GIS設(shè)備現(xiàn)場交流耐壓試驗閃絡(luò)定位技術(shù)分析

謝同平 劉興華 孫鵬 于洋 何騰

（國網(wǎng)淄博供電公司 山東省淄博市 255000）

1 GIS設(shè)備閃絡(luò)問題的產(chǎn)生原因及其機(jī)理分析

1.1 產(chǎn)生原因

通過分析GIS 設(shè)備本身的組成部分可知，在現(xiàn)場應(yīng)用的過程中，GIS 設(shè)備閃絡(luò)問題的主要原因是SF6氣體在固體絕緣介質(zhì)表層經(jīng)過的過程中會發(fā)生放電現(xiàn)象，而這種放電現(xiàn)象就很容易導(dǎo)致設(shè)備的絕緣被擊穿，進(jìn)而出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象。在SF6中，之所以會有放電現(xiàn)象出現(xiàn)在絕緣介質(zhì)的表層，其主要原因是因為絕緣介質(zhì)表層出現(xiàn)了電場強(qiáng)度突變。而導(dǎo)致這種電場強(qiáng)度突變的主要原因是在GIS 設(shè)備制作或安裝過程中的工藝技術(shù)流程應(yīng)用不夠恰當(dāng)，使得絕緣表面出現(xiàn)了凹凸不平現(xiàn)象，或者是存在一些懸浮顆粒等的情況，這些現(xiàn)象都會導(dǎo)致GIS 設(shè)備出現(xiàn)耐壓閃絡(luò)問題[1]。

1.2 產(chǎn)生機(jī)理

在SF6氣體內(nèi)出現(xiàn)閃絡(luò)的情況下，其閃絡(luò)電壓可通過以下公式來表示：

在以上公式中，閃絡(luò)電壓用Uf表示；絕緣利用系數(shù)用η 表示；閃絡(luò)情況下電場強(qiáng)度最大值用Ef表示；氣體間隙用d 表示。

通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，Ef和電極、絕緣介質(zhì)表面所表現(xiàn)出的粗糙度之間有著很大的關(guān)聯(lián)性，具體情況可通過以下公式來表示：

在以上公式中，電極曲率用Kh表示；電極表面所呈現(xiàn)出的粗糙度用Kf表示；固體介質(zhì)表面所呈現(xiàn)出的粗糙度用Kg表示；氣體壓力用p 表示。將公式（2）帶入到公式（1）中可以得出以下結(jié)果：

通過以上的計算分析可以發(fā)現(xiàn)，在GIS 設(shè)備的具體應(yīng)用中，如果其絕緣介質(zhì)所承受的電壓值達(dá)到了公式（4）中的Uf，GIS 設(shè)備內(nèi)部的絕緣子就會沿著介質(zhì)表面出現(xiàn)閃絡(luò)問題。

2 超聲波定位監(jiān)測系統(tǒng)概述

在進(jìn)行GIS 設(shè)備現(xiàn)場交流耐壓試驗閃絡(luò)定位的過程中，超聲波定位技術(shù)是目前最為廣泛應(yīng)用且最為有效的一種定位技術(shù)。在超聲波定位監(jiān)測系統(tǒng)中，主要的組成部分有超聲波傳感器陣列、無線傳輸模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊以及無線接收模塊等。將超聲波傳感器安裝在母線和斷路器上，母線上的布置標(biāo)準(zhǔn)是每間隔15m 一個，斷路器上的布置標(biāo)準(zhǔn)是每個斷路器一個，在整個系統(tǒng)中，傳感器的總數(shù)為16 個[2]。

在通過該系統(tǒng)進(jìn)行GIS 設(shè)備現(xiàn)場耐交流耐壓試驗閃絡(luò)定位的過程中，超聲波陣列信號將會與耐壓試驗共同開啟，在結(jié)束了耐壓試驗之后，可以對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，以此來幫助技術(shù)人員詳細(xì)分析GIS 設(shè)備是否有安全隱患存在。另外，因為GIS 設(shè)備的聲波不僅僅會在局部放電過程中產(chǎn)生，也會在機(jī)械振動以及電磁振動的影響下產(chǎn)生，所以具體測試中需要將這些由于外界因素影響而產(chǎn)生的超聲波排除。

圖1：傳感器布設(shè)與超聲波信號圖像

圖2：二次試驗過程中的傳感器布設(shè)與超聲波信號圖像

3 通過超聲波技術(shù)進(jìn)行GIS設(shè)備現(xiàn)場交流耐高壓測試閃絡(luò)定位

3.1 超聲波檢測原理分析

在GIS 設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)絕緣介質(zhì)表面閃絡(luò)的過程中，GIS 設(shè)備四周也會隨之出現(xiàn)一些光形式和聲波形式的能量。而借助于超聲波檢測技術(shù)，就可以對這種聲波形式的能量進(jìn)行捕捉，以此來對故障點進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測與定位。比如，在GIS 設(shè)備內(nèi)部絕緣介質(zhì)上存在細(xì)小氣隙的情況下，產(chǎn)生放電時，氣隙所具備的力學(xué)特征可以用以下公式來計算：

在以上公式中，力學(xué)等效電路電感用Lm表示；電容用Cm表示；電阻用Rm表示；電容兩側(cè)電壓用Ue表示。通過對其力學(xué)等效電路的分析可以發(fā)現(xiàn)，GIS 設(shè)備中的閃絡(luò)過程屬于一個振蕩過程，其關(guān)系式如下：

其中有：

電壓幅頻率用j 表示，其單位是Hz；振蕩周期用t 表示，其單位是s；初始的氣隙電壓值用U0 表示，其單位是KV。

通過以上的計算分析可知，在GIS 設(shè)備內(nèi)部發(fā)生振蕩的情況下，由于力的作用，氣隙中所產(chǎn)生的超聲波將會朝著四周傳播，且其幅值和放電量之間有著正比關(guān)系。

3.2 超聲波耐壓試驗流程分析

在通過超聲波技術(shù)進(jìn)行GIS 設(shè)備的交流耐壓試驗過程中，主要通過超聲波檢測系統(tǒng)來進(jìn)行GIS 設(shè)備內(nèi)部閃絡(luò)故障點的定位，其具體的試驗流程包括以下幾步：

（1）在進(jìn)行升壓之前，首先在GIS 設(shè)備中選出監(jiān)測點，然后在這些監(jiān)測點上做好各個檢測單元的布設(shè)。

（2）在開始升壓之后，耐壓檢測也應(yīng)該隨之一起啟動，各個監(jiān)測點中的檢測數(shù)據(jù)將會傳輸?shù)綗o線接收模塊中。

（3）將現(xiàn)場實際的檢測圖譜內(nèi)具體的脈沖特征作為依據(jù)來進(jìn)行閃絡(luò)定位。

（4）將特定的檢測單元進(jìn)行移動，并通過比較測量的方式進(jìn)行測量分析。

3.3 超聲波檢測技術(shù)在GIS設(shè)備現(xiàn)場交流耐壓試驗閃絡(luò)定位中的具體應(yīng)用

本次所應(yīng)用的超聲波檢測系統(tǒng)主要針對500kV 的GIS 設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場交流耐壓測試中的閃絡(luò)故障定位。試驗中，按照規(guī)程來進(jìn)行加壓程序設(shè)定，具體為318kV（5min）到666kV（1min）到349KV（斷路器位置局放），如果在這一過程中并未產(chǎn)生放電擊穿現(xiàn)象，則說明GIS 設(shè)備已經(jīng)成功通過了交流耐壓試驗。在試驗區(qū)域內(nèi)，其電壓頻率誒77Hz。

在進(jìn)行II 母線B 相試驗的過程中，將電壓上升到666kV 之后維持5s 便產(chǎn)生了放電擊穿故障，圖1 是其超聲波檢測圖像。通過超聲波檢測發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測點2 位置，可以采集到最大幅值的超聲波信號，而在監(jiān)測點1 和3 位置，采集到的超聲波信號則比較小，在監(jiān)測點5、6 和7 位置，都有超聲波信號被檢測出，且在6 和7 位置具有很強(qiáng)的超聲波信號，但是其脈沖持續(xù)時間卻較短。

通過對接收到的超聲波數(shù)據(jù)以及信號傳播過程中的衰減規(guī)律所進(jìn)行的分析，可以在上述情況中得出這樣的觀點：放電擊穿位置最有可能出現(xiàn)在具有最強(qiáng)脈沖信號和最常持續(xù)時間的監(jiān)測點位置，因為監(jiān)測點8 位置并未檢測到超聲波信號，5、6 和7 監(jiān)測點位置所檢測到的超聲波信號持續(xù)時間并不長，所以由此可判斷出，這些位置的超聲波信號并不是來自于GIS 設(shè)備內(nèi)部，而是因為超聲波朝著環(huán)境空間傳播過程中所產(chǎn)生的現(xiàn)象。通過對現(xiàn)場觀測點所進(jìn)行的布設(shè)便可進(jìn)一步判斷出，監(jiān)測點2 位置與監(jiān)測點5、6 以及7 位置之間有著非常近的直線空間距離，而且期間不存在任何遮擋，這就為監(jiān)測點2 位置的空間聲波傳播到監(jiān)測點5、6 和7 位置創(chuàng)造了足夠的便利。由此我們可判斷出，GIS 設(shè)備出現(xiàn)放電擊穿故障的位置很有可能在監(jiān)測點2 處。

在獲得到了以上的分析結(jié)果后，為了對具體的故障氣室做出更加準(zhǔn)確的定位，需要將II 母線B 相中懷疑出現(xiàn)了放電擊穿故障位置的附近再增加一些超聲波傳感器，使其布設(shè)密度進(jìn)一步加大，并對其進(jìn)行再一次的交流耐壓試驗。在第二次進(jìn)行試驗的過程中，電壓升高到289KV 的情況下，再一次產(chǎn)生了放電擊穿故障。圖2 是其超聲波檢測圖像。

通過圖2 可見，在監(jiān)測點1 位置有著最大的傳感信號幅值，這個檢測結(jié)果和上一次的檢測結(jié)果存在不同，兩監(jiān)測點大約相距18m，所以在此我們可以初步認(rèn)為本次的放電擊穿故障是臨近傳感器1 位置的另一處放電所導(dǎo)致的故障。為進(jìn)一步實現(xiàn)放電故障氣室的確定，在不改變超聲波傳感器布設(shè)位置的情況下，再一次對其進(jìn)行了交流耐壓試驗，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，其擊穿電壓和第二次試驗中的擊穿電壓十分接近，超聲波檢測圖像也和第二次試驗過程中的超聲波檢測圖像十分接近。

為實現(xiàn)故障原因的準(zhǔn)確確定，需要對上述的兩處懷疑出現(xiàn)了放電擊穿故障的氣室做解體分析。在解體之后，所獲得到了信息如下：監(jiān)測點2 位置所處氣室內(nèi)部出現(xiàn)了高壓導(dǎo)體對外殼腔體所產(chǎn)生的局部放電現(xiàn)象，且高壓導(dǎo)體上有放電撞擊之后出現(xiàn)的明顯凹痕。通過進(jìn)一步的分析認(rèn)為，腔體內(nèi)部的金屬顆粒有可能在外電場產(chǎn)生的作用下不斷在腔體內(nèi)部跳動，在接近腔體外殼或者是高壓導(dǎo)體的情況下，金屬顆粒兩側(cè)便會有微弱的局部放電現(xiàn)象產(chǎn)生，此時，如果電壓繼續(xù)上升，這種微弱的局部放電現(xiàn)象就會演變?yōu)橄葘?dǎo)放電現(xiàn)象或者是流注放電現(xiàn)象，最終引發(fā)放電擊穿。通過對監(jiān)測點所進(jìn)行的解體與分析可知，在與盆式絕緣子靠近的高壓導(dǎo)體屏蔽罩上也出現(xiàn)了一塊放電撞擊所造成的明顯凹痕，且其邊緣位置有黑色、圓形的放電燒灼痕跡，同時，這個盆式絕緣子也由于重復(fù)進(jìn)行多次的交流耐壓試驗而出現(xiàn)了閃絡(luò)通道。經(jīng)進(jìn)一步分析認(rèn)為，在第一次進(jìn)行交流耐壓試驗的過程中，場強(qiáng)可能在異物作用下發(fā)生畸變，但是并沒有達(dá)到產(chǎn)生放電擊穿現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)，且這個異物在進(jìn)行第二次交流耐壓試驗的過程中因受到電場力的作用而發(fā)生位移，在電壓上升到了一定程度之后產(chǎn)生了放電擊穿故障，故障在盆式絕緣子的表面以及高壓屏蔽罩的表面發(fā)生進(jìn)一步的延伸擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣子表面產(chǎn)生閃絡(luò)故障。

4 結(jié)束語

綜上所述，在GIS 設(shè)備的具體應(yīng)用中，閃絡(luò)故障的發(fā)生原因有很多。但是無論何種原因所引起的閃絡(luò)故障，其解決的關(guān)鍵都是做好故障點的定位。目前，超聲波檢測技術(shù)是GIS 設(shè)備現(xiàn)場交流耐壓試驗過程中閃絡(luò)故障的最典型定位技術(shù)，將該技術(shù)應(yīng)用到閃絡(luò)定位中，通過對各個監(jiān)測點位置的超聲波信號采集和分析，可初步判斷放電擊穿點所在位置，然后通過二次檢測來提升判斷的準(zhǔn)確性。如果二次檢測與第一次檢測有出入，則需要對懷疑放電擊穿的位置進(jìn)行解體分析，以此來實現(xiàn)閃絡(luò)位置的有效確定。通過這樣的方式，才可以讓閃絡(luò)故障得以及時解決，保障GIS 設(shè)備在電力系統(tǒng)中的正常應(yīng)用。