基于特高频在线监测的GIS局部放电缺陷分析

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(广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000)

0 引言

气体绝缘金属封闭式组合电器设备(gas insulated switchgear，以下简称GIS)由于其结构紧凑，占地面积小等优点[1-5]，现已广泛运用于110 kV至500 kV不同电压等级的变电站中。但随着GIS设备数量在电网中所占比例的增多，运行中的GIS设备停电事故对电网稳定运行的影响也越来越大。近年来在实际运行过程中，我局已经发生过多起GIS设备绝缘击穿短路事故，每次事故都对电网运行造成一定的影响。因此，如何及时有效发现这些缺陷隐患避免设备发生故障，一直是国内外研究学者关注的重点[6-9]。

局部放电是指发生在GIS绝缘结构中局部区域内的放电现象，主要包括：自由金属颗粒放电、悬浮电位放电、沿面放电、金属尖端、绝缘部件气隙放电等。局部放电能够有效反映GIS绝缘性能的变化，是衡量绝缘性能的关键指标之一[10-12]。因此，对GIS设备进行局部放电检测是非常有必要的。目前，特高频(ultra-high frequency，UHF)检测法已经在GIS局部放电检测应用越来越广泛，并实现了在线监测，已成为GIS局部放电检测主要手段[13-14]。UHF检测法也得到了国际标准IEC62271—203和CIGRE TF15/33.03.05的推荐使用[15]。

在线监测技术是对GIS设备进行实时监测和故障预诊断的有效技术手段。笔者所管辖的某500 kV变电站安装了一套DMS特高频GIS局部放电在线监测系统，并成功发现一起GIS设备局部放电的缺陷，随后笔者在现场采用特高频时差定位法确定缺陷位置。通过解体检查缺陷原因，发现结果与诊断结果一致。为GIS局部放电在线监测系统的告警判断及现场故障点查找提供宝贵经验。

1 在线监测系统告警情况

某500 kV变电站220 kV GIS设备于2011年安装了DMS的GIS局部放电在线监测系统，笔者在监测后台发现从2014年11月24日开始，编号为OCU5-2、OCU5-3、OCU6-1及OCU6-2的耦合传感器检测到明显的连续性局部放电信号。检测到信号的耦合传感器见图1。

图1 检测到信号的耦合传感器分布图Fig.1 Distribution map of sensor coupling sensor

该局部放电信号发展极为迅速，其中耦合传感器OCU6-1检测到的信号发展趋势见图2。从图2可看出，放电幅值和频次明显突变。在接近中午12点的时候该信号由间歇性转化为连续性。发现该情况后经过严密跟踪观察，发现耦合传感器实时测量值和局放信号均持续出现，且能检测到的放电信号幅值均超出测量范围，系统自动识别诊断为浮动电极放电97%。耦合传感器局部放电单周期相位分部图谱见图3。

图2 局部放电信号发展趋势图Fig.2 Development trend of partial discharge signal

图3 单周期相位分部图谱Fig.3 Phase resolved partial discharge

2 现场检查定位情况

2.1 现场检测情况

为了排除在线监测系统本身是否正常以及外界电磁干扰因素的影响，笔者采用便携式特高频局部放电测试仪对图1中的几个信号强烈的偶合传感器重点进行检测排查，现场也确实存在很强烈的浮动电极信号，现场检测到的图谱见图4。

图4 现场检测的图谱Fig.4 Field test results

2.2 现场定位情况

特高频时差定位法的原理是根据局部放电产生的电磁波信号到达不同检测传感器的时间不同计算出局部放电源的位置[16-17]。其定位法原理见图5。假设特高频信号的传播速度c为3×108m/s，两个特高频传感器的距离为D，放电点距离传感器1的距离为X，距离传感器2的距离为D-X，通过示波器测得信号到达传感器1和2之间的时间差为Δt，因此，可以根据式(1)，求出放电点的具体位置。

图5 特高频时差定位法原理图Fig.5 Ultra high frequency time difference location method

(1)

(2)

式中：Δt为局放信号分别传播到传感器1和传感器2的时间之差；D为测试点传感器1和传感器2之间的距离；X为放电点与传感器1之间的距离；C为电磁波传播速度。

由于现场多个传感器的接收信号都很强烈，为了进一步查找出放电点，笔者采用特高频时差定位法对多个点进行排查定位，测试点见图6。

图中将传感器1安装在测试点4的位置上，传感器2安装在测试点7的位置上，两个传感器测试的时域波形见图7。从图7中可以看出，传感器1与传感器2的时差约为5.5 ns，距离为2.4 m，通过式(2)可计算出放电点与传感器1的距离为0.375 m，与传感器2距离为2.025 m，放电点位置就在图6中25274隔离开关的C相位置附近。

图6 现场定位检测位置图Fig.6 Results of positioning detection

图7 局部放电特高频时差定位波形Fig.7 Ultra high frequency time difference positioning waveform

3 解体检查

对25274隔离开关C相气室进行解体检查，发现该气室底部存在黑色粉末，进一步解体，发现传动的拨叉与其动触头杆卡槽之间存在明显的放电痕迹，放电类型为悬浮电位放电，具体见图8。

(a)气室内部黑色粉末

(b)动触头杆与拨叉间放电点

4 原因分析

在正常安装时，动触头杆插入拨叉后，弹簧需受压缩3 mm或以上压缩量，这样才能保证弹簧与插销可靠接触，防止形成电位差引起悬浮放电现象。对25274刀闸C相动触头传动机构吊出检查时，对接触位置的部件进行尺寸测量，具体尺寸见图9。

图9 隔离开关动触头杆的插销与叉的尺寸Fig.9 Bolt and fork size

图9中，拨叉内径宽度为16.5 mm，其固定的接触弹簧自然伸出长度为9.1 mm，拨叉内壁的插销接触磨损中心线距内底面为19.1 mm，由于插销直径为16 mm。由此计算(19.1-9.1-16/2=2 mm)，可知接触弹簧与插销没有直接接触而存在2 mm的间隙，未起到使拨叉与插销连接等电位的作用。

若传动销正好处于拨叉中央，其两侧与拨叉内壁均未接触，具体见图10。由于插销与拔叉之间接触不良，导致两者之间存在一定电位差，从而产生一悬浮电位放电的局放信号，这点与解体发现的放电位置是一致的。

图10 拨叉与插销均未接触的情况Fig.10 Fork and the bolts are not in contact with the situation

5 结论

1)特高频局部放电在线监测系统对运行中的GIS设备内部局部放电缺陷具有良好的诊断效果，能够及时发现GIS设备内部安全运行隐患，确保GIS设备安全稳定运行，为GIS设备的状态检修提供依据。本次成功案例也为局部放电在线监测系统积累了宝贵经验。在运行中的GIS设备上安装特高频局部放电在线监测系统具有十分重要的意义。

2)对疑似局部放电信号可以采用便携式特高频局部放电测试仪进行现场排查，对于局放源的查找可通过特高频时差定位法实现对放电源的准去定位。特高频时差法很好地弥补了在线监测系统无法准确定位这一短板。同时实现对放电源的准确定位为GIS设备解体检查工作提供指导性判据，大大缩短解体检查的时间，提供工作效率，减低人、财和物的不必要损耗，减少停电时间，提高供电可靠性。

3)隔离开关的动触头杆插销与拔叉之间的接触不良会造成悬浮电位，会严重影响隔离开关运行的可靠性。厂家应在设计、零部件加工和装配过程中给予足够的重视，确保各零部件的规格尺寸以及装配工艺符合标准，确保隔离开关的动触头杆插销与拔叉以及其他部件可靠连接。