现场案例︱特高压站GIS设备局部放电异常缺陷的分析与处理
国网江苏省电力有限公司检修分公司、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院的研究人员陈弘扬、赵科、董正杰、裴文龙，在2019年第12期《电气技术》上撰文（论文标题为“1100kV气体绝缘金属封闭开关设备绝缘内部气隙放电缺陷诊断分析与处理”），分析了一起特高压站1100kV气体绝缘金属封闭开关设备支撑绝缘内部气隙放电缺陷案例。
该缺陷由技术人员在特高频局部放电在线监测装置上发现，现场综合运用特高频法、超声波法，结合设备内部结构，对缺陷进行初步分析及定位。在将设备返厂解体检修中，结合脉冲法局部放电试验及3维CT断层扫描技术，对缺陷设备进行综合分析诊断，指出绝缘支撑筒内部气隙是本次局部放电异常的根本原因。结合本次局部放电异常案例分析，对气体绝缘金属封闭开关设备绝缘件生产、质检和运行维护的注意事项及其预防和处理措施提出建议。
气体绝缘金属封闭开关（gas insulated switchgear, GIS）设备在现代电力系统中起着举足轻重的作用，具有结构紧凑、运行可靠和易维护等优点。由于组合电器结构紧凑，所以在生产、安装及运行维护过程中可能出现内部表面脏污、尖刺、自由金属颗粒、固体绝缘内部缺陷等情况。任由这些缺陷在运行过程中不断发展将会导致严重事故。GIS具有封闭式的结构特性，故障后的检修需较长的时间并耗费大量的人力和物力。
本文介绍了一起特高压站GIS设备内局部放电（简称局放）异常缺陷的发现及其处理过程。首先，通过现场检测及返厂解体诊断，确定绝缘支撑筒内部气隙是导致局放异常的根本原因，属产品生产工艺问题；其次，结合本次缺陷案例分析，对GIS设备绝缘件生产、质量检测和现场运行维护（简称运维）环节的注意事项、预防及处理措施提出建议。
1 发现缺陷及现场诊断
1.1 发现缺陷
2017年8月，某特高压变电站1100kV GIS特高频局部放电在线监测装置发报警信号，T0121流变A相、T0122流变A相和T01367线路接地刀闸A相3处气室同时局放异常。经工作人员现场复测后确认存在局放异常隐患，经汇报后紧急拉停了该故障断路器。
该特高压站1100kV GIS设备型号为ZF15-1100，生产日期为2015年7月，投运日期为2016年4月。
1.2 现场复测
工作人员赶赴现场对3处报警气室及周围气室进行局放复测。复测项目包括特高频检测、超声波和化学检测、特高频局放源定位。具体检测结果如下。
1）特高频检测
通过对3处报警气室的特高频图谱和时域波形[4]进行分析发现，3处气室的特高频信号具有同步性，信号单周期出现较少脉冲，幅值大小不一，具有气隙放电特性，说明信号均来自相同的局放源。报警气室和空气背景的特高频检测图谱如图1所示。
图1 报警气室和空气背景的特高频检测图谱（a）T01367线路接地刀闸A相气室
图1 报警气室和空气背景的特高频检测图谱（b）T0122流变A相气室
图1 报警气室和空气背景的特高频检测图谱（c）T0121流变A相气室
图1 报警气室和空气背景的特高频检测图谱（d）空气背景信号
示波器采集的特高频原始波形（10ms/格）如图2所示。图中，局放信号分别由T01367线路接地刀闸A相、T0122流变A相和T0121流变A相的内置传感器采集。
图2 3个内置传感器异常信号的时域波形图谱
2）超声波和化学检测
对3个局放报警气室及周围气室分别进行超声波局放检测[5]及SF6气体湿度和成分测试[6]，均未发现异常信号和数据。
3）特高频局放源定位
技术人员首先利用内置传感器对3个报警气室内局放异常信号源进行时差定位。将示波器时间轴调整至20ns/格后进行触发，得到特高频的时域波形，如图3所示。
图中黄、绿、红色曲线分别为T01367接地刀闸A相、T0122流变A相和T0121流变A相的内置传感器信号。图中绿色信号最超前，绿色信号的首个上升沿与红色信号的首个上升沿时间差约20.2ns。
经计算可知，局放源距离绿色传感器距离比距红色传感器距离短约6m，而现场测得绿色与红色传感器相距15m，可判断局放源位于T0121流变A相和T0122流变A相之间的断路器气室中，且距T0122流变A相约4.5m。
图3 示波器定位谱图
接着，使用外置与内置传感器精准定位放电源，将红色通道传感器布置在T012断路器A相与合闸电阻之间的盆式绝缘子上，将黄色通道传感器布置在T0122流变A相与T012断路器A相之间的盆子绝缘子上，绿色通道为T0122流变A相内特高频传感器。现场各通道传感器布置如图4所示。
通过示波器定位波形时差分析得到，黄色通道信号超前红色通道信号1.56ns（0.47m），两传感器的直线距离约1.5m，说明信号在两传感器之间靠近黄色传感器约0.5m处。由设备结构图可知，此处水平盆式绝缘子为向下凹，深度约为盆子半径0.5m。
综上所述，结合时差定位结果和断路器结构图分析，判断局放源位于T0122 A相流变与T012断路器A相之间的盆子绝缘子与导体接触部位附近。
图4 现场各通道传感器布置图
1.3 故障类型的初步诊断
通过分析特高频在线监测和现场复测图谱及示波器时域波形可知，放电信号存在幅值大小交错分布、放电次数较为稀疏、正负半周较为对称、放电相位稳定、呈现“兔耳”图谱等特征，符合气隙缺陷的放电特征。综合局放源定位，初步判断静侧盆子绝缘子及绝缘支撑筒可能存在内部气隙缺陷。
2 将断路器返厂检查
在现场诊断确定特高压GIS断路器存在局放异常缺陷后，将该断路器停运，因设备运维单位不具备工厂化检修条件，故计划在特高压站年度检修工作期间进行整体更换，要求厂家调配同型号产品至现场更换。新产品在确保出厂试验、交接试验全部合格的情况下方可投运。同时，将更换下的故障断路器返厂解体检修，查找故障产生的具体原因。
2.1 厂内复测及定位
对该断路器整体采用脉冲电流法进行局放试验，确认在762kV下存在异常局部放电，局放量在80～160pC，局放被定位在断路器静侧。断路器解体检查步骤如图5所示。
图5 断路器解体检查步骤
综合现场局放定位及厂内诊断，为断路器解体检查指明了方向，即重点检查断路器静侧盆式绝缘子与绝缘支撑筒。检查项目包括解体检查、绝缘件局放试验、绝缘件强光及X光检查。
2.2 绝缘件的重点检查
对绝缘件进行脉冲电流法局放试验。试验加压顺序为：0→635kV/5min→960kV/5min→825kV/10min→762kV/10min→试验结束。发现静侧绝缘支撑筒局放异常，局放起始电压约为431kV。当升压至635kV时，最大局放量约10万pC。试验时，示波器采集的放电脉冲信号与2017年8月现场检测的信号特征吻合，如图6所示。
图6 静侧绝缘支撑筒局放试验结果
对静侧绝缘盆子及绝缘支撑筒分别进行强光及X光检查。发现在强光下绝缘支撑筒靠近端盖侧接缝处有黑色痕迹，在X光下绝缘支撑筒相同位置存在一处横竖长度约为 20mm的浅色十字状异常。强光下绝缘支撑筒内的黑色痕迹如图7所示。
图7 强光下绝缘支撑筒内的黑色痕迹
2.3 静侧绝缘支撑筒局放异常原因的详查
在确定缺陷位于静侧绝缘支撑筒后，为进一步确定绝缘支撑筒缺陷位置、分析缺陷成因，结合绝缘支撑筒的强光与X光检查结果，需对该绝缘支撑筒进行解体检查，解体检查步骤为绝缘支撑解体检查、着色渗透试验、3维CT光检查及玻璃化转变温度试验。
经查该绝缘支撑筒为GIS设备厂家的外购部件，生产日期为2012年6月，入厂日期为2013年7月。
1）切割方案
由于绝缘支撑筒尺寸过大，无法进行整体3维X光扫描，故重点对疑似缺陷部分进行X光检查。从绝缘支撑筒端部以下截取一个高度为23cm的圆筒样品，用于X光检查。在绝缘支撑筒剩余部分等间距截取3个高度为2cm的圆环样品，用于着色渗透试验，根据圆环样品与疑似缺陷处的距离，依次对样品进行编号，命名为1号试验品、2号试验品和3号试验品。绝缘支撑筒切割方案如图8所示。
图8 绝缘支撑筒切割方案
2）着色渗透试验
在将1—3号试验品放入烘箱80℃环境下烘干24h后，进行品红溶液着色渗透试验。品红溶液中品红与酒精配比为1:99。在进行着色渗透试验时，品红溶液与试验品底部接触高度约为2mm，每个试验品的试验时间为15min。
试验发现，1号和2号试验品上表面均有品红渗透痕迹，试验不合格。3号试验品未见异常，试验合格。检查发现，1号和2号试验品品红渗透的位置处于绝缘支撑筒外壁纵向白色纹理痕迹附近。品红渗透位置如图9所示。
图9 品红渗透位置
3）3维CT检查
采用3维CT断层扫描技术，分别对带有疑似缺陷部分的样品进行X光检查。检查发现，样品靠近端盖侧存在一处横向长约50mm、纵向长约30mm的十字状气隙，与疑似缺陷位置一致，从俯视切面图中发现，该气隙位置与绝缘支撑筒外表面的距离约1.7mm，如图10所示。
图10 样品3维X光检查结果
4）玻璃化转变温度试验
在绝缘支撑筒外壁不同位置截取3个直径约5mm、重量约25mg的圆片样品，进行玻璃化转变温度试验。3个样品均试验合格，玻璃化转变温度分别为131.7℃、129.1℃和131.9℃，满足玻璃化转变温度大于120℃的要求。
3 缺陷原因分析
结合现场局放诊断及返厂解体细查，初步分析导致该绝缘支撑筒存在气隙的可能原因如下：该绝缘支撑筒的绝缘部分是由环氧树脂复合材料制成的一个外径204mm、内径184.7mm的圆筒，环氧树脂复合材料的厚度约为10mm，如图11（a）所示。
该环氧树脂复合材料可分为2层：内层由芳香族聚酰胺纤维（简称芳纶）缠绕而成，厚度约8mm；外层由聚酯纤维缠绕而成，厚度约2mm，如图11（b）所示。
图11 绝缘支撑筒环氧树脂复合材料实物和结构图
在绝缘支撑筒外壁发现的纵向白色纹理痕迹可能是在内层芳纶的缠绕过程中由于工艺控制不良等原因造成其内部存在褶皱，在固化成型后，芳纶褶皱处和聚酯纤维的接触面形成了一条纵向纹理痕迹。由于存在褶皱，故芳纶与聚酯纤维的接触面存在气隙。
经3维CT检查发现的十字状气隙与绝缘支撑筒外表面的距离约1.7mm，即位于内、外层绝缘材料的接触面附近。因此，判定该绝缘支撑筒内部存在气隙是导致其局放异常的原因，属于产品质量问题。
4 缺陷分析及应对策略
本案例中绝缘支撑筒气隙缺陷一方面暴露了绝缘件生产厂家在产品制造环节存在工艺管控不良的情况，另一方面也反映出GIS设备厂家对外购件的质检环节存在疏漏。为了避免同类缺陷的再次发生，结合本次GIS设备局放缺陷分析，从以下方面提出建议。
1）绝缘件生产环节
对于绝缘件厂家，不仅应加强产品生产环节中的工艺管控，而且应从缺陷产品中分析并优化现有的产品生产工艺。例如，在本案例中，如果厂家能够优化芳纶与聚酯纤维的缠绕工艺，保证两者接触面的良好贴合，绝缘支撑筒中气隙的产生概率就会大大减小。
2）绝缘件质检环节
本案例中，在缺陷绝缘支撑筒外壁可以观察到一条纵贯全筒的白色纹理痕迹，该痕迹也是绝缘支撑筒产生气隙的原因所在。因此，对于GIS设备厂家，首先应对本厂的外购部件（如绝缘支撑筒）进行外观初步筛查，重点关注存在明显外观差异的产品的检查和检测结果；其次，应对关键外购部件逐个开展耐压及局放测量等入厂试验，并对组装后的整体设备开展耐压及局放测量等出厂试验。
3）现场运维环节
本案例中，设备业主应在确定缺陷原因后，要求GIS设备厂家提供采用同批次绝缘支撑筒产品的GIS设备清单，并对清单内的设备进行带电检测工作。一旦发现类似异常情况，就能够提前进行处理。
此外，本案例中的绝缘支撑筒有可能最初仅存在一个现有局放测量设备无法识别的微观气隙，但在设备长期运行过程中，该气隙被逐渐发展扩大，最终引发局放监测系统报警。因此，建议设备运维单位建立局放监测数据分析库，针对每个监测点绘成局放量变化趋势图，提前预判并制定处理方案。
本文分析了某特高压站1100kV GIS设备绝缘支撑筒内部气隙放电缺陷及其产生的原因。该缺陷是应用特高频局放在线监测装置发现的，现场综合运用特高频法和超声波法，结合设备内部结构，对缺陷进行初步分析及定位。
经运维单位与GIS厂家商定进行设备返厂解体检修，通过脉冲法局放试验及X光检查，找出了缺陷部件；再对缺陷部件进一步解体，结合品红渗透及3维CT检查结果，指出绝缘支撑筒内部气隙是本次局放异常的根本原因；最后结合本次局放异常案例分析，对GIS设备绝缘件生产、质检和运维的注意事项、预防及处理措施提出建议。