1000kV特高壓GIS局放在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用及案例分析

尹　恒

（國網(wǎng)浙江檢修公司，浙江杭州　310000）

1000kV特高壓GIS局放在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用及案例分析

尹恒

（國網(wǎng)浙江檢修公司，浙江杭州310000）

本文描述了1000kV特高壓GIS的應(yīng)用概況及其運(yùn)行特性，重點(diǎn)對(duì)述1000kV特高GIS局部放電特征分類說明，詳細(xì)描述1000kV特高壓浙中站GIS局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成情況及其軟硬件特點(diǎn)，通過1起特高壓故障診斷案例比對(duì)分析1000kV特高壓GIS設(shè)備局放在線監(jiān)測(cè)和專業(yè)帶電檢測(cè)各自特點(diǎn)，闡述故障診斷中的典型方法和關(guān)鍵經(jīng)驗(yàn)。

1000kV特高壓GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)故障診斷

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，特別是東部沿海地區(qū)對(duì)電力能源需求日益增長(zhǎng)，但由于我國能源分布與負(fù)荷中心分布存在較大地理空間，所以發(fā)展傳輸容量大、距離遠(yuǎn)、設(shè)備先進(jìn)、安全穩(wěn)定的特高壓輸電技術(shù)是解決我國能源戰(zhàn)略的重要舉措。目前，我國已建成3條1000千伏交流特高壓輸變電工程（10座1000kV特高壓交流變電站），特高壓站中1000kV配電裝置主要采用GIS（HGIS）設(shè)備，即為氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear），特高壓系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)就是要做好設(shè)備狀態(tài)管理，在各種運(yùn)檢維護(hù)技術(shù)中，利用局放在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是收集1000kV GIS設(shè)備運(yùn)行工況數(shù)據(jù)的重要手段之一。

圖1　固定粒子放電典型圖譜

圖2　自由粒子放電典型圖譜

圖3　浮動(dòng)電極放電典型圖譜

圖4　絕緣空穴放電典型圖譜

1　1000kV特高壓GIS的工程應(yīng)用概況及其運(yùn)行特性

GIS設(shè)備自上個(gè)世紀(jì)中期問世以來在電力系統(tǒng)輸變電工程中飛速發(fā)展，特別是近些年電力制造技術(shù)水平全面提升后，GIS設(shè)備已從低電壓等級(jí)的配電領(lǐng)域向超高壓（220kV-750kV）、特高壓（交流1000kV、直流±800kV）全面發(fā)展并大規(guī)模工程應(yīng)用。與常規(guī)設(shè)備相比1000kVGIS設(shè)備具有占地面積?。?0%）、避免電磁污染、防止人員觸電、檢修周期長(zhǎng)、設(shè)備絕緣性能不受周圍大氣條件影響、抗震性強(qiáng)等特點(diǎn)，已建成的10座交流特高壓站中有8座采用GIS、2座采用HGIS，根據(jù)國網(wǎng)公司“兩型一化”要求，后續(xù)特高壓工程將全部使用GIS作為配電裝置典型設(shè)計(jì)。

圖5　局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6　某特高壓站OCU布置圖（部分）

圖7　局放在線監(jiān)測(cè)顯示的局放譜圖

圖8　T012斷路器B相超聲信號(hào)

圖9　OCU7與OCU11的時(shí)域信號(hào)（20ns每格，黃色為OCU7、綠色為OCU11，黃色領(lǐng)先綠色信號(hào)約100ns）

圖10　OCU8與OCU22的時(shí)域信號(hào)（50ns每格，黃色為OCU22、紅色為OCU8，紅色領(lǐng)先黃色信號(hào)約150ns）

在運(yùn)行過程，1000kV特高壓GIS面臨運(yùn)行電壓高、大負(fù)荷、受系統(tǒng)沖擊和內(nèi)外部過電壓對(duì)設(shè)備絕緣多重嚴(yán)峻的考驗(yàn)，例如斷路器內(nèi)滅弧室電場(chǎng)分布、流場(chǎng)分布、熱場(chǎng)分布，液壓機(jī)構(gòu)輸出功率的穩(wěn)定性及可靠性，盆式絕緣子、支柱絕緣子的絕緣穩(wěn)定強(qiáng)度，閘刀觸頭、動(dòng)合部件的咬合度，還包括在設(shè)備安裝試驗(yàn)過程中的受工藝水平、清潔度、SF6氣體成份等影響都可能引起局部放電并逐步發(fā)展為設(shè)備故障。

2　1000kV特高壓GIS局部放電類型及特征

1000kV特高壓GIS采用SF6作為絕緣氣體，根據(jù)對(duì)已投運(yùn)的特高壓GIS運(yùn)行工況的跟蹤顯示，以特高壓GIS局部放電為故障先期特征的缺陷成為影響設(shè)備安全運(yùn)行重要原因，結(jié)合低電壓等級(jí)GIS設(shè)備局部放電的經(jīng)驗(yàn)和特高壓GIS局部放電特征可分類為：母線和氣室電暈（也稱作固定粒子）、自由粒子、浮動(dòng)電極、絕緣故障、干擾等。

2.1母線電暈（固定粒子）

母線電暈是指母線導(dǎo)體上的突起產(chǎn)生的局部放電，這種放電可能是由焊在母線上的金屬屑引起的。當(dāng)母線電壓到達(dá)峰值的時(shí)候，突起的尖端高度受壓，便產(chǎn)生電暈放電（局放）。在發(fā)展的第一階段—初始階段—放電首先發(fā)生在母線電壓的負(fù)半周期（如圖1）。隨著母線電壓的增加，或者突起的長(zhǎng)度增加，放電率大幅上升，在正半周期可能會(huì)發(fā)生一種更大的放電。這種放電往往是很規(guī)則的，更大的放電可能發(fā)展成很危險(xiǎn)的放電。

2.2氣室電暈 （固定粒子）

氣室電暈與母線電暈相似，但是氣室電暈是由氣室壁的突起產(chǎn)生的。因此，它的局放圖像與母線電暈的圖像相似，放電開始發(fā)生在負(fù)半周期的峰值處。

2.3自由粒子

自由粒子是指留在GIS內(nèi)的很小的金屬顆粒，例如金屬屑。這種粒子受高電場(chǎng)的影響發(fā)生跳躍。顆粒每與殼體碰撞一次，便發(fā)生一次放電。自由粒子似乎是隨機(jī)移動(dòng)的，放電有可能發(fā)生在交流電源周期的任一點(diǎn)上（如圖2）。

在15分鐘POW數(shù)據(jù)圖上，自由粒子分布的形狀變得很明顯。計(jì)數(shù)率很小，相對(duì)均勻分布，可以看到它的振幅大多數(shù)聚集在交流波形的正負(fù)峰值處。

圖11　B相OCU8與OCU7的時(shí)域信號(hào)（20ns每格，黃色為OCU7、綠色為OCU8，綠色領(lǐng)先黃色信號(hào)約27ns）

圖12　T012 B相斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.4浮動(dòng)電極

GIS的部件沒有接地或是沒有接到母線上，會(huì)形成浮動(dòng)部件或浮動(dòng)電極。浮動(dòng)電極的作用就像一個(gè)放電電容器，它產(chǎn)生非常高的振幅（＞100pC），由于局放信號(hào)使PDM系統(tǒng)的靈敏輸入放大器飽和了，信號(hào)輸出是滿量程（100%）（如圖3）。

2.5絕緣缺陷

絕緣缺陷表現(xiàn)為GIS屏蔽體內(nèi)的空隙、屏蔽體表面的污染物。絕緣缺陷的特點(diǎn)是：在整個(gè)周期內(nèi)表現(xiàn)為中低幅值的信號(hào)。最大振幅發(fā)生在交流周期的正負(fù)峰值處。絕緣缺陷往往在第三象限產(chǎn)生最大的計(jì)數(shù)率，隨著電壓到達(dá)下一個(gè)零點(diǎn)逐漸變?。ㄈ鐖D4）。對(duì)于嚴(yán)重的絕緣缺陷應(yīng)立即組織設(shè)備停運(yùn)，防止缺陷的發(fā)展，避免設(shè)備事故。

3　特高壓站GIS局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

為準(zhǔn)確掌握1000kV特高壓GIS設(shè)備內(nèi)部的局部放電情況，實(shí)時(shí)、量化、動(dòng)態(tài)跟蹤局放數(shù)據(jù)，提高設(shè)備狀態(tài)的掌控力度，特高壓某站安裝了一套特高頻局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需在特高壓GIS設(shè)備生產(chǎn)過程中同步安裝和預(yù)留內(nèi)置式局放探頭，局放探頭的數(shù)量及布局應(yīng)根據(jù)GIS的實(shí)際空間布置進(jìn)行專項(xiàng)定制。局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由內(nèi)置式傳感器探頭、IED和專家系統(tǒng)三部分組成（如圖5）。

傳感器用于測(cè)量和采集特高壓GIS設(shè)備局部放電時(shí)產(chǎn)生的UHF信號(hào)，IED主機(jī)用于采集傳感器過來的特高頻信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷，形成設(shè)備初步單項(xiàng)評(píng)價(jià)。IED將監(jiān)測(cè)信息傳輸至上級(jí)單元，并可根據(jù)上級(jí)單元要求傳送詳細(xì)監(jiān)測(cè)信息。專家系統(tǒng)利用統(tǒng)計(jì)技術(shù)和智能診斷技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，給出系統(tǒng)的放電趨勢(shì)和診斷意見。

4　案例分析

某1000kV特高壓站GIS投運(yùn)帶電后，現(xiàn)場(chǎng)局放在線監(jiān)測(cè)裝置顯示江蓮I出線、T012間隔、T011間隔、1#主變出線等部位的OCU6-8、11、22 B相在線局放報(bào)警（如圖6）。

4.1局放在線監(jiān)測(cè)分析

江蓮II出線、T012間隔、T011間隔、1#主變出線等部位的OCU6、7、8、11、22B相在線局放報(bào)警的PRPS譜圖（如圖7所示）。因信號(hào)很強(qiáng)已超出檢測(cè)范圍，無法累積成PRPD譜圖?？梢姡址判盘?hào)譜圖仍為典型的懸浮放電信號(hào)，且OCU6的信號(hào)明顯較鄰近的OCU7弱，說明信號(hào)源應(yīng)是在OCU6之前的GIS部位輻射出來的。另外，OCU18無信號(hào)，這也說明局放信號(hào)源應(yīng)發(fā)生在T011間隔、T012間隔、江蓮I出線、#1主變出線部位。

4.2現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)分析

根據(jù)局放在線監(jiān)測(cè)的初步分析和定位，現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)采用超聲波法對(duì)江蓮I出線、T012間隔、T011間隔、T021間隔、1#主變出線B相等進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)T012斷路器B相處有超聲信號(hào)（約為背景信號(hào)的1.8倍），且存在頻率成分（如圖8）。

由于1000kV特高壓浙中站GIS的盆式絕緣子采用無澆注孔式完全金屬屏蔽，且盆式絕緣子邊緣無接地屏蔽環(huán)，因此局放信號(hào)無法通過盆式絕緣子處檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)利用示波器對(duì)在線監(jiān)測(cè)內(nèi)置傳感器的信號(hào)進(jìn)行定位。

4.2.1OCU7-11的定位結(jié)果

如圖9所示（OCU7-11的直線距離約為15m），可見局放信號(hào)到達(dá)OCU7領(lǐng)先于OCU11約100ns，換算成距離為30m，說明信號(hào)先傳播至OCU7，再到OCU11。

4.2.2OCU8-22的定位結(jié)果

OCU8-22的定位結(jié)果如圖10所示（OCU8-22的直線距離約為20m），可見OCU8領(lǐng)先于OCU22約150ns，換算成距離為45m，說明信號(hào)先傳播至OCU8，再到OCU22的。

上述兩個(gè)定位結(jié)果均表明局放信號(hào)是從GIS內(nèi)部傳播至出線套管處的，信號(hào)源應(yīng)位于B相T012間隔、T011間隔內(nèi)。

4.2.3通過設(shè)備帶電時(shí)序定位

在某次設(shè)備帶電操作過程中，現(xiàn)場(chǎng)記錄了在線監(jiān)測(cè)局放信號(hào)的形成時(shí)序，在某日21：00左右，T011處于冷備用階段、而T012間隔帶電時(shí)，查看DMS在線裝置后臺(tái)發(fā)現(xiàn)OCU6-8、11、22 B相處的局放信號(hào)仍然存在，且信號(hào)衰減分布，說明局放源可排除來自于T011間隔。

4.2.4T012間隔內(nèi)部構(gòu)件精確定位結(jié)果

為了確定具體局放位置，將B相T012間隔兩端的OCU7和OCU8處的特高頻信號(hào)到達(dá)時(shí)間進(jìn)行了比較，如圖11所示?？梢?，OCU8領(lǐng)先于OCU7約27ns，而OCU8和7兩個(gè)傳感器之間的距離約為23m，通過時(shí)間差定位可知放電源距離OCU8處約為7.5m，而T012斷路器中心位置離OCU8處距離約為8.5m，說明局放源位于離T012斷路器中心位置靠T0122約1m處。

其后，國內(nèi)外多家專業(yè)檢測(cè)單位對(duì)此局放信號(hào)開展了檢測(cè)和定位，一致判定局放源位于距離T012 B相斷路器中間位置靠T0122約1m處，放電類型為懸浮放電。根據(jù)GIS廠家人員確認(rèn)該處位置為滅弧室附近，涉及多個(gè)設(shè)備元器件（如圖12），可能因屏蔽罩、螺絲松動(dòng)造成。

5　經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過上述案例，我們認(rèn)為1000kV特高壓GIS局放在線監(jiān)測(cè)的發(fā)揮了設(shè)備局放預(yù)警功能，局放監(jiān)測(cè)的專家系統(tǒng)對(duì)局放定性與現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)有著一致性，在特高壓GIS設(shè)備中推廣局放在線監(jiān)測(cè)是保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行和狀態(tài)評(píng)價(jià)的重要工具。

［1］劉振亞.特高壓交直流電網(wǎng).圖書目錄［M］.北京：中國電力出版社，2013.12.

［2］盧鵬，方煜瑛，劉旭.1100kVGIS設(shè)備特高頻（UHF）法測(cè)量局部放的應(yīng)用研究［J］.電力建設(shè)，2009.06.

［3］肖登明，李旭光，秦松林.特高壓輸變電系統(tǒng)中GIS氣體放電特性［J］.高電壓技術(shù)，2007.06.

尹恒（1982—），男，工程師，從事特高壓變電設(shè)備運(yùn)檢管理。