GIS设备现场交流耐压试验闪络定位技术分析

谢同平 刘兴华 孙鹏 于洋 何腾

（国网淄博供电公司 山东省淄博市 255000）

1 GIS设备闪络问题的产生原因及其机理分析

1.1 产生原因

通过分析GIS 设备本身的组成部分可知，在现场应用的过程中，GIS 设备闪络问题的主要原因是SF6气体在固体绝缘介质表层经过的过程中会发生放电现象，而这种放电现象就很容易导致设备的绝缘被击穿，进而出现闪络现象。在SF6中，之所以会有放电现象出现在绝缘介质的表层，其主要原因是因为绝缘介质表层出现了电场强度突变。而导致这种电场强度突变的主要原因是在GIS 设备制作或安装过程中的工艺技术流程应用不够恰当，使得绝缘表面出现了凹凸不平现象，或者是存在一些悬浮颗粒等的情况，这些现象都会导致GIS 设备出现耐压闪络问题[1]。

1.2 产生机理

在SF6气体内出现闪络的情况下，其闪络电压可通过以下公式来表示：

在以上公式中，闪络电压用Uf表示；绝缘利用系数用η 表示；闪络情况下电场强度最大值用Ef表示；气体间隙用d 表示。

通过相关研究发现，Ef和电极、绝缘介质表面所表现出的粗糙度之间有着很大的关联性，具体情况可通过以下公式来表示：

在以上公式中，电极曲率用Kh表示；电极表面所呈现出的粗糙度用Kf表示；固体介质表面所呈现出的粗糙度用Kg表示；气体压力用p 表示。将公式（2）带入到公式（1）中可以得出以下结果：

通过以上的计算分析可以发现，在GIS 设备的具体应用中，如果其绝缘介质所承受的电压值达到了公式（4）中的Uf，GIS 设备内部的绝缘子就会沿着介质表面出现闪络问题。

2 超声波定位监测系统概述

在进行GIS 设备现场交流耐压试验闪络定位的过程中，超声波定位技术是目前最为广泛应用且最为有效的一种定位技术。在超声波定位监测系统中，主要的组成部分有超声波传感器阵列、无线传输模块、信号处理模块、数据分析模块以及无线接收模块等。将超声波传感器安装在母线和断路器上，母线上的布置标准是每间隔15m 一个，断路器上的布置标准是每个断路器一个，在整个系统中，传感器的总数为16 个[2]。

在通过该系统进行GIS 设备现场耐交流耐压试验闪络定位的过程中，超声波阵列信号将会与耐压试验共同开启，在结束了耐压试验之后，可以对测试数据进行回放，以此来帮助技术人员详细分析GIS 设备是否有安全隐患存在。另外，因为GIS 设备的声波不仅仅会在局部放电过程中产生，也会在机械振动以及电磁振动的影响下产生，所以具体测试中需要将这些由于外界因素影响而产生的超声波排除。

图1：传感器布设与超声波信号图像

图2：二次试验过程中的传感器布设与超声波信号图像

3 通过超声波技术进行GIS设备现场交流耐高压测试闪络定位

3.1 超声波检测原理分析

在GIS 设备内部出现绝缘介质表面闪络的过程中，GIS 设备四周也会随之出现一些光形式和声波形式的能量。而借助于超声波检测技术，就可以对这种声波形式的能量进行捕捉，以此来对故障点进行准确的检测与定位。比如，在GIS 设备内部绝缘介质上存在细小气隙的情况下，产生放电时，气隙所具备的力学特征可以用以下公式来计算：

在以上公式中，力学等效电路电感用Lm表示；电容用Cm表示；电阻用Rm表示；电容两侧电压用Ue表示。通过对其力学等效电路的分析可以发现，GIS 设备中的闪络过程属于一个振荡过程，其关系式如下：

其中有：

电压幅频率用j 表示，其单位是Hz；振荡周期用t 表示，其单位是s；初始的气隙电压值用U0 表示，其单位是KV。

通过以上的计算分析可知，在GIS 设备内部发生振荡的情况下，由于力的作用，气隙中所产生的超声波将会朝着四周传播，且其幅值和放电量之间有着正比关系。

3.2 超声波耐压试验流程分析

在通过超声波技术进行GIS 设备的交流耐压试验过程中，主要通过超声波检测系统来进行GIS 设备内部闪络故障点的定位，其具体的试验流程包括以下几步：

（1）在进行升压之前，首先在GIS 设备中选出监测点，然后在这些监测点上做好各个检测单元的布设。

（2）在开始升压之后，耐压检测也应该随之一起启动，各个监测点中的检测数据将会传输到无线接收模块中。

（3）将现场实际的检测图谱内具体的脉冲特征作为依据来进行闪络定位。

（4）将特定的检测单元进行移动，并通过比较测量的方式进行测量分析。

3.3 超声波检测技术在GIS设备现场交流耐压试验闪络定位中的具体应用

本次所应用的超声波检测系统主要针对500kV 的GIS 设备进行现场交流耐压测试中的闪络故障定位。试验中，按照规程来进行加压程序设定，具体为318kV（5min）到666kV（1min）到349KV（断路器位置局放），如果在这一过程中并未产生放电击穿现象，则说明GIS 设备已经成功通过了交流耐压试验。在试验区域内，其电压频率诶77Hz。

在进行II 母线B 相试验的过程中，将电压上升到666kV 之后维持5s 便产生了放电击穿故障，图1 是其超声波检测图像。通过超声波检测发现，在监测点2 位置，可以采集到最大幅值的超声波信号，而在监测点1 和3 位置，采集到的超声波信号则比较小，在监测点5、6 和7 位置，都有超声波信号被检测出，且在6 和7 位置具有很强的超声波信号，但是其脉冲持续时间却较短。

通过对接收到的超声波数据以及信号传播过程中的衰减规律所进行的分析，可以在上述情况中得出这样的观点：放电击穿位置最有可能出现在具有最强脉冲信号和最常持续时间的监测点位置，因为监测点8 位置并未检测到超声波信号，5、6 和7 监测点位置所检测到的超声波信号持续时间并不长，所以由此可判断出，这些位置的超声波信号并不是来自于GIS 设备内部，而是因为超声波朝着环境空间传播过程中所产生的现象。通过对现场观测点所进行的布设便可进一步判断出，监测点2 位置与监测点5、6 以及7 位置之间有着非常近的直线空间距离，而且期间不存在任何遮挡，这就为监测点2 位置的空间声波传播到监测点5、6 和7 位置创造了足够的便利。由此我们可判断出，GIS 设备出现放电击穿故障的位置很有可能在监测点2 处。

在获得到了以上的分析结果后，为了对具体的故障气室做出更加准确的定位，需要将II 母线B 相中怀疑出现了放电击穿故障位置的附近再增加一些超声波传感器，使其布设密度进一步加大，并对其进行再一次的交流耐压试验。在第二次进行试验的过程中，电压升高到289KV 的情况下，再一次产生了放电击穿故障。图2 是其超声波检测图像。

通过图2 可见，在监测点1 位置有着最大的传感信号幅值，这个检测结果和上一次的检测结果存在不同，两监测点大约相距18m，所以在此我们可以初步认为本次的放电击穿故障是临近传感器1 位置的另一处放电所导致的故障。为进一步实现放电故障气室的确定，在不改变超声波传感器布设位置的情况下，再一次对其进行了交流耐压试验，经试验发现，其击穿电压和第二次试验中的击穿电压十分接近，超声波检测图像也和第二次试验过程中的超声波检测图像十分接近。

为实现故障原因的准确确定，需要对上述的两处怀疑出现了放电击穿故障的气室做解体分析。在解体之后，所获得到了信息如下：监测点2 位置所处气室内部出现了高压导体对外壳腔体所产生的局部放电现象，且高压导体上有放电撞击之后出现的明显凹痕。通过进一步的分析认为，腔体内部的金属颗粒有可能在外电场产生的作用下不断在腔体内部跳动，在接近腔体外壳或者是高压导体的情况下，金属颗粒两侧便会有微弱的局部放电现象产生，此时，如果电压继续上升，这种微弱的局部放电现象就会演变为先导放电现象或者是流注放电现象，最终引发放电击穿。通过对监测点所进行的解体与分析可知，在与盆式绝缘子靠近的高压导体屏蔽罩上也出现了一块放电撞击所造成的明显凹痕，且其边缘位置有黑色、圆形的放电烧灼痕迹，同时，这个盆式绝缘子也由于重复进行多次的交流耐压试验而出现了闪络通道。经进一步分析认为，在第一次进行交流耐压试验的过程中，场强可能在异物作用下发生畸变，但是并没有达到产生放电击穿现象的标准，且这个异物在进行第二次交流耐压试验的过程中因受到电场力的作用而发生位移，在电压上升到了一定程度之后产生了放电击穿故障，故障在盆式绝缘子的表面以及高压屏蔽罩的表面发生进一步的延伸扩展，进而导致绝缘子表面产生闪络故障。

4 结束语

综上所述，在GIS 设备的具体应用中，闪络故障的发生原因有很多。但是无论何种原因所引起的闪络故障，其解决的关键都是做好故障点的定位。目前，超声波检测技术是GIS 设备现场交流耐压试验过程中闪络故障的最典型定位技术，将该技术应用到闪络定位中，通过对各个监测点位置的超声波信号采集和分析，可初步判断放电击穿点所在位置，然后通过二次检测来提升判断的准确性。如果二次检测与第一次检测有出入，则需要对怀疑放电击穿的位置进行解体分析，以此来实现闪络位置的有效确定。通过这样的方式，才可以让闪络故障得以及时解决，保障GIS 设备在电力系统中的正常应用。