间发生局部放电，长时间局部放电会产生金属粉末。

结合上述故障原因的分析，检修人员选择更换绝缘拉杆铝合金接头符合尺寸的绝缘拉杆；同时，考虑到绝缘拉杆铝合金接头及齿轮轴长时间的摩擦可能会造成两者尺寸误差逐渐偏大，检修人员决定从绝缘拉杆铝合金接头凹槽的底面中心位置安装等电位弹簧，如图20所示。利用弹簧的伸缩性使绝缘杆与齿轮传动轴在运行过程中始终弹性连接，保证绝缘拉杆上端可靠接地，进而消除因接触不良产生的悬浮放电隐患。

图19 绝缘杆凹槽与齿轮传动轴凸起的尺寸差

图20 安装等电位弹簧

5 结语

结合特高频时差定位及声电联合定位法准确定位一起220kV GIS隔离开关气室悬浮放电故障，并将放电源位置定位在隔离开关气室上部传动机构附近。解体后发现的放电痕迹验证了本次局放定位的准确性。由于齿轮传动轴与绝缘拉杆接头尺寸配合误差较大，造成装配不当，存在悬浮放电隐患。已要求厂家加强GIS元件加工过程中的管理，进一步改进该类型隔离开关绝缘拉杆处的结构设计，增加等电位连接措施。并且重点关注同一型号隔离开关气室，缩短带电检测周期，避免类似情况发生。

［1］ 陈敏，陈隽，刘常颖，等.GIS超声波、超高频局部放电检测方法适用性研究与现场应用［J］.高压电器，2015，51（8）：186-191．

［2］ 孙曙光，陆俭国，俞慧忠，等．基于超高频法的典型GIS局部放电检测［J］.高压电器，2012，48（4）：7-12．

［3］ 魏翀，熊俊，杨森.GIS局部放电带电检测技术分析与现场应用［J］.电气自动化，2016，38（2）：106-108，114.

［4］ 钱勇，黄成军，江秀臣，等.基于超高频法的GIS局部放电在线监测研究现状及展望［J］.电网技术，2005，29（1）：40-43，55.

［5］ 肖燕，郁惟镛.GIS中局部放电在线监测研究的现状与展望［J］.高电压技术，2005，31（1）：47-49.

Defects Analysis of GIS Partial Discharge Based on UHF and Acoustic-electric Methods

YUE Caipeng
（State Grid Liaocheng Power Supply Company，Liaocheng 252000，China）

The occurrence of GIS insulation failure will have a serious impact on the safe and stable operation of power plants and power grids.The partial discharge（PD）detection can effectively detect the latent fault of GIS equipment and ensure the safe operation of GIS equipment.The ultra high frequency（UHF）method and the acoustic-electric method are common methods for PD detection in GIS.The fault location of a 220kV GIS isolation switch is successfully achieved by using the method of UHF time-difference localization and acoustic-electric combined positioning.After examining the faulty equipment，it is found that due to the improper matching of the gear drive shaft and the size of the insulating rod，the potential is suspended，and then the PD produced.It is recommended to further improve the structural design of the insulation rod of this type of isolation switch，and to add the equipotential connection measures to avoid similar situations.

UHF；ultrasonic；partial discharge；acoustic-electric；location

TM595

：B

：1007－9904（2017）07－0073－05

2017-01-04

岳彩鹏（1984），男，工程师，从事高压试验检修及带电测试与故障诊断工作。