一起GIS避雷器带电检测案例分析

张 川，胡长猛，王 辉，陈 佳，杨 旭

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，南京 211106； 2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074)

0 引言

金属氧化物避雷器主要用来限制大气过电压和操作过电压，它作为一种重要的保护设备，在电力系统中得到了广泛应用[1-6]。

在变电站内，相比于柱上避雷器，封装在GIS内部的避雷器具有显著的优势，其运行中不受外部环境影响，另一方面GIS气室内充有SF6气体，具有优异的绝缘特性和灭弧性能。因此GIS 避雷器的绝缘强度极高[7-10]。

虽然GIS避雷器在运行中表现出诸多优势，但是其产品质量在生产、运输及安装过程中难以得到有效保证。避雷器绝缘结构内部存在的细微缺陷，如裂纹、气泡、杂质等，仍然会对GIS避雷器的安全运行造成隐患。而存在该类缺陷的避雷器产品，往往能顺利通过出厂例行试验投运到变电站现场。在现场交接试验中，GIS 避雷器是连同整个GIS 设备同时开展耐压试验的，试验时间短，局部放电检测方法有限，检出效率低，无法发现GIS避雷器内部的绝缘放电缺陷。导致有些避雷器设备带缺陷投运，在运行电压的长期作用下，缺陷向放电发展，且放电的规模会发展变大，最终危害GIS 避雷器的安全运行[11-12]。

带电检测作为状态检测的一种技术手段，能超前发现设备隐患、降低事故损失。为了实时准确的掌握设备的运行状态，需要定期对GIS 避雷器开展带电检测[13]。

笔者介绍了一起GIS避雷器带电检测案例，采用了多种带电检测方法进行了巡检，并经过精确定位，确诊了局放信号位于GIS 避雷器气室内部，然后进行了短期跟踪检测，最后解体验证了检测方法的有效性和定位结果的准确性，本次检测处理的方法和经验为GIS避雷器的运维检修提供一定的参考和指导。

1 带电检测异常情况

带电检测工作人员对某220 kV变电站内GIS设备进行了特高频、高频和超声波局部放电检测。在某220 kV GIS避雷器气室内，特高频法和高频法检测到了异常信号，而超声波检测未见异常。

该避雷器型号为Y10WF1-200/496，额定电压为200 kV，持续运行电压为156 kV。该避雷器是连同整个GIS设备于2010年投运。按照标准规定的检测周期，每年开展一次局部放电带电检测，且历年来均未检测到异常情况。该避雷器气室自投运至今，一直运行正常，没有经历过停电解体及其他重大检修活动。

1)特高频局部放电检测情况

特高频局部放电检测是采用特高频传感器对GIS设备中局部放电产生的特高频电磁波信号进行检测，从而获得局部放电的相关信息，实现局部放电检测。本次带电检测过程中，将特高频传感器装设在避雷器气室及其连接气室的盆式绝缘子处(见图1(a))，以及避雷器气室下方接地线处的外露绝缘件(见图1(b))。

图1 特高频检测位置Fig.1 UHF test position

在图1中的5个特高频测点均检测到了明显的异常信号，其中测点2和测点5的信号幅值最大。测点5的特高频信号图谱见图2，在GIS设备周围的空气中测得的背景信号图谱见图3。

图2 测点5的特高频信号图谱Fig.2 UHF signalspectrum of point 5

图3 特高频背景信号图谱Fig.3 UHF background signal spectrum

图2 表明，信号在一个工频周期内呈两簇分布，相位相差大约为180°，信号幅值比较分散，且具有一定对称性，符合绝缘类放电特征[14]。

由于测点5的异常信号幅值明显高于背景信号幅值，且具有典型的绝缘放电特征，初步判断异常信号可能来源于避雷器气室内部。

为了确定信号源的具体位置，采用高速示波器进行了精确定位将定位用的两个特高频传感器分别布置在测点2和测点5的位置。定位结果表明，测点5的信号超前于测点2的信号约1.6 ns，经时差定位法计算，确定信号源位置在该避雷器气室中部偏下位置。

2)高频局部放电检测情况

当GIS设备内部发生放电时，通常会在其接地引下线或其他地电位连接线上产生脉冲电流信号，高频局部放电检测是采用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电流信号，实现对GIS设备的局部放电带电检测。

本次带电检测过程中，将高频电流传感器装设在避雷器下方外露的接地线上，见图4。

图4 高频电流传感器安装位置Fig.4 HFCT test position

高频局部放电检测图谱见图5，在该避雷器周围空气中测得的背景信号图谱见图6。

图5 高频局部放电检测信号图谱Fig.5 High frequency partial discharge detection signal spectrum

图6 高频背景信号图谱Fig.6 HF background signal spectrum

图5结果表明，检测到的高频信号分布在一个工频周期的第一和第三象限，脉冲分布较密，符合绝缘类放电特征。

3)超声波局部放电检测情况

GIS超声波局部放电检测法的基本原理是通过超声波传感器对GIS中发生局部放电时产生的超声波信号进行检测，从而获得局部放电的相关信息，实现对GIS设备的局部放电检测。

本次带电检测过程中，将超声波传感器安装在GIS避雷器气室及其连接气室的外壳表面，检测点位置见图7。

图7 超声波检测位置Fig.7 AE test position

超声波检测结果见表1。

表1 超声波检测结果Table 1 Ultrasonic test result

4)其他手段带电检测情况

为了辅助局部放电检测结果，对该避雷器气室进行了泄漏电流检测和SF6气体状态检测。泄漏电流检测和SF6气体状态检测周期均为每年度一次，将本次检测结果与最近两次的历史检测结果进行了对比，泄漏电流检测和SF6气体状态检测结果分别见表2和表3。

表2 泄漏电流检测结果Table 2 Leakage current live-testing result

表3 SF6气体状态检测结果Table 3 SF6 gas state detection result

表2和表3结果表明，该避雷器气室的泄漏电流检测和 SF6气体状态检测结果均显示正常[16-17]。

避雷器泄漏电流检测是对金属氧化物避雷器施加持续电压时检测流过其本体的电流值，即全电流Ix，全电流由阻性电流Ir和容性电流Ic组成，阻性电流由各次谐波组成，表征避雷器运行情况的特征量主要是全电流Ix和阻性电流基波峰值Ir1p，根据避雷器的全电流和阻性电流基波峰值变化可判断避雷器内部是否受潮、金属氧化物阀片是否发 生劣化等。本次带电检测过程中，避雷器泄漏电流检测未发现异常，说明该避雷器气室内部不存在绝缘表面受潮或阀片绝缘劣化等现象。

SF6气体状态检测主要是检测SF6气体纯度、湿度和分解产物等状态参数，通过检测最终分解产物SO2和H2S的值来反映GIS气室内部是否存在局部放电和过热缺陷。在本次带电检测过程中，未发现有SO2和H2S，说明在该避雷器气室内部，有SF6气体流动覆盖到的导体和绝缘部件表面不存在局部放电和过热等现象。

通过采用多种带电检测手段进行检测，结果表明，仅特高频法和高频法检测到了异常信号，信号具有绝缘放电特征，并采用时差定位法定位信号源位置在避雷器气室中下部。超声波法未检测到异常信号，泄漏电流检测和SF6气体状态检测也未见异常。

1.4 吸血率的计算 目视法：观察麻醉按蚊腹部吸血状况，吸血率=吸血按蚊数量/总按蚊数量。称重法：称取吸血后按蚊的总体重，吸血率=（吸血后按蚊体重-吸血前按蚊体重）/充分吸血按蚊体重［9］。

为了确认该避雷器气室内部的放电信号是否为持续性信号，建议进行跟踪检测，缩短检测周期，密切关注异常信号幅值及图谱特征的变化情况。

2 异常信号跟踪情况

将该避雷器气室的检测周期缩短至每两周一次，采用多种带电检测手段连续跟踪检测了4个月。检测结果均显示，特高频法和高频法能检测到具有绝缘放电特征的异常信号，超声波法、泄漏电流检测法和SF6气体状态检测法均未检测到异常。因此，怀疑可能是气室内部避雷器的绝缘器件内含有气泡或杂质缺陷，在长期承受运行电压的作用下，产生局部放电。

在跟踪检测过程中，特高频信号幅值的分布见图8。

图8 特高频信号幅值分布图Fig.8 UHFsignal amplitude distribution diagram

图8表明，特高频信号幅值不稳定，在跟踪检测期间，没有发生明显增大的趋势。

高频信号幅值分布见图9。

图9 高频信号幅值分布图Fig.9 HF signal amplitude distribution diagram

图9表明，高频信号幅值不稳定，在跟踪检测期间，也没有发生明显增大趋势。

通过短期的跟踪检测，发现该避雷器气室内部的放电信号规模未见明显发展增大，说明该放电缺陷短期内不会影响到GIS避雷器的运行，只需安排停电计划进行解体检查即可。

3 解体验证情况

为了验证检测和定位的结果，并查明该避雷器气室内存在局部放电的原因。在合适的时间，对该避雷器气室进行了停电更换，并运送返厂进行了试验和检查。在解体检查之前，开展了局放试验。按照标准要求[18]，先逐步升高电压至额定电压200 kV，然后降到1.05倍持续运行电压164 kV时测量局部放电，此时测得避雷器的局放量约为330 pC，远远超过了标准规定的局部放电值10 pC，表明气室内部确实存在局部放电。

然后对避雷器进行了解体检查，拆除盆式绝缘子、筒体、避雷器电阻片和绝缘垫片等进行逐一检查，外观检查未发现异常。为了排查绝缘件表面粉尘、零部件松动等外部原因引起的局部放电这一情况，对每个部件的表面进行了清理擦拭，并重新装配再次开展局放试验。发现试验结果与解体前局放试验结果基本一致，避雷器内部仍然存在较大的局部放电信号。随后将电阻片和绝缘垫块等绝缘件依次进行更换后开展试验排查，最终将缺陷锁定在绝缘垫块。并立即对绝缘垫块进行了X光探伤，探伤结果表明，其中一块绝缘垫块内部有明显气泡，绝缘垫块探伤结果见图10。

图10 缺陷绝缘垫块探伤结果Fig.10 Defect detection result of the defective insulation pad

图10表明，绝缘垫块内部有明显的气泡，直径约为2 mm。由此可见，是绝缘垫块内部气泡在运行电压的作用下产生了局部放电。该绝缘垫块的位置与带电检测定位的位置基本一致。

4 检测经验

对该避雷器分别采用了特高频法、高频法、超声波法、SF6气体检测法以及泄漏电流检测法进行了检测与跟踪，仅有特高频法和高频法检测到了异常信号，信号图谱特征符合绝缘类放电特征。

解体情况表明，放电缺陷位于避雷器气室内部的绝缘垫块内部，是由绝缘垫块内部气泡引起的。由此说明，对于绝缘件内部产生的放电，放电产生的特高频电磁波信号能沿着GIS气室向外传播，通过非金属屏蔽的盆式绝缘子传输到GIS外部空间，只需在盆式绝缘子表面装设特高频传感器即可有效的检测到此类放电信号。而对于此类放电产生的超声波信号，在穿过绝缘件本身及外面的SF6气体时，会产生很大衰减，在GIS壳体表面安装超声波传感器可能无法检测到。当绝缘介质内部产生局部放电时，局部放电通过绝缘介质的等效电容形成电气通路，并经过接地线传输到大地，在避雷器接地线上安装高频电流传感器可以有效的检测到此类放电信号，但是高频法受外界环境干扰和接地线传输过来的信号干扰影响较大，检测效果并不理想。由于放电是发生在避雷器气室内的绝缘介质内部，放电产生的能量无法使绝缘介质外部的SF6气体发生分解，所以，SF6气体检测法无法检测到局部放电产生的特征气体。而避雷器泄漏电流测试结果仅能反映出避雷器内部受潮、金属氧化物阀片劣化等缺陷，对于绝缘件内部缺陷引起的放电并不敏感。

5 结论

对某220 kV变电站内一台GIS避雷器进行了特高频法检测和定位，并采用了高频法、超声波法、SF6气体检测法和泄漏电流检测法进行了检测，结果表明，仅特高频和高频法能检测到符合绝缘类放电信号，通过解体检查和试验排查，验证了检测和定位结果的准确性。

在对GIS设备进行带电检测时，要根据GIS设备内部器件的特点，采取适用的带电检测手段进行检测和综合分析，判断放电类型，锁定放电源位置，判断放电的严重程度，并给出合理的检修建议，达到提质增效的目的。