氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（gas insulated switchgear, GIS）設(shè)備在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。由于組合電器結(jié)構(gòu)緊湊，所以在生產(chǎn)、安裝及運(yùn)行維護(hù)過程中可能出現(xiàn)內(nèi)部表面臟污、尖刺、自由金屬顆粒、固體絕緣內(nèi)部缺陷等情況。任由這些缺陷在運(yùn)行過程中不斷發(fā)展將會導(dǎo)致嚴(yán)重事故。GIS具有封閉式的結(jié)構(gòu)特性，故障后的檢修需較長的時(shí)間并耗費(fèi)大量的人力和物力。

本文介紹了一起特高壓站GIS設(shè)備內(nèi)局部放電（簡稱局放）異常缺陷的發(fā)現(xiàn)及其處理過程。首先，通過現(xiàn)場檢測及返廠解體診斷，確定絕緣支撐筒內(nèi)部氣隙是導(dǎo)致局放異常的根本原因，屬產(chǎn)品生產(chǎn)工藝問題；其次，結(jié)合本次缺陷案例分析，對GIS設(shè)備絕緣件生產(chǎn)、質(zhì)量檢測和現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)（簡稱運(yùn)維）環(huán)節(jié)的注意事項(xiàng)、預(yù)防及處理措施提出建議。

1 發(fā)現(xiàn)缺陷及現(xiàn)場診斷

1.1 發(fā)現(xiàn)缺陷

2017年8月，某特高壓變電站1100kV GIS特高頻局部放電在線監(jiān)測裝置發(fā)報(bào)警信號，T0121流變A相、T0122流變A相和T01367線路接地刀閘A相3處氣室同時(shí)局放異常。經(jīng)工作人員現(xiàn)場復(fù)測后確認(rèn)存在局放異常隱患，經(jīng)匯報(bào)后緊急拉停了該故障斷路器。

該特高壓站1100kV GIS設(shè)備型號為ZF15-1100，生產(chǎn)日期為2015年7月，投運(yùn)日期為2016年4月。

1.2 現(xiàn)場復(fù)測

工作人員趕赴現(xiàn)場對3處報(bào)警氣室及周圍氣室進(jìn)行局放復(fù)測。復(fù)測項(xiàng)目包括特高頻檢測、超聲波和化學(xué)檢測、特高頻局放源定位。具體檢測結(jié)果如下。

1）特高頻檢測

通過對3處報(bào)警氣室的特高頻圖譜和時(shí)域波形[4]進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，3處氣室的特高頻信號具有同步性，信號單周期出現(xiàn)較少脈沖，幅值大小不一，具有氣隙放電特性，說明信號均來自相同的局放源。報(bào)警氣室和空氣背景的特高頻檢測圖譜如圖1所示。

圖1a T01367線路接地刀閘A相氣室

圖1b T0122流變A相氣室

圖1c T0121流變A相氣室

圖1d 空氣背景信號

示波器采集的特高頻原始波形（10ms/格）如圖2所示。圖中，局放信號分別由T01367線路接地刀閘A相、T0122流變A相和T0121流變A相的內(nèi)置傳感器采集。

圖2 3個(gè)內(nèi)置傳感器異常信號的時(shí)域波形圖譜

2）超聲波和化學(xué)檢測

對3個(gè)局放報(bào)警氣室及周圍氣室分別進(jìn)行超聲波局放檢測[5]及SF6氣體濕度和成分測試[6]，均未發(fā)現(xiàn)異常信號和數(shù)據(jù)。

3）特高頻局放源定位

技術(shù)人員首先利用內(nèi)置傳感器對3個(gè)報(bào)警氣室內(nèi)局放異常信號源進(jìn)行時(shí)差定位。將示波器時(shí)間軸調(diào)整至20ns/格后進(jìn)行觸發(fā)，得到特高頻的時(shí)域波形，如圖3所示。

圖中黃、綠、紅色曲線分別為T01367接地刀閘A相、T0122流變A相和T0121流變A相的內(nèi)置傳感器信號。圖中綠色信號最超前，綠色信號的首個(gè)上升沿與紅色信號的首個(gè)上升沿時(shí)間差約20.2ns。

經(jīng)計(jì)算可知，局放源距離綠色傳感器距離比距紅色傳感器距離短約6m，而現(xiàn)場測得綠色與紅色傳感器相距15m，可判斷局放源位于T0121流變A相和T0122流變A相之間的斷路器氣室中，且距T0122流變A相約4.5m。

圖3 示波器定位譜圖

接著，使用外置與內(nèi)置傳感器精準(zhǔn)定位放電源，將紅色通道傳感器布置在T012斷路器A相與合閘電阻之間的盆式絕緣子上，將黃色通道傳感器布置在T0122流變A相與T012斷路器A相之間的盆子絕緣子上，綠色通道為T0122流變A相內(nèi)特高頻傳感器。現(xiàn)場各通道傳感器布置如圖4所示。

通過示波器定位波形時(shí)差分析得到，黃色通道信號超前紅色通道信號1.56ns（0.47m），兩傳感器的直線距離約1.5m，說明信號在兩傳感器之間靠近黃色傳感器約0.5m處。由設(shè)備結(jié)構(gòu)圖可知，此處水平盆式絕緣子為向下凹，深度約為盆子半徑0.5m。

綜上所述，結(jié)合時(shí)差定位結(jié)果和斷路器結(jié)構(gòu)圖分析，判斷局放源位于T0122 A相流變與T012斷路器A相之間的盆子絕緣子與導(dǎo)體接觸部位附近。

圖4 現(xiàn)場各通道傳感器布置圖

1.3 故障類型的初步診斷

通過分析特高頻在線監(jiān)測和現(xiàn)場復(fù)測圖譜及示波器時(shí)域波形可知，放電信號存在幅值大小交錯(cuò)分布、放電次數(shù)較為稀疏、正負(fù)半周較為對稱、放電相位穩(wěn)定、呈現(xiàn)“兔耳”圖譜等特征，符合氣隙缺陷的放電特征。綜合局放源定位，初步判斷靜側(cè)盆子絕緣子及絕緣支撐筒可能存在內(nèi)部氣隙缺陷。

2 將斷路器返廠檢查

在現(xiàn)場診斷確定特高壓GIS斷路器存在局放異常缺陷后，將該斷路器停運(yùn)，因設(shè)備運(yùn)維單位不具備工廠化檢修條件，故計(jì)劃在特高壓站年度檢修工作期間進(jìn)行整體更換，要求廠家調(diào)配同型號產(chǎn)品至現(xiàn)場更換。新產(chǎn)品在確保出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)全部合格的情況下方可投運(yùn)。同時(shí)，將更換下的故障斷路器返廠解體檢修，查找故障產(chǎn)生的具體原因。

2.1 廠內(nèi)復(fù)測及定位

對該斷路器整體采用脈沖電流法進(jìn)行局放試驗(yàn)，確認(rèn)在762kV下存在異常局部放電，局放量在80～160pC，局放被定位在斷路器靜側(cè)。斷路器解體檢查步驟如圖5所示。

圖5 斷路器解體檢查步驟

綜合現(xiàn)場局放定位及廠內(nèi)診斷，為斷路器解體檢查指明了方向，即重點(diǎn)檢查斷路器靜側(cè)盆式絕緣子與絕緣支撐筒。檢查項(xiàng)目包括解體檢查、絕緣件局放試驗(yàn)、絕緣件強(qiáng)光及X光檢查。

2.2 絕緣件的重點(diǎn)檢查

對絕緣件進(jìn)行脈沖電流法局放試驗(yàn)。試驗(yàn)加壓順序?yàn)椋?→635kV/5min→960kV/5min→825kV/10min→762kV/10min→試驗(yàn)結(jié)束。發(fā)現(xiàn)靜側(cè)絕緣支撐筒局放異常，局放起始電壓約為431kV。當(dāng)升壓至635kV時(shí)，最大局放量約10萬pC。試驗(yàn)時(shí)，示波器采集的放電脈沖信號與2017年8月現(xiàn)場檢測的信號特征吻合，如圖6所示。

圖6 靜側(cè)絕緣支撐筒局放試驗(yàn)結(jié)果

對靜側(cè)絕緣盆子及絕緣支撐筒分別進(jìn)行強(qiáng)光及X光檢查。發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)光下絕緣支撐筒靠近端蓋側(cè)接縫處有黑色痕跡，在X光下絕緣支撐筒相同位置存在一處橫豎長度約為 20mm的淺色十字狀異常。強(qiáng)光下絕緣支撐筒內(nèi)的黑色痕跡如圖7所示。

圖7 強(qiáng)光下絕緣支撐筒內(nèi)的黑色痕跡

2.3 靜側(cè)絕緣支撐筒局放異常原因的詳查

在確定缺陷位于靜側(cè)絕緣支撐筒后，為進(jìn)一步確定絕緣支撐筒缺陷位置、分析缺陷成因，結(jié)合絕緣支撐筒的強(qiáng)光與X光檢查結(jié)果，需對該絕緣支撐筒進(jìn)行解體檢查，解體檢查步驟為絕緣支撐解體檢查、著色滲透試驗(yàn)、3維CT光檢查及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)。

經(jīng)查該絕緣支撐筒為GIS設(shè)備廠家的外購部件，生產(chǎn)日期為2012年6月，入廠日期為2013年7月。

1）切割方案

由于絕緣支撐筒尺寸過大，無法進(jìn)行整體3維X光掃描，故重點(diǎn)對疑似缺陷部分進(jìn)行X光檢查。從絕緣支撐筒端部以下截取一個(gè)高度為23cm的圓筒樣品，用于X光檢查。在絕緣支撐筒剩余部分等間距截取3個(gè)高度為2cm的圓環(huán)樣品，用于著色滲透試驗(yàn)，根據(jù)圓環(huán)樣品與疑似缺陷處的距離，依次對樣品進(jìn)行編號，命名為1號試驗(yàn)品、2號試驗(yàn)品和3號試驗(yàn)品。絕緣支撐筒切割方案如圖8所示。

圖8 絕緣支撐筒切割方案

2）著色滲透試驗(yàn)

在將1—3號試驗(yàn)品放入烘箱80℃環(huán)境下烘干24h后，進(jìn)行品紅溶液著色滲透試驗(yàn)。品紅溶液中品紅與酒精配比為1:99。在進(jìn)行著色滲透試驗(yàn)時(shí)，品紅溶液與試驗(yàn)品底部接觸高度約為2mm，每個(gè)試驗(yàn)品的試驗(yàn)時(shí)間為15min。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1號和2號試驗(yàn)品上表面均有品紅滲透痕跡，試驗(yàn)不合格。3號試驗(yàn)品未見異常，試驗(yàn)合格。檢查發(fā)現(xiàn)，1號和2號試驗(yàn)品品紅滲透的位置處于絕緣支撐筒外壁縱向白色紋理痕跡附近。品紅滲透位置如圖9所示。

圖9 品紅滲透位置

3）3維CT檢查

采用3維CT斷層掃描技術(shù)，分別對帶有疑似缺陷部分的樣品進(jìn)行X光檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，樣品靠近端蓋側(cè)存在一處橫向長約50mm、縱向長約30mm的十字狀氣隙，與疑似缺陷位置一致，從俯視切面圖中發(fā)現(xiàn)，該氣隙位置與絕緣支撐筒外表面的距離約1.7mm，如圖10所示。

圖10 樣品3維X光檢查結(jié)果

4）玻璃化轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)

在絕緣支撐筒外壁不同位置截取3個(gè)直徑約5mm、重量約25mg的圓片樣品，進(jìn)行玻璃化轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)。3個(gè)樣品均試驗(yàn)合格，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為131.7℃、129.1℃和131.9℃，滿足玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于120℃的要求。

3 缺陷原因分析

結(jié)合現(xiàn)場局放診斷及返廠解體細(xì)查，初步分析導(dǎo)致該絕緣支撐筒存在氣隙的可能原因如下：該絕緣支撐筒的絕緣部分是由環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成的一個(gè)外徑204mm、內(nèi)徑184.7mm的圓筒，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的厚度約為10mm，如圖11（a）所示。

該環(huán)氧樹脂復(fù)合材料可分為2層：內(nèi)層由芳香族聚酰胺纖維（簡稱芳綸）纏繞而成，厚度約8mm；外層由聚酯纖維纏繞而成，厚度約2mm，如圖11（b）所示。

圖11 絕緣支撐筒環(huán)氧樹脂復(fù)合材料實(shí)物和結(jié)構(gòu)圖

在絕緣支撐筒外壁發(fā)現(xiàn)的縱向白色紋理痕跡可能是在內(nèi)層芳綸的纏繞過程中由于工藝控制不良等原因造成其內(nèi)部存在褶皺，在固化成型后，芳綸褶皺處和聚酯纖維的接觸面形成了一條縱向紋理痕跡。由于存在褶皺，故芳綸與聚酯纖維的接觸面存在氣隙。

經(jīng)3維CT檢查發(fā)現(xiàn)的十字狀氣隙與絕緣支撐筒外表面的距離約1.7mm，即位于內(nèi)、外層絕緣材料的接觸面附近。因此，判定該絕緣支撐筒內(nèi)部存在氣隙是導(dǎo)致其局放異常的原因，屬于產(chǎn)品質(zhì)量問題。

4 缺陷分析及應(yīng)對策略

本案例中絕緣支撐筒氣隙缺陷一方面暴露了絕緣件生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)存在工藝管控不良的情況，另一方面也反映出GIS設(shè)備廠家對外購件的質(zhì)檢環(huán)節(jié)存在疏漏。為了避免同類缺陷的再次發(fā)生，結(jié)合本次GIS設(shè)備局放缺陷分析，從以下方面提出建議。

1）絕緣件生產(chǎn)環(huán)節(jié)

對于絕緣件廠家，不僅應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的工藝管控，而且應(yīng)從缺陷產(chǎn)品中分析并優(yōu)化現(xiàn)有的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝。例如，在本案例中，如果廠家能夠優(yōu)化芳綸與聚酯纖維的纏繞工藝，保證兩者接觸面的良好貼合，絕緣支撐筒中氣隙的產(chǎn)生概率就會大大減小。

2）絕緣件質(zhì)檢環(huán)節(jié)

本案例中，在缺陷絕緣支撐筒外壁可以觀察到一條縱貫全筒的白色紋理痕跡，該痕跡也是絕緣支撐筒產(chǎn)生氣隙的原因所在。因此，對于GIS設(shè)備廠家，首先應(yīng)對本廠的外購部件（如絕緣支撐筒）進(jìn)行外觀初步篩查，重點(diǎn)關(guān)注存在明顯外觀差異的產(chǎn)品的檢查和檢測結(jié)果；其次，應(yīng)對關(guān)鍵外購部件逐個(gè)開展耐壓及局放測量等入廠試驗(yàn)，并對組裝后的整體設(shè)備開展耐壓及局放測量等出廠試驗(yàn)。

3）現(xiàn)場運(yùn)維環(huán)節(jié)

本案例中，設(shè)備業(yè)主應(yīng)在確定缺陷原因后，要求GIS設(shè)備廠家提供采用同批次絕緣支撐筒產(chǎn)品的GIS設(shè)備清單，并對清單內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行帶電檢測工作。一旦發(fā)現(xiàn)類似異常情況，就能夠提前進(jìn)行處理。

此外，本案例中的絕緣支撐筒有可能最初僅存在一個(gè)現(xiàn)有局放測量設(shè)備無法識別的微觀氣隙，但在設(shè)備長期運(yùn)行過程中，該氣隙被逐漸發(fā)展擴(kuò)大，最終引發(fā)局放監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警。因此，建議設(shè)備運(yùn)維單位建立局放監(jiān)測數(shù)據(jù)分析庫，針對每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)繪成局放量變化趨勢圖，提前預(yù)判并制定處理方案。

結(jié)論

本文分析了某特高壓站1100kV GIS設(shè)備絕緣支撐筒內(nèi)部氣隙放電缺陷及其產(chǎn)生的原因。該缺陷是應(yīng)用特高頻局放在線監(jiān)測裝置發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)場綜合運(yùn)用特高頻法和超聲波法，結(jié)合設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對缺陷進(jìn)行初步分析及定位。

經(jīng)運(yùn)維單位與GIS廠家商定進(jìn)行設(shè)備返廠解體檢修，通過脈沖法局放試驗(yàn)及X光檢查，找出了缺陷部件；再對缺陷部件進(jìn)一步解體，結(jié)合品紅滲透及3維CT檢查結(jié)果，指出絕緣支撐筒內(nèi)部氣隙是本次局放異常的根本原因；最后結(jié)合本次局放異常案例分析，對GIS設(shè)備絕緣件生產(chǎn)、質(zhì)檢和運(yùn)維的注意事項(xiàng)、預(yù)防及處理措施提出建議。