气体绝缘开关设备局部放电带电检测综合应用

在工程现场，气体绝缘开关设备局部放电带电检测被应用了很多年，已证明其可以较好地为气体绝缘开关设备绝缘故障提供重要的检测技术支撑。根据相关资料的气体绝缘开关设备故障统计情况，发现绝缘故障仍是占最大比例。
红相股份有限公司的研究人员刘财明，在2020年第10期《电气技术》杂志上撰文，从日常应用、实验室研究、在线监测3个方向，对目前气体绝缘开关设备局部放电带电检测的应用现状进行概述；利用西湖电子气体绝缘开关设备模拟试验平台，分别模拟了4种典型放电类型进行特高频和超声波测试对比，并对现场中发现的一例气体绝缘开关设备异常声响进行应用情况介绍；最后对气体绝缘开关设备局部放电带电现场应用进行总结，对未来发展的重点方向进行展望。
随着经济不断发展，电网规模不断发展扩大，气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear, GIS）数量也在不断增加。GIS一旦存在绝缘缺陷就极容易造成停电事故，且GIS停电检修程序复杂、耗时相对久、检修费用高。
据资料报道，2012年4月10日广东深圳某500kV变电站的GIS绝缘故障造成多个行政区大范围停电。国际大电网会议CIGRE调查表明，50%以上的GIS故障是可提前发现的，即可以通过多种方式进行带电检测，提前预判。
1  GIS绝缘故障
根据中国电力科学研究院《国家电网公司2015年开关设备运行情况及近十年GIS故障专题分析》资料显示，截止2015年底，国家电网GIS组合电器64663间隔发生缺陷3218间隔次，其中危急和严重缺陷包括SF6成分异常、SF6低压力报警及闭锁、断路器操动机构异常、湿度超标等。
资料显示2015年GIS故障跳闸14次，故障率为0.022次/（百间隔·年），其中内绝缘击穿故障占12间隔次，比例高达85.7%；同时，资料按近10年故障产生的本质原因统计，发现GIS气室内异物导致的故障次数最多、故障影响最大，占了29.0%；盆式绝缘子等绝缘件问题占了21.9%。
通过以上的资料数据得出，绝缘问题是导致GIS故障的最大潜在因素，提前发现绝缘缺陷后采取可靠措施可有效避免发生设备故障。
2  GIS局部放电带电检测应用现状概述
GIS内部产生局部放电过程中会伴随一系列物理和化学现象，包括声、电、光、热、气体分解等，根据这些不同的物理或化学现象可以采用不同的检测技术来检测GIS内部的局部放电情况。特高频（ultra high frequency, UHF）检测技术可以检测GIS气室内是否有局部放电产生的特高频信号，IEC 62271-203也推荐特高频检测可以作为GIS局部放电的检测方法，对于UHF现场灵敏度的校验CIGRE TF 15/33.03.05则提供一个建议的方法。
超声波检测技术可以发现GIS气室内是否有局部放电产生的超声波信号。红外检测技术可以发现是否具有温度变化。气体分析法可以发现内部SF6气体是否有化学反应分解产生的硫化物、氟化物等。
目前国内针对GIS的局部放电检验过程中使用的超声波和特高频检测比重均大于80%。可将整个技术应用现状分成以下几点：
1）日常应用规范化情况。
在国内已基本形成了相关标准和应用导则，包括《国网（运检/3）829—2017国家电网公司变电检测管理规定（试行）》的75份细则、DL/T 1250—2013《气体绝缘金属封闭开关设备带电超声局部放电检测应用导则》、Q/GDW 11059.1—2013《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1部分：超声波法》、Q/GDW 11059.2—2013《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》。
国网于2013年发布了带电检测仪器性能检测方案，已组织开展过多批次局部放电测试仪器的检测工作。其中针对超声波发布Q/GDW 11061—2017《局部放电超声波检测仪技术规范》来替代2013版。
2）实验室研究情况。
目前各电科院、生产研发实力较强的厂家均搭建了相关GIS模拟试验平台和GTEM小室平台、超声波测试平台进行设备性能指标的研究。
其中GIS模拟试验平台目前常见的有西湖电子生产的GIS模拟装置，但该模拟装置无法保证每次加压产生的局部放电信号的一致性。GTEM小室平台则主要是采用脉冲时域法测试特高频传感器在工作频段内的平均等效高度值的大小（以mm单位进行表征），同时测试仪器的灵敏度、动态范围、模式识别准确性等。超声波测试平台主要测试超声波传感器灵敏度、谐振频率、线性度等，且一般在使用消声室或半消声室的环境下测试效果较佳。
3）在线监测应用情况。
国家电网目前并未大批量应用GIS局部放电在线监测系统，仅部分220kV、330kV、750kV等的GIS在断路器或母线上安装内置式传感器，而南方电网的广东、贵州、海南均已安装了较多的在线监测系统。主要的行业标准有DL/T 1432.4—2017和DL/T 1498.4—2017。
针对在线监测装置的考评入网检测，目前各省市均主要参照DL/T 1432.4—2017要求，测试项目包括传感器频响特性、系统灵敏度、系统动态范围、系统放电类型识别准确率、系统配置有效性验证、抗干扰性能、系统信号同步方式检查、通道有效性检查、通信一致性、电磁兼容（electromagnetic compatibility, EMC）等。
随着南方电网建设规划，目前云南、广西两省也逐步对220kV以上电压等级的变电站加装GIS局部放电在线监测装置。同时，在南方电网公司2020年度供应商资格预审中已经增加对GIS局部放电在线监测装置的审查要求。
3  特高频和接触超声波测试模拟研究
本文依托西湖电子生产的GIS模拟装置模拟了尖端放电、金属颗粒放电、气隙（内部）放电、悬浮放电。该装置主要由升压气室、耦合电容气室、校验装置、典型绝缘缺陷放电气室、视频监控、支架等部分组成，其实物装置如图1所示。
各放电模型视频照片如图2所示。其中，耦合电容气室配合电脉冲局部放电检测需要观察模拟试验产生的pC量。
通过实验室模拟测试，主要得出以下的典型图谱及结论：
1）尖端放电模型。
特高频和超声波均能有效检测，其信号特征均表现为脉冲幅值分散性较小，脉冲次数较多，在工频相位上呈单簇分布，如图3所示。
2）颗粒放电模型。
特高频和超声波均能有效检测，其信号特征表现为脉冲幅值分布较广，放电时间间隔不稳定，无相位相关性，如图4所示。
图1  装置实物图
图2  各放电模型视频照片
图3  尖端放电模型的测试图谱
图4  颗粒放电模型的测试图谱
3）气隙（内部）放电模型。
仅特高频能有效检测，其信号特征表现为脉冲幅值较分散，脉冲次数较少，放电相位较稳定，在工频相位上呈两簇分布，如图5所示。
图5  气隙（内部）放电模型的特高频测试PRPS图谱
4）悬浮放电模型。
特高频和超声波均能有效检测，其信号特征表现为放电脉冲幅值较大且较稳定，相邻放电时间间隔基本稳定，放电相位较稳定，在工频相位上呈两簇分布，如图6所示。
图6  悬浮放电模型的测试图谱
4  现场应用案例分析
4.1  测试概况
2018年1月在某电厂对某高压开关厂8DN9-2型存在异响的某GIS间隔进行局部放电带电测试，发现C相避雷器气室超声波异常。该GIS的盆式绝缘子为金属屏蔽，特高频测试选择在电缆终端侧的绝缘法兰处测试，未检测到异常特高频信号。
超声波测试结果发现，在2U71出线间隔C相的避雷器气室存在异常超声波信号，如图7所示，超声波信号幅值明显，信号稳定的最大幅值在1.778mV左右；同时，存在明显的100Hz相关性，PRPD图谱显示90°和180°相位对称分布；从局部放电测试仪的耳机中也可以听到有放电特征的声音。
且测试环境不存在干扰，横向对比分析该间隔C相其他气室及其他相邻间隔的避雷器气室的超声波测试结果均与环境背景相当，如图8所示。
4.2  测试结果分析
根据以上的现场局部放电带电检测结果判断：
①C相避雷器气室内部存在有悬浮放电，异常超声波信号幅值最大约1.778mV，100Hz相关性明显；②在电缆终端侧的绝缘法兰未检测到异常特高频信号，主要是受信号本身大小和不同气室的气隔盆子衰减较大的影响；③现场对异常C相避雷器气室进行SF6气体成分测试，结果未发现SO2、H2S、HF气体成分异常。
综合判断，局部放电处于相对较初始阶段，且超声波幅值未达到DL/T 1250—2013建议停电处理的20mV以上。
图7a C相的避雷器气室的PRPD图谱
图7b C相的避雷器气室的特征值参量
图7c C相的避雷器气室的测试照片
图8  背景、B相避雷器气室超声波检测PRPD图谱
进一步结合图9所示的避雷器气室内部结构分析：异常放电点的正下方为气隔的盆式绝缘子，长期持续悬浮放电产生金属粉尘落到气隔盆子上后容易急剧扩大，进而发展形成绝缘闪络。为防止绝缘故障，该业主单位会同GIS生产厂家进行了停电检修处理。通过现场停电检修解体可以明显看出，该避雷器气室内部的导体连接松动，接触不良产生悬浮放电的痕迹，如图10所示。
图9  避雷器气室内部结构图
5  结论
通过以上对GIS局部放电的相关实验室模拟研究和现场应用发现，GIS带电检测实际应用中不能完全照搬导则标准的要求，当检测到某一种异常信号时还应首先横向对比、排查外界干扰并重点结合GIS内部结构进行辅助综合分析，对存在放电但局部放电测试仪器测得幅值相对较小的，也需及时采取特别的处理措施。同时还发现，SF6气体成分测试对于GIS内部局部放电初期或局部放电严重程度相对较轻的检测灵敏度较低。
图10  现场解体的异常位置及部件照片
随着GIS局部放电带电检测更加频繁应用，可以预计未来后续的重点发展主要包括以下几点：
1）干扰排除（抗干扰性能）及精确定位。
针对GIS内部存在多个放电信号及外界也存在放电的干扰信号，如何精确识别且分离多个放电点及减小外界的干扰均是未来一阶段带电检测仪器或在线监测系统的重点研究趋势之一。如刘宇舜等人近3年已提出的广义S变换模时矩阵降噪法、单通道盲源分离算法、部分厂家推出使用的脉冲聚类功能等均可有效抑制现场信号中的多种噪声，后续可进行更多的现场应用优化。
2）云诊断及全寿命周期管理平台。
现阶段采用局部放电带电检测设备进行定期测试，需要工作人员在现场根据经验对检测结果进行分析、判断，对检测人员的经验要求高。随着电力物联网及云服务的不断建设应用，数据的远程云辅助诊断可以提供更好的技术支持，同时依托与其他检测数据（离线数据、定期测试数据等）的综合应用，可以更好进行全寿命周期系统管理，服务GIS设备状态评价。国内部分厂家已经开始逐渐应用云平台来提供云诊断。
3）短时在线监测应用。
针对间歇性局部放电，通常定期巡检测试无法及时发现，而采用可移动式短时监测GIS内部的局部放电状态，对间歇性局部放电监测效果较佳。
4）在线监测系统应用。
定期局部放电带电检测无法准确获取局部放电的变化发展情况，进而无法对局部放电的发展趋势和严重程度进行判断，而在线监测系统可以很好获取所有间隔的信号变化趋势图，可以进行多个设备、多个监测点的数据横向比较及变化趋势分析，能更有效地掌握对应设备的缺陷程度以及局部放电的变化趋势。

本文编自《电气技术》，标题为“气体绝缘开关设备局部放电带电检测综合应用”，作者为刘财明。

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