110kV电压等级GIS实体缺陷设计及带电检测

1.孙双懿 2.李剑眉

1.新东北电气集团高压开关设备有限公司 2.新东北电气集团超高压有限公司沈阳分公司

110kV电压等级GIS实体缺陷设计及带电检测

1.孙双懿 2.李剑眉

1.新东北电气集团高压开关设备有限公司 2.新东北电气集团超高压有限公司沈阳分公司

气体绝缘金属封闭开关设备(以下简称GIS)由于其占地面积小，灭弧能力强，运行可靠、检修周期长且不受环境污染和高海拔影响等优点，在电力系统中得到了广泛的应用。但同时由于其本身结构特点早期故障不易被人感官发现，其中某个设备的故障很容易波及临近设备。通过局部放电带电检测发现GIS的绝缘缺陷是一种科学有效的方法，相比停电试验能够有效地发现其内部早期的绝缘缺陷，并能对缺陷点进行定位，以指导检修，提高GIS的可靠性。带电检测技术在不停电条件下可掌握设备的运行状态，能避免故障的发生，减少事故率，降低设备检修成本。

110kV电压等级；GIS；实体缺陷设计；带电检测

1、前言

GIS设备的安全运行对电力系统的稳定至关重要，一旦发生故障，将引起所辖局部地区乃至全部地区停电事故。GIS在设备制造、运输、安装、运行等环节均有可能产生安全隐患，造成绝缘缺陷。GIS设备带电检测技术能够在不停电的情况下，及早的发现设备内部局部放电及其它缺陷信号，检测出GIS内部缺陷信息及其严重程度，实现缺陷的精确定位，对故障提出预警，从而实现有计划的安排检修，减少设备损坏和事故发生。

2、GIS带电检测平台

2.1 典型缺陷模拟

在运行过程中，GIS会因机械等原因而引起极不均匀场电晕放电，或者在高压导体附近出现金属悬浮物，或者开关动作在壳体产生金属颗粒，盆式绝缘子因工艺不良出现空穴放电以及导体间接触不良在磁场和电流作用下产生振动等现象。根据这5种缺陷问题，本文设计并研制了金属尖端、悬浮电位、自由金属微粒、固体绝缘件内部气隙放电和电接触不良5种GIS缺陷等效模型。

2.2 平台设计及结构

本文根据GIS内部实际运行环境，同时将各种不同局放缺陷模型放置于内部，模拟各种不同局放故障，设计的局部放电检测模拟平台如图1所示。

图1 结构示意图

平台主要包括以下部件：无局放升压变压器与无局放耦合电容器①、4种典型绝缘缺陷②、1种电接触不良导致的机械振动缺陷③、GIS实验平台本体④、特高频内置传感器⑤、气隔盆式绝缘子⑥、高压出线套管⑦，此外还包括视频监测系统、电源控制箱、电源滤波器、SF6气体密度计等，可模拟110kV～500kVGIS各种局部放电现象。

其中高压出线套管可以外接电缆，可模拟GIS变电站电缆出线结构，用来开展电缆缺陷模拟和电缆局放带电检测等研究。其中4种典型绝缘缺陷可以人工自由调节缺陷位置及组合种类；电流接触不良缺陷气室通过气隔盆式绝缘子与其他气室隔离，可以借助升流器单独开展大电流下机械振动缺陷的模拟和检测研究。无局放升压变压器(内置于GIS缺陷模拟装置)，主要是为整个GIS缺陷模拟装置提供试验电压，其额定功率为5kVA，额定最高输出电压为160kV，100%额定电压下局放量≤1pC。

无局放耦合电容器也内置于GIS缺陷模拟装置，用于电脉冲法局放测试，信号出口与阻抗连接。内置有2个特高频传感器，主要用于检测内部放电产生的特高频信号，传感器频带为300MHz～1500MHz，灵敏度达到-65dBm。共用4个盆式绝缘子，主要用于固定母线，同时可起气体密封作用，外置式特高频传感器可放在盆式绝缘子上进行局放电磁波信号检测。共有2个通道，采用红外探测模式，最小分辨率为1024×768像素，具备自动记录、备份功能，可实时影像传递。

2.3 实验平台建设

安装完毕后的实验平台交接试验合格，符合相关行业及国家标准。平台局放量不大于2pC。平台可同时模拟多个缺陷的放电。应用该平台能够真实模拟变电站运行工况、复杂电磁环境下各种设备典型缺陷，完成GIS设备状态监测技术的研究开发、技能培训、仪器校验与比对等工作。

3、GIS局部放电带电检测技术

3.1 特高频检测技术

运行GIS内部充有高压SF6气体，其绝缘强度和击穿场强都很高。当局部放电在很小的范围内发生时，气体击穿过程很快，将产生很陡的脉冲电流，放电脉冲上升时间和持续时间都极短仅为几个纳秒，该脉冲信号在GIS腔体中传播时会引起电磁谐振，激发出频率高达数吉赫兹的电磁波信号。特高频局部放电检测具有检测灵敏度高、现场抗低频干扰能力强的特点，适用于现场对GIS开展带电检测。

3.2 超声波检测技术

GIS发生局部放电时分子间剧烈碰撞并在宏观上瞬间形成一种压力，产生冲击的振动或声波，以球面波的形式向外传播，频率在20～100kHz的声波称为超声波。由于超声波的波长较短、方向性较强，所以它的能量也较为集中。超声波局部放电带电检测就是通过放置在GIS壳体上的压敏传感器接收传播到壳体上的超声波信号，再通过对声信号的分析判断来诊断GIS内部是否发生了局部放电或异常振动缺陷，并实现对放电或异常振动缺陷进行定位。

3.3 SF6气体成分分析

GIS内部SF6气体及绝缘材料在局部放电作用下会与少量的水分发生反应，生成一系列的分解产物。根据研究表明，当GIS内部放电类型、放电强度、电极材料及微水含量不同时，分解产物的组分也会有所不同。近年来根据SF6分解产物判断设备缺陷类型在电网中得到广泛的应用，取得了良好的效果。

4、结语

采用带电检测技术能够有效的发现GIS设备存在潜伏性缺陷，有效指导检修决策及方案制定，提前检修处理，避免设备故障的发生。采用缺陷定位技术能够准确的确定缺陷的部位，但在进行缺陷定位时应将定位结果与设备内部结构相结合，进行综合分析。加强GIS设备工艺控制，严格把控设备入网质量，从源头上杜绝设备事故的发生。

[1]耿弼博.GIS金属颗粒放电发展的试验研究[J].电网与清洁能源，2011，27(7)：16-20.

[2]黎大建，梁基重，步科伟，等.GIS典型缺陷局部放电的超声波检测[J].高压电器，2009，45(1)：72-75.