110 kV GIS交流耐压及局部放电试验和异常信号分析

摘 要：主要对GIS设备进行现场交流耐压及局部放电试验的试验目的、试验方法、试验注意事项、异常结果等进行了分析探讨。

关键词：GIS;交流耐压;老练;局部放电检测;异常信号分析

0    引言

六氟化硫（SF6）封闭式组合电器，三相共箱结构，模块化设计，国际上称作“气体绝缘封闭开关设备”，简称GIS，它是由断路器（GCB）、隔离接地开关（DES）、电压互感器（VT）、电流互感器（CT）、带电显示装置（VD）、快速接地开关（FES）、电缆终端（CES）等元件组合成一个整体，并封闭在接地的金属壳体内，壳内充以一定压力的六氟化硫气体作为绝缘和灭弧介质。由于六氟化硫断路器灭弧性能优良，开断电流大，且GIS设备具有结构紧凑（小型化）、占地面积小、安装方便、防污防雾（封闭式）、运行维护簡单、检修周期长等优点，故而GIS设备广泛应用于110～500 kV电网中。目前上海电网建设的110 kV变电站110 kV进出线设备均使用GIS，初建时设一、二段母线（图1），共6间隔（远景设一、二、三段母线）。

1    GIS现场交流耐压及局放试验目的

新装GIS设备投运前，应进行整体交流耐压及局放试验，其目的是检验GIS设备在生产、运输和安装过程中是否存在元器件损坏、组装件和紧固件松动移位、导电部位刮伤或安装错位引起缺陷以及设备内留有异物的情况。另外，空气中悬浮的尘粒、导电微粒杂质和导体表面毛刺等都将产生局部放电，引发绝缘事故。GIS设备交流耐压及局放试验是为了检查完整设施的绝缘性能且探究以上异常情况，是对出厂绝缘试验的补充，因此国家及行业标准都做了相关规定。GB 50150—2016《电气装置安装工程 电气设备交接试验标准》13.0.1规定GIS的交接试验项目包括主回路的交流耐压试验;13.0.6规定主回路在1.2Ur/电压下，应进行局部放电检测。国网（运检/3）827—2017《国家电网公司变电验收管理规定（试行）》第3分册《组合电器验收细则》A.4.3也规定了“对现场GIS设备局放试验验收时进行旁站见证”。

2    GIS设备交流耐压及局放试验方法

2.1    试验仪器、设备的选择

由于GIS内部导电体对筒壳的空间小，对地电容量较大，若采用常规工频耐压试验法，则试验变压器容量选择可按以下过程计算：

一般110 kV GIS每间隔电容量（每相对地及其他两相）为600～700 pF，220 kV GIS每间隔电容量为500～600 pF，则试验变压器容量计算式为：

S=kωCxUs2×10-3

式中，S为试验变压器容量（kVA）;k为安全系数;ω为角频率，ω=2πf;Cx为被试品的电容量（μF）;Us为试验电压（kV）。

例如：某110 kV GIS间隔电容量为650 pF，试验电压为230 kV，k取3，则S=kωCxUs2×10-3=32.4 kVA。经计算可知，工频试验变压器容量很大，设备笨重、体积庞大，不利于现场搬运;且试验过程中若产生闪络或击穿，GIS装置很可能因短路电流受到伤害，所以一般现场较少采用本试验方法。

目前采用较多的是变频串联谐振试验方法，变频串联谐振装置是指通过调整电源频率，使串联电感与电容（试品电容、分压器电容）达到谐振状态（ωL=的试验装置，设备容量计算如下：

（1）谐振频率（单位：Hz）：

f=×103

（2）调谐电抗器电流（单位：A）：

IL=IC=ωCxUs×10-3

（3）励磁变压器容量（单位：VA）：

S=ICUN

（4）变频电源容量（单位：VA）：

三相S=UI

这种装置体积小，重量轻，搬运方便，利用额定电压较低的试验变压器可以得到较高的输出电压，用较小容量的试验设备可对15～150倍容量的试品进行交流耐压试验。根据IEC 517和GB 7674规定，试验电压频率在10～300 Hz变频耐压试验与工频耐压试验基本等效，因此变频串联谐振试验方法得到了广泛认同。串联谐振试验过程安全可靠，被试品击穿时，谐振条件被破坏（ωL≠），高压自动下降，特别适合GIS交流耐压试验。

2.2    放电信号检测

GIS局部放电检测方法常用非电量测量法：声测法（超声波）;电量测量法：电脉冲法、超（特）高频电磁波法。目前声测法和超（特）高频法为主要检测方法。

2.3    试验方法

（1）风险因素辨识与预控措施如表1所示。

（2）选择合适的变频电源、高压谐振电抗器、励磁变压器、交流分压器、扩径金属软管、采样信号线、超声波超高频局放仪、安全工器具、放电棒、接地线、万用表、温（湿）度计、秒表等，并检查相关仪器仪表及安全工器具、开关箱的检定有效期。

（3）试验程序：

1）断开高压电缆、电压互感器、电力变压器高压引出线与GIS的连接，并保持足够的安全距离。

2）试验回路中的TA二次绕组短接接地，密度继电器表块阀门必须开启。

3）对于新安装的GIS，抽真空充入合格的SF6气体至额定压力，充气12 h后进行气体检漏，充气24 h后进行微水测试，经气体检漏、微水、断路器动特性、回路电阻及绝缘测试合格后方可进行交流耐压试验。

4）检查试验设备接线，交流耐压前先进行老练试验，GIS设备三相须分相进行，一相试验，非试验相和外壳一起接地。

5）老练试验、耐压试验施加电压和时间：依据GB 50150—2016《电气装置安装工程 电气设备交接试验标准》要求参照DL/T 555—2004《气体绝缘金属封闭开关设备现场耐压及绝缘试验导则》执行，DL/T 555—2004一共给出4个试验方案，我们选择方案3，同时根据DL/T 617—2010《气体绝缘金属封闭开关设备技术条件》，结合GIS耐压试验测量其局部放电量，加压流程为：Um/停留5 min→Um停留3 min→Uf停留1 min→1.2Ur/大于1 min，110 kV系统Um为系统最高线电压126 kV，Uf为试验电压230 kV，Ur为GIS的额定电压126 kV。国网（运检/3）827—2017《国家电网公司变电验收管理规定（试行）》第3分册《组合电器验收细则》A.4.1规定：对现场GIS设备耐压试验进行旁站见证，Uf按出厂试验电压的100%。必须从零开始匀速升压，速率为3～4 kV/s，升压切不可冲击合闸。加压过程中电压与时间的关系如图2所示。

6）检测局部放电量时，主回路施加电压至预加值Uf并保持1 min，在此期间出现的局部放电量不应考虑，应在1.2Ur/电压下进行局部放电量测量。

7）主回路老练和耐压试验结束，恢复VT连接后，应进行电压为Um/、时间为5 min的老练试验。

8）试验结束，使被试品充分放电并复测主回路绝缘电阻，将设备恢复至耐压前的状态，拆除试验遮拦。

9）图2所示的加压过程符合GB/T 7354—2018《高电压试验技术 局部放电测量》的传统局放探测方法。采用超（特）高频方法时，应结合老练试验分级加压过程实施局放探测。

3    试验注意事项

（1）试验电源必须满足试验要求，电压保持稳定，试验过程中不得使用如真空泵、SF6回收装置、电焊机、滤油机等大功率用电设备。

（2）为减少电晕损失，提高串联谐振系统品质因数Q值，高压引线应采用扩径金属软管。

（3）耐压试验中应密切注视GIS设备的带电状态及仪表指示变化情况，若耐压过程中出现击穿、闪络或升压过程中发生异常，立即降低试验电压，切断试验电源，用接地棒对被试品充分放电，分析处理后重新进行。

（4）天气情况对Q值影响很大，阴天或湿度较大的天气试验时易发生电晕，造成Q下降，试验最好选择在晴好干燥天气进行。

（5）遇有放电情况判断：1）可进行重复试验，如果被试品或气室还能经受，可推断为表面脏污和表面缺陷引起气体击穿放电，该类放电称为自恢复放电，认为耐压试验通过。2）如重复试验再次失败，应进行设备解体检查处理，再次进行规定的耐压试验，直至通过耐压试验，该类放电称为非自恢复放电。

4    现场耐压试验遇有放电异常信号分析

GIS局部放电发生过程中，会向外界发散出电磁波，其波头非常短，频率从几千赫到几千兆赫都有分布。超高频放电信号频谱一般为500～2 000 MHz，因此可以利用超高频传感器接收局部放电发出的超高频信号进行检测（图3）。

4.1    GIS典型放電波形、图谱

局部放电类型是判断GIS绝缘缺陷程度的重要依据，表2展示了通过实验室得到的五种典型放电波形、图谱特征等。

4.2    现场试验案例

国网上海嘉定供电公司110 kV民悦站交接试验过程中，GIS进行老练及交流耐压时采用XD5352局放检测仪测试。110 kV GIS二段主回路B、C相耐压及局放试验合格。在A相耐压及局放试验时，加压至72.7 kV测量局放量，此时发现异常信号两处，具体现象如下：

4.2.1    盆式绝缘子沿面放电

110 kV GIS二段主回路A相耐压及局放试验，测试时加压72.7 kV，试验频率151 Hz。进线2（图1）母线筒盆式绝缘子有局放信号，如图4所示。

从放电波形来看，该波形幅值分散性较大，放电时间间隔不稳定，时有时无，根据典型放电波形判别为盆式绝缘子表面大件金属颗粒放电。解体后检查，如图5所示，GIS盆式绝缘子表面有一铁屑片，去除铁屑并作清洁处理，重新注气静置后试验，未检测到异常信号。

4.2.2    松动部件放电

110 kV GIS二段主回路A相耐压及局放试验，测试时加压72.7 kV，试验频率151 Hz。进线4（图1）电缆筒内盆式绝缘子处有局放信号，如图6所示。

从波形分析，该放电幅值稳定，且相邻时间间隔一致，根据典型放电波形判别为内部部件松动放电。解体后检查，发现导电棒与盆式绝缘子上的安装件相接处有松动，如图7所示。紧固后重新注气静置，再进行试验，未检测到异常信号。

4.3    局放异常信号分析小结

根据检测到的放电波形、图谱特征判断检测信号是否具备典型放电波形、图谱特征，或与背景有明显不同。若具备上述情况，则进行以下分析和处理：排除外界环境干扰，将传感器放置于绝缘盆上检测信号与在空气中检测信号进行比较（对于无金属屏蔽的绝缘子应沿绝缘子外侧加装屏蔽带或采取屏蔽措施，防止设备内部信号从盆式绝缘子传出被空气中传感器接收到造成误判）。若信号一致且幅值较小，则判断为外部干扰;若信号不一样或幅值变大，则需结合超声波、超高频检测做进一步精准定位。现场试验过程中，GIS主回路的耐压试验通过规定的试验电压，且局放检测过程中未检测到异常信号，才算整个GIS通过交流耐压试验。

5    结语

GIS设备的耐压及局放试验能及时有效地发现其因生产、运输、安装等方面的问题造成的缺陷，是防范电力设备事故、保证电力系统安全运行的有效手段，是保证其安全投产不可缺少的一个重要环节。由于各个厂家GIS设备结构上的区别，在进行试验时若发生放电，检测到的现象、波形也不尽相同，给分析判断增加了难度。GIS交流耐压及局放试验可能因设备的任何一个内部缺陷而终止，正确判断放电产生的原因，精准进行定位，并采取科学的处理方案是关键，这就要求试验人员不仅要具备一定的理论基础与丰富的实践经验，还要具有高度的责任心、上进心以及刻苦专研、敢于探索的精神。古人云：“不积跬步，无以至千里;不积小流，无以成江海。”只有在试验过程中不断积累，不断总结，不断创新，辅之以精密的试验仪器和科学的试验方法，才能客观判断设备的绝缘性能，为电网安全运行提供坚强的后盾。

[参考文献]

[1] 电气装置安装工程 电气设备交接试验标准：GB 50150—2016[S].

[2] 高电压试验技术 局部放电测量：GB/T 7354—2018[S].

[3] 气体绝缘金属封闭开关设备现场耐压及绝缘试验导则：DL/T 555—2004[S].

[4] 气体绝缘金属封闭开关设备局部放电带电测试技术现场应用导则 第2部分：特高频法：Q/GDW 11059.2—2013[S].

[5] 电力设备交接和预防性试验规程：Q/SDJ 1011—2004[S].

收稿日期：2020-04-14

作者简介：李峰（1972—），男，湖北荆州人，工程师，从事输变电工程和电力设备安装、调试、检修、运维等工作。