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

本文介紹了一起特高壓站GIS設備內局部放電（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，確定絕緣支撐筒內部氣隙是導致局放異常的根本原因，屬產品生產工藝問題；其次，結合本次缺陷案例分析，對GIS設備絕緣件生產、質量檢測和現(xiàn)場運行維護（簡稱運維）環(huán)節(jié)的注意事項、預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處氣室同時局放異常。經(jīng)工作人員現(xiàn)場復測后確認存在局放異常隱患，經(jīng)匯報后緊急拉停了該故障斷路器。

該特高壓站1100kV GIS設備型號為ZF15-1100，生產日期為2015年7月，投運日期為2016年4月。

1.2 現(xiàn)場復測

工作人員趕赴現(xiàn)場對3處報警氣室及周圍氣室進行局放復測。復測項目包括特高頻檢測、超聲波和化學檢測、特高頻局放源定位。具體檢測結果如下。

1）特高頻檢測

通過對3處報警氣室的特高頻圖譜和時域波形[4]進行分析發(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相的內置傳感器采集。

圖2 3個內置傳感器異常信號的時域波形圖譜

2）超聲波和化學檢測

對3個局放報警氣室及周圍氣室分別進行超聲波局放檢測[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

技術人員首先利用內置傳感器對3個報警氣室內局放異常信號源進行時差定位。將示波器時間軸調整至20ns/格后進行觸發(fā)，得到特高頻的時域波形，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相的內置傳感器信號。圖中綠色信號最超前，綠色信號的首個上升沿與紅色信號的首個上升沿時間差約20.2ns。

經(jīng)計算可知，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，使用外置與內置傳感器精準定位放電源，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。由設備結構圖可知，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，結合時差定位結果和斷路器結構圖分析，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)場復測圖譜及示波器時域波形可知，放電信號存在幅值大小交錯分布、放電次數(shù)較為稀疏、正負半周較為對稱、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，初步判斷靜側盆子絕緣子及絕緣支撐筒可能存在內部氣隙缺陷。

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，因設備運維單位不具備工廠化檢修條件，故計劃在特高壓站年度檢修工作期間進行整體更換，要求廠家調配同型號產品至現(xiàn)場更換。新產品在確保出廠試驗、交接試驗全部合格的情況下方可投運。同時，將更換下的故障斷路器返廠解體檢修，查找故障產生的具體原因。

2.1 廠內復測及定位

對該斷路器整體采用脈沖電流法進行局放試驗，確認在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。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)場局放定位及廠內診斷，為斷路器解體檢查指明了方向，即重點檢查斷路器靜側盆式絕緣子與絕緣支撐筒。檢查項目包括解體檢查、絕緣件局放試驗、絕緣件強光及X光檢查。

2.2 絕緣件的重點檢查

對絕緣件進行脈沖電流法局放試驗。試驗加壓順序為：0→635kV/5min→960kV/5min→825kV/10min→762kV/10min→試驗結束。發(fā)現(xiàn)靜側絕緣支撐筒局放異常，局放起始電壓約為431kV。當升壓至635kV時，最大局放量約10萬pC。試驗時，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 靜側絕緣支撐筒局放試驗結果

對靜側絕緣盆子及絕緣支撐筒分別進行強光及X光檢查。發(fā)現(xiàn)在強光下絕緣支撐筒靠近端蓋側接縫處有黑色痕跡，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。強光下絕緣支撐筒內的黑色痕跡如圖7所示。

圖7 強光下絕緣支撐筒內的黑色痕跡

2.3 靜側絕緣支撐筒局放異常原因的詳查

在確定缺陷位于靜側絕緣支撐筒后，為進一步確定絕緣支撐筒缺陷位置、分析缺陷成因，結合絕緣支撐筒的強光與X光檢查結果，需對該絕緣支撐筒進行解體檢查，解體檢查步驟為絕緣支撐解體檢查、著色滲透試驗、3維CT光檢查及玻璃化轉變溫度試驗。

經(jīng)查該絕緣支撐筒為GIS設備廠家的外購部件，生產日期為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，無法進行整體3維X光掃描，故重點對疑似缺陷部分進行X光檢查。從絕緣支撐筒端部以下截取一個高度為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個高度為2cm的圓環(huán)樣品，用于著色滲透試驗，根據(jù)圓環(huán)樣品與疑似缺陷處的距離，依次對樣品進行編號，命名為1號試驗品、2號試驗品和3號試驗品。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

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

試驗發(fā)現(xiàn)，1號和2號試驗品上表面均有品紅滲透痕跡，試驗不合格。3號試驗品未見異常，試驗合格。檢查發(fā)現(xiàn)，1號和2號試驗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，分別對帶有疑似缺陷部分的樣品進行X光檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，樣品靠近端蓋側存在一處橫向長約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光檢查結果

4）玻璃化轉變溫度試驗

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

3 缺陷原因分析

結合現(xiàn)場局放診斷及返廠解體細查，初步分析導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)氧樹脂復合材料制成的一個外徑204mm、內徑184.7mm的圓筒，環(huán)氧樹脂復合材料的厚度約為10mm，如圖11（a）所示。

該環(huán)氧樹脂復合材料可分為2層：內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)氧樹脂復合材料實物和結構圖

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層芳綸的纏繞過程中由于工藝控制不良等原因造成其內部存在褶皺，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、外層絕緣材料的接觸面附近。因此，判定該絕緣支撐筒內部存在氣隙是導致其局放異常的原因，屬于產品質量問題。

4 缺陷分析及應對策略

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

1）絕緣件生產環(huán)節(jié)

對于絕緣件廠家，不僅應加強產品生產環(huán)節(jié)中的工藝管控，而且應從缺陷產品中分析并優(yōu)化現(xiàn)有的產品生產工藝。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生概率就會大大減小。

2）絕緣件質檢環(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生氣隙的原因所在。因此，對于GIS設備廠家，首先應對本廠的外購部件（如絕緣支撐筒）進行外觀初步篩查，重點關注存在明顯外觀差異的產品的檢查和檢測結果；其次，應對關鍵外購部件逐個開展耐壓及局放測量等入廠試驗，并對組裝后的整體設備開展耐壓及局放測量等出廠試驗。

3）現(xiàn)場運維環(huán)節(jié)

本案例中，設備業(yè)主應在確定缺陷原因后，要求GIS設備廠家提供采用同批次絕緣支撐筒產品的GIS設備清單，并對清單內的設備進行帶電檢測工作。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現(xiàn)有局放測量設備無法識別的微觀氣隙，但在設備長期運行過程中，該氣隙被逐漸發(fā)展擴大，最終引發(fā)局放監(jiān)測系統(tǒng)報警。因此，建議設備運維單位建立局放監(jiān)測數(shù)據(jù)分析庫，針對每個監(jiān)測點繪成局放量變化趨勢圖，提前預判并制定處理方案。

結論

本文分析了某特高壓站1100kV GIS設備絕緣支撐筒內部氣隙放電缺陷及其產生的原因。該缺陷是應用特高頻局放在線監(jiān)測裝置發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)場綜合運用特高頻法和超聲波法，結合設備內部結構，對缺陷進行初步分析及定位。

經(jīng)運維單位與GIS廠家商定進行設備返廠解體檢修，通過脈沖法局放試驗及X光檢查，找出了缺陷部件；再對缺陷部件進一步解體，結合品紅滲透及3維CT檢查結果，指出絕緣支撐筒內部氣隙是本次局放異常的根本原因；最后結合本次局放異常案例分析，對GIS設備絕緣件生產、質檢和運維的注意事項、預防及處理措施提出建議。