220 kV电缆GIS终端局部放电联合检测技术应用

2022-06-03赵晨昊陈云飞胡泉伟

山东电力技术 2022年5期

赵晨昊，陈云飞，胡泉伟，李跃，李雯

（国网天津市电力公司电缆分公司，天津 300171）

0 引言

随着城市化发展，电缆的覆盖率越来越高。电缆和组合电器终端因为占地面积小、土地利用率高，在电力系统中得到广泛应用［1-2］。由于内部存在复杂的复合界面和电场应力集中现象，GIS终端是电缆线路中较为薄弱的环节，因此保证电缆GIS终端的状态无异常，对于电缆线路的安全稳定运行具有重要意义。

电缆GIS 终端中常见的缺陷有橡胶和环氧分界面的缺陷、橡胶和交联聚乙烯（Cross Linked Polyethylene，XLPE）分界面缺陷以及存在悬浮电极［3-5］。在长期运行电压下，缺陷可能会引发局部放电，并导致绝缘逐渐劣化击穿造成电网故障，因此，有效地检出局部放电是保证电缆GIS 终端质量控制和状态检测的重要手段［6-7］。

目前电缆线路局部放电的检测技术包括高频法、特高频法、超声法等，有研究表明，在复杂的现场环境下，单一的检测手段易受到外部信号干扰，具有一定局限性，可能难以应对复杂的检测情况［8-12］。多种手段联合检测可以有效提高检测效果，文献［13］通过现场检测结果表明，多传感器联合检测技术在XLPE 电缆附件的局部放电检测可以有效地排除现场干扰，提高局部放电检测与定位结果的可靠性。

结合某220 kV 某变电站带电检测发现的电缆GIS 终端侧的异常放电信号，讨论针对GIS 终端的局部放电联合检测手段及实际应用方法，分析两种检测手段的检测数据，并结合定位情况及解体结果，分析缺陷成因，为同类设备缺陷的处理提供参考。

1 电缆GIS终端局部放电检测方法

高频法是目前电缆线路局部放电带电检测的常用手段，对频率介于1 MHz～300 MHz 区间的局部放电信号采集、分析、判断，传感器是高频电流互感器（High Frequency Current Transformers，HFCT）、电容耦合传感器。电力电缆绝缘内部的局部放电源可以看作一个点脉冲信号源，当电缆绝缘内部产生局部放电时，缺陷内部的电荷发生移动和积累，在两端电极体现为脉冲电流，脉冲电流沿着线芯和金属屏蔽进行传播，通过高频电流传感器检测流过接地引下线或其他地电位连接线上的高频脉冲电流信号，可实现对电缆局部放电的带电检测。由于高频局部放电检测与脉冲电流法检测原理类似，在传感器及检测回路相对固定的情况下，可以对被测局部放电信号的强度进行量化分析，但抗电磁干扰的能力相对较弱，对缺陷点的定位能力较差［14-15］。

特高频法的检测频带为100～3 000 MHz，对频率处于该区间内的局部放电信号进行采集、分析、判断，主要采用天线结构传感器采集信号。由于检测频段高，现场抗低频电晕干扰能力强，检测灵敏度高，在变压器与GIS 带电检测中应用效果良好［16］。但特高频法无法实现对金属封闭的电气设备的检测，交联聚乙烯电缆除了绝缘接头隔断处及终端，其余部分全线均有铝护套覆盖，因此特高频局部放电检测对电缆监测的适用面较窄，主要用于GIS 终端的缺陷性质的定性诊断或利用时延法进行定位分析。若电缆终端内含有缺陷产生局部放电脉冲时，会从环氧套管接缝处泄漏出特高频电磁波信号，通过特高频（Ultra High Frequency，UHF）传感器可以有效地检测到该电磁波，用来判断内部局部放电的情况［17］。

目前，研究结果显示特高频检测法和高频检测法获取的局部放电信号在时域上有相关性，基于此两种方法联合检测可以剔除高频信号中的干扰脉冲，提高局部放电带电检测技术的灵敏度，且两种方法通过相互验证可以提高缺陷辨识准确度［18］。

2 案例分析

2.1 局部放电信号发现

2020 年11 月16 日，技术人员在对某220 kV 变电站站站内电缆进行带电检测工作时，通过特高频法发现2217 间隔电缆GIS 终端A 相存在异常放电信号，放电图谱具有典型的局部放电特征。多次复测，发现该局部放电信号仍然存在并存在发展趋势，随后进行了放电源的定位，对比分析后发现放电位置位于2217 间隔A 相电缆终端气室内。为了确定设备隐患位置并验证带电检测结果的正确性，对2217 间隔A 相终端进行解体，并结合解体情况对放电原因进行分析。

2.2 带电检测数据分析

2.2.1 特高频局部放电数据

对上述2217 间隔电缆GIS 终端进行特高频局部放电检测，传感器安装在电缆终端环氧树脂套处，安装位置如图1 所示，检测所得放电图谱如图2 所示。根据测得的脉冲序列分布（Phase Resolved Pulse Sequence，PRPS）和局部放电相位分布（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD）图谱可以看出，A、B、C 三相及相邻间隔均存在相同类型的特高频放电信号，且均具有工频相关性，从放电相位上看，B、C相及相邻间隔处放电的相位分布相同，且与A相相位分布相反，从放电幅值上看，B、C 相及相邻间隔处放电信号幅值均低于A 相，且信号幅值与相对A 相距离呈负相关，据此初步判断此放电信号来源于A相。

图1 特高频传感器安装位置

图2 特高频第1次检测结果

2020 年11 月19 日、26 日，分别采用特高频法进行第2 次和第3 次复测，测试结果如图3、图4 所示。由图2—图4 可知，第1 次检测时测得A 相放电幅值为-51.3 dBm［19］，第2 次复测时测得A 相放电幅值为-34.2 dBm，第3 次复测时测得A 相测得放电幅值为-37.2 dBm，对比3次检测结果可以发现，从放电幅值来看，A相放电幅值偏大，且相较于第1次检测放电幅值大幅增大，从放电脉冲特征来看，3次检测到的放电呈现出相似的特征，均出现在一、三象限，每簇放电脉冲幅值比较稳定，相邻放电时间间隔较为一致，呈现出悬浮放电的特征，第2次检测到的放电信号正负半周脉冲幅值不一致，猜测是悬浮电极不稳定所致。

图3 特高频第2次检测结果

图4 特高频第3次检测结果

2.2.2 高频局部放电数据

2020 年11 月16 日、19 日、26 日，使用TECHIMP设备在GIS终端地线处安装高频CT进行高频局部放电检测，未发现疑似局部放电。

11 月26 日，在A 相GIS 架构螺栓处安装CT 进行高频局部放电检测时发现疑似放电信号，且信号特征与特高频信号类似，传感器安装位置如图5 所示，检测结果如图6 所示，从PRPD 图谱中可以看到4 簇放电信号，这4 簇放电信号的脉冲幅值都比较稳定，其中第一象限中幅值为负的一簇信号与第三象限中幅值为正的一簇信号的脉冲数较多，且这两簇放电脉冲的幅值较大，因此认为这两簇放电来自一个放电源，呈现出悬浮放电特征，另外两簇信号疑似来自地线的干扰，其他两相相同位置螺栓未发现类似放电信号，据此也可初步判断放电信号来源于A相。

图5 特高频传感器安装位置

图6 高频局部放电检测结果

2.3 放电源定位

为了更精确地判断放电点的位置，采用特高频定位仪进行放电源的定位。

2.3.1 确定放电相位

为避免误检情况的发生，在进行准确定位之前，先排除放电信号不是来自其他位置。采用两个标记颜色的传感器用来接收不同位置的信号，黄色传感器放置在A 相电缆终端环氧树脂套处，绿色传感器分别放置在前、后、左、右4 个方位，传感器放置位置如图7 所示，检测结果如图8 所示。检测结果表明，黄色传感器测到的放电波形均超前于绿色传感器测到的放电波形，可以证明信号不是来自空间其他区域。

图7 排除干扰时传感器放置位置

图8 A相信号与空间信号时延波形图谱

采用3 个标记不同颜色的特高频传感器进行放电位置相位的确定，将黄色、绿色、红色传感器分别放置在2217 间隔A、B、C 相电缆终端环氧树脂套处，传感器放置位置如图9所示，检测结果如图10所示。由示波器定位波形图可见A 相（黄色）信号的波形起始沿超前B 相（绿色）、C 相（红色）两相波形起始沿，可以证明放电信号来自A相电缆终端气室。

图9 确定局部放电信号相位时传感器放置位置

图10 A、B、C三相放电信号时延波形

2.3.2 信号定性分析

由图11 所示，当示波器水平轴上每格的时间宽度为10 ms 或2 ms 时，即每2 格或10 格为一个工频周期，该局部放电脉冲每周期内出现两簇信号，脉冲信号间距相等，具有明显工频相位相关性，幅值最大为2.6 V，放电信号幅值较大，放电较为严重。图3—图11 中绿色曲线为特高频信号，黄色曲线为高频信号，两条曲线中脉冲一一对应，表明测得的特高频信号与高频信号具有同源性。

图11 A相放电信号10 ms/2 ms示波器图

2.3.3 信号精确定位

如图12 所示，采用黄色、绿色两个传感器进行放电源的精确定位，将黄色特高频传感器放置在A相电缆终端环氧树脂套处，绿色特高频传感器放置在电缆终端筒仓上部盆子处，两个传感器采集到放电信号的时延波形图如图13 所示。A 相GIS 气室的尺寸如图12 所示，两传感器距离1.96 cm，波形图中黄色波形超前绿色传感器波形约4.3 ns，根据特高频传播速度，经计算，可以排除放电源位于外部或绿色传感器内侧情况，算得放电源距黄色传感器约33 cm。结合上述定位过程及距离计算，判断局部放电源位置在2217 间隔A 相电缆终端气室如图14 所示的红色标注区域内。