典型电力设备实体缺陷的测评

5.2.2.1GIS实体缺陷测评

1.北京电科院GIS实体缺陷装置

北京电科院对退运的126kV GIS进行改造，建成了实体缺陷实验装置，复现GIS内部部分缺陷，实物如图5-6所示。

实体缺陷装置主要包括断路器、电压互感器、隔离开关、接地开关、母线等部件，结构为母线三相共仓，断路器、电压互感器等其他设备分仓。所用筒体材料为钢，导体材料为铜，内部绝缘支撑件采用盆式绝缘子与支柱绝缘子混合安装方式。装置使用具有带通滤波功能的宽带信号放大器滤除300MHz以下的干扰信号。宽带信号放大器具有两级放大，带通频率为300～800MHz，通带内放大倍数为40dB。

装置的传感器为内置UHF传感器，金属圆盘电极通过专门的安装窗口伸入GIS腔体中，用于接收由局部放电激励的电磁波信号，使用金属杆馈线与圆盘底部中心连接并伸至安装窗口端部，与信号连接线的内芯相接，作为传感器信号输出的正极，信号连接线的屏蔽层与GIS外壳相接，作为信号输出的接地端。为保证该装置两个间隔中任意位置发生局放时都能够检测到，布置7只内置UHF传感器，分别安装在出线间隔和进线间隔，用于放置内部绝缘缺陷，或设置用于在母线上施加扫频信号或陡脉冲信号的电极。

图5-6 北京电科院改建实体缺陷装置

该实体缺陷实验装置可真实模拟变电站运行工况及电磁环境，成功复现了GIS内部金属尖端、自由金属颗粒两种典型缺陷，并得到了局部放电信号的时域、频域及PRPS谱图的典型特征。使用该装置，设置相应的实体缺陷，使用待测评局放仪对放电信号进行检测，根据检测结果就可以测评局放仪的检测能力、准确度等。

2.浙江电科院实体缺陷装置

浙江电科院设计开发了一套252kV GIS实体缺陷试验装置，可实现针对金属尖端、悬浮电位、微粒等典型GIS局部放电缺陷的多源局放模拟，可对局放信号特性、传播特性进行全面综合的检测分析和诊断评估。装置主要由GIS本体、控制系统、调压系统、局放模拟和检测诊断系统组成。GIS本体主要由试验腔体、隔离开关、出线套管、耦合电容器和电压互感器、电流互感器组成。其中试验腔体包含5个独立水平腔体、3个独立垂直腔体和1个缺陷盆式绝缘子专用腔体。

图5-7 GIS实体缺陷装置传感器安装位置示意图

a）进线间隔 b）出线间隔

所有试验腔体长度均为1m，两侧水平位置分别设置1个特高频局放传感器和石英玻璃观察窗，可对每个腔体进行特高频局放检测和光学检测，同时每个腔体均配置了1个SF₆气体阀门，可实现对腔体压力的独立控制和监控。实物如图5-8所示。

图5-8 252kV GIS实体缺陷试验装置

该实验装置可实现多源局部放电模拟功能，可设置高压导体针尖、外壳尖刺、悬浮金属颗粒以及盆式绝缘子裂缝、气泡、杂质等典型GIS设备局部放电缺陷，实现针对GIS设备中不同类型、不同位置、不同严重程度的多源局部放电缺陷模拟。装置中增加了GIS结构式的耦合电容器，可采用脉冲电流法对局放信号进行检测，并对特高频信号进行局部放电量的测评。耦合电容器电容量300pF，可满足脉冲电流法检测精度要求。装置单独设置了一个缺陷盆式绝缘子试验腔体，该腔体位于GIS母线端部，通过单相隔离开关可实现与主母线的连接和隔离，可对盆式绝缘子进行更换，从而对不同缺陷类型的盆式绝缘子进行局放缺陷的检测和诊断。装置基本涵盖了GIS设备中特高频信号的典型传播路径，可以实现对GIS特高频局放仪进行有效测评。

3.云南电科院实体缺陷装置

云南电科院为模拟实际SF₆变电站的局部放电工况，建立了252kV GIS实体缺陷装置，此外，与上海思源公司进行合作，研究并建设了126kV、252kV智能GIS整间隔，简述如下。

252kV GIS实体缺陷装置主要模拟真实的SF₆高压电器运行工况，能够长期稳定运行，具备长期加压、通流能力，主要由252kV GIS试验段、电源系统（包括电压源、电流源）、在线监测系统（带电检测设备）安装接口组成。其中252kV GIS试验段包括2个套管、模拟放电气室、内置试验变压器、隔离开关气室、接地开关气室等。装置内部有多种可调局部放电缺陷模型（自由金属微粒放电缺陷、悬浮电位体放电缺陷、绝缘件内部气隙放电缺陷、沿面放电缺陷、金属尖端放电缺陷等），可产生不同类型局部放电；具备多种接口（特高频局部放电内置传感器接口、特高频局部放电外置传感器接口、超声局部放电传感器接口、SF₆气体分解产物分析接口、微水接口），还有红外窗口、视频监控窗口，可开展各种在线监测系统（带电检测设备）的接入及测评工作。其结构图如图5-9所示。

252kV GIS实体缺陷测评装置主要包含以下功能：1）对特高频、超声局部放电在线监测系统（带电检测设备）进行测评，测评项目主要包括：准确性、灵敏度、连续稳定工作时间、检测一致性、抗干扰性、模式识别准确性、定位准确性等；2）对SF₆气体分解产物在线监测系统（带电检测设备）进行测评，测评项目主要包括：准确性、灵敏度、连续稳定工作时间、检测一致性、传感器抗交叉干扰能力等；3）对微水在线监测系统（带电检测设备）进行测评，测评项目主要包括：准确性、灵敏度、连续稳定工作时间、检测一致性等。

图5-9 252kV GIS实体缺陷测评装置

在传统GIS组件上，增加智能模块及在线监测装置：智能终端合并单元一体装置（在LCP柜里面）、局放在线监测装置、SF₆密度微水在线监测装置、断路器在线监测装置、电子式PT及电子式CT，形成126kV及252kV智能GIS整间隔在线监测系统，实物如图5-10及图5-11所示。

图5-10 126kV智能GIS整间隔实物图

对126kV及252kV三相共体智能化GIS整间隔功能进行了扩充，可实现内置传感器位置变换及不同的内置传感器配装，从而实现传感器的测评。并可配装无金属屏蔽的盆式绝缘子及等效可变换浇注孔的盆式绝缘子。可人工布置实体缺陷（微粒、气隙、表面污秽、毛刺、悬浮）在整间隔实体GIS上。下面以尖端放电实体缺陷为测试对象介绍一个实体缺陷测评案例。

图5-11 252kV智能GIS整间隔实物图

GIS高压导体表面或外壳内表面的金属突起会导致突起物附近的局部电场增强，引发典型的尖端电极的流注电晕放电，在工作电压下表现出较为稳定的局部放电，但在雷电过电压以及VFTO作用下，可能会引发击穿故障。为此，案例中建立固定金属突出物实体缺陷模型，使用该模型进行模拟局部放电，对待测评局放仪进行测评。在测评案例中选择尖端放电实体缺陷，截取一段长度为40mm的钢制的金属尖刺，尖端不做打磨处理，用透明胶布将金属尖刺固定在GIS高压导体上，尖刺沿径向指向筒壁，如图5-12所示。

图5-12 高压导体上金属突出物缺陷

分别在126kV和252kV智能GIS间隔上放置尖端放电模型，查看被测评局放仪对局放信号的响应情况。试验中对某厂商的局放仪A进行测评，试验方法对其他厂商的局放产品同样适用。126kV GIS内置传感器及放电模型位置如图5-13所示。

图5-13 传感器及放电模型位置图

内置局放传感器安装在GIS手孔内，其信号输出端在手孔盖板外部，通过同轴电缆将传感器和局放仪连接起来，用网线连接局放仪和计算机网口可通过计算机查看测试数据。调节测试电压，观察不同电压下对局部放电信号的测量情况，数据见表5-3。

表5-3 测试记录表

从测试结果中可看出，距离模拟放电源位置最近的US1测得的放电量随电压升高缓慢增长，脉冲密度向两边扩散、放电频率增加，电压加到一定程度另外半周出现脉冲信号；US2为距离模拟放电源第2近的传感器，接收信号由无到有，与US1的测试结果一致；US3距离模拟放电源位置最远，一直未检测到信号（与针尖电晕放电频率及传感器设计特性有关）。为简化起见，电压为140kV时的实测记录如图5-14所示。

图5-14 140kV记录数据

使用252kV智能GIS整间隔，将铜丝绕在GIS的B相四通导体上，铜丝伸出长度约为30mm，作为尖端放电实体缺陷，如图5-15所示。

图5-15 尖端放电实体缺陷

局放传感器及放电模型位置如图5-16所示。

图5-16 智能GIS整间隔传感器及放电模型位置图

接线方式与前面所述相同，加电压试验得到的数据记录在表5-4中，试验过程中，只有US1、US2和US5测得信号。

表5-4252kV测试记录表

GIS上安装的5个传感器US1～US5，只有US1、US2和US5感应有局放信号，其中US5最先响应，US1其次，US2最后。三个传感器信号发展趋势基本一致。从测评的结果中可看出，针对单个传感器，被测评局放仪满足测量要求。

5.2.2.2开关柜实体缺陷测评

云南电科院设计了10kV开关柜实体缺陷测评环境，其结构图如图5-17所示，包括进线柜、PT（电压互感器）柜、隔离开关柜、出线柜、负载柜等。具备完善的二次保护、远方操作及监控系统，能够长期加压、通流，具备动态调整负荷性质及大小的能力（阻性负荷、容性负荷、感性负荷），能够保证长期稳定运行。

10kV开关柜实体缺陷测评实物图如图5-18所示。

开关柜实体缺陷测评环境重在对在线监测系统、带电检测设备、停电检测设备的准确性、长期运行稳定性进行考核。能够安装各类在线监测系统/带电检测设备/停电检测设备，例如，超声和暂态对地电压局部放电类、断路器机械特性类、容性设备绝缘类、无线测温类、电缆振荡波/超低频局部放电类，并对上述各类设备进行测试与评价。

图5-17 10kV开关柜实体缺陷测评结构图

图5-18 10kV开关柜实体缺陷测评实物图

在隔离开关柜内分别布置了5种典型高压开关柜局部放电缺陷模型，包括：金属尖端放电缺陷模型、悬浮电位体放电缺陷模型、污秽绝缘子沿面放电缺陷模型、断裂绝缘子内部气隙放电缺陷模型、穿墙套管电晕放电缺陷模型。其中：金属尖端放电缺陷模型的高压端为金属针尖，低压端为金属板；悬浮电位体放电缺陷模型的高压端为金属针尖，低压端为金属板，在金属板上放置厚5mm的环氧树脂绝缘层，并在绝缘层上放置金属螺栓；污秽绝缘子沿面放电缺陷模型为现场运行时污秽严重并发生过闪络故障的绝缘子；断裂绝缘子内部气隙放电缺陷模型为纵向存在裂纹（非贯穿性）的绝缘子；穿墙套管电晕放电缺陷模型的内部及外部均无均压层，在法兰附近及导体附近会产生电晕放电。上述模型均经过细致的调整及长时（≥1h）的耐压老炼处理，保证能够在10kV电压下产生稳定的、局部放电量约为15nC的局部放电。

使用CoroCAM 504型紫外成像仪透过红外玻璃（高压开关柜红外玻璃对紫外线的穿透性较好）对隔离开关柜内的缺陷模型局部放电情况进行观察。

各缺陷模型及其局部放电现象如图5-19所示。为了更加直观地展示各缺陷模型的局部放电现象，除断裂绝缘子内部气隙放电缺陷模型难以使用紫外成像仪观察而使用脉冲电流局放仪检测外，其余缺陷模型局部放电现象均使用紫外成像仪观察。

将缺陷模型放入高压开关柜内，加压后内部会产生较大的局部放电信号。使用暂态对地电压和超声波局放仪对高压开关柜内缺陷的局部放电信号进行检测，从而实现对局放仪性能的测评。下面以断裂绝缘子内部气隙放电实体缺陷为例介绍测评结果。

在高压开关柜上选取六个检测位置，选取主流厂商的五种局放仪（分别用A、B、C、D、E表示），对高压开关柜内断裂绝缘子内部气隙放电实体缺陷进行测评。

高压电源均采用防晕措施（加装均压环），高压导线均采用专用的加压线。经测试，当施加电压为8.8kV时，局部放电量大致为背景至800pC，电压为8.8kV时的局放仪测评结果见表5-5、表5-6。

图5-19 各缺陷模型及其局部放电现象

a）金属尖端放电缺陷模型 b）金属尖端放电缺陷模型局部放电现象 c）悬浮电位体放电缺陷模型 d）悬浮电位体放电缺陷模型局部放电现象 e）污秽绝缘子沿面放电缺陷模型 f）污秽绝缘子沿面放电缺陷模型局部放电现象

图5-19 各缺陷模型及其局部放电现象（续）

g）断裂绝缘子内部气隙放电缺陷模型 h）断裂绝缘子内部气隙放电缺陷模型局部放电现象 i）穿墙套管电晕放电缺陷模型 j）穿墙套管电晕放电缺陷模型局部放电现象(www.xing528.com)

表5-5 电压为8.8kV时局放仪暂态对地电压测评结果

表5-6 电压为8.8kV时局放仪超声波测评结果

从表中可以看出，当局部放电量变化较大时，五种局放仪均很难检测到局部放电。继续施加电压，当电压为9.58kV时，局部放电持续发生、局部放电量较大，大致变化范围为750～1200pC。电压为9.58kV时的局放仪测评结果见表5-7、表5-8。

表5-7 电压为9.58kV时局放仪暂态对地电压测评结果第1部分

表5-8 电压为9.58kV时局放仪超声波测评结果

从表中可以看出：当局部放电持续发生、局部放电量较大情况下，暂态对地电压测评结果：A、B、C设备能够检测到实体缺陷的明显局部放电，D设备的检测能力一般，E设备较差。超声波测评结果：A、C设备耳机中听见明显的局部放电声，B设备性能一般，D、E设备不具有耳机接口，不可以听局部放电声，并且检测幅值与背景幅值无差异，即未检测到。

5.2.2.3电缆实体缺陷测评

云南电科院结合10kV电缆振荡波局放检测应用研究及局放仪测评需求，搭建10kV电缆段试验环境，借助两套双施加电源，实现电缆段试验的通流加压功能。

10kV电缆试验段利用不同型号的退役电缆段设置多处缺陷点，用于测评复杂试样情况下10kV振荡波局放测试系统对局放测量的可行性和故障点判断的准确性。将一段长度约为19m、截面为185mm²的10kV三相电缆，一段长度约为45m、截面为120mm²的10kV三相电缆，以及一段长度约为31m、截面为70mm²的10kV三相电缆，通过电缆中单相首尾相接的方法，形成蛇形排布，同时整体电缆首尾两端分别连接一段长度约7m的单相电缆段，构成总长度约为299m的单相10kV铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆。所有电缆间相互连接的部位均采用电缆单相中间接头连接，首尾端部制作电缆终端，共计应用单相电缆附件27只。10kV电缆段整体呈“回”字形排布，紧凑型布置时占地约3m×7m。10kV电缆段连接方式设计如图5-20所示。

图5-20 10kV电缆段连接方式

10kV电缆段实际连接完成后如图5-21所示。

电压电流双施加电源具备通流升压功能，能够真实地模拟出实际电缆运行工况，使振荡波局放测评更加接近于真实的运行电缆工况。电压电流双施加试验工作原理如图5-22所示，实物如图5-23所示，对地绝缘的闭合金属回路通过升流器产生目标电流，并通过试验变压器施加目标电压，10kV电缆段即具备等效的电压、电流双施加工况，电流回路具备0～200A的通流能力，20kV/1A的工频电压源满足10kV电缆段电压测试要求。

图5-21 10kV电缆段实际连接图

图5-22 电压电流双施加试验工作原理示意图

为检测振荡波局放仪发现各类常见缺陷的能力，了解其缺陷检测定位效果、定位误差，基于已搭建的299m、10kV电缆段，人工布置下面五种常见电缆附件实体缺陷。缺陷布置完成后，对10kV电缆段进行振荡波局放检测，可以得到局部放电信号的典型特征。

图5-23 双施加电源试验实物图

（1）电缆终端应力锥安装错位

对10kV电缆段试品选取一只电缆终端进行电缆终端应力锥安装错位布置，模拟现场施工安装工况下的缺陷情况，另一端严格按照施工安装工艺进行，未布置缺陷，安装完成后进行了振荡波局放试验研究。振荡波局放检测结果如图5-24所示。

图5-24 电缆终端应力锥安装错位缺陷检测结果

（2）半导电层剥离不齐

在10kV电缆段的126m处人工设置呈锯齿状的半导电层剥离不齐缺陷，缺陷设置情况如图5-25所示。

图5-25 半导电层剥离不齐人工缺陷

缺陷布置完成后，对10kV电缆段进行振荡波局放检测，检测结果如图5-26所示。

图5-26 半导电层剥离不齐缺陷设置检测结果

（3）连接管压接后存在尖刺、未打磨

在10kV电缆段约234m处设置尖端放电缺陷，缺陷设置情况如图5-27和图5-28所示。

图5-27 连接管压接后未打磨

图5-28 连接管压接后存在尖刺

对10kV电缆段进行振荡波局放检测，检测结果如图5-29所示。

图5-29 连接管压接后存在尖刺、未打磨缺陷检测结果

（4）绝缘本体受损、凹陷或部分缺失

在10kV电缆段约192m处人工设置绝缘受损划伤及绝缘本体凹陷缺陷，缺陷情况如图5-30和图5-31所示。

图5-30 绝缘本体划伤缺陷

图5-31 绝缘本体受损凹陷缺陷

绝缘本体缺陷制作时，顾忌绝缘划痕太深导致绝缘加压时电缆击穿，只在绝缘本体的表面制作了细微的划痕，缺陷表征不明显，因此未能检测到局放现象。

（5）冷缩附件制作时含有杂质

在10kV电缆段约100m处布置冷缩附件制作时含有杂质的缺陷，缺陷情况如图5-32所示。

由于布置缺陷时，考虑到此次缺陷布置的杂质是将半导电层材质使用砂纸摩擦至绝缘表面，使其绝缘表面脏污、不纯净，致使导体与半导电层之间的距离减小，有可能会产生沿绝缘表面与半导电层之间的闪络，影响电压的施加，所以半导电材料杂质的设置较少，因此未能检测到局放现象。

通过以上电缆段实体缺陷的布置，振荡波局放仪可以准确定位故障点，从而有效地测评了振荡波局放仪的检测能力。

图5-32 冷缩附件制作时含有杂质缺陷

5.2.2.4变压器实体缺陷测评

西湖电子研究所生产的电力变压器故障模拟实验装置具备准确模拟变压器局部放电故障的能力，通过外部调节装置直接体外控制故障的产生、消失以及加重，利用不同的检测方法对变压器不同的故障进行检测研究，分析故障信号特征，建立相关故障谱图与数据库，为变压器故障诊断等提供参考依据。

该实验装置采用全密闭式油箱结构，油箱外部预留多个透明视窗，可直接目视到相关故障本体状态；在一些重要部位，通过内置视频探头，借助计算机观察、记录。相关模拟故障的发生及其强度，可以在体外直接调节、控制，不需要打开油箱。通过装置预设的脉冲电流信号端口，可采用脉冲电流法同步检测装置的局放水平，以此来同步衡量其他带电局放检测量值。装置实物图如图5-33所示。

利用该装置可采用脉冲电流法、超声波法、特高频法、高频法、暂态对地电压法，在各种不同部位，内嵌、外置同步进行检测，可以详细比较不同程度的局放故障在不同检测方式和不同检测位置上的表现；同时应用底部预装变压器油加热装置，模拟不同温度对变压器局放故障特征的影响。

图5-33 西湖电子研究所电力变压器故障模拟实验装置图

电力变压器故障模拟实验装置主要由模拟变压器本体、故障模拟系统、故障检测系统三部分组成。系统框架如图5-34所示。

图5-34 西湖电子研究所电力变压器故障模拟实验装置系统框图

模拟变压器本体参考电力变压器相关功能组件构成，主要由铁心、绕组、油箱、绝缘套管、储油柜等各部分组成，采用单相单绕组结构设计，绕组采用饼式绕法，电压等级为110kV，容量为20～50kW，本体局放量小于20pC。

变压器油箱起冷却与绝缘作用，采用标准变压器油箱外壳，全封闭结构设计，外部预留相关传感器、检测单元透明窗，透明窗外侧装有活动屏蔽层。绝缘套管采用110kV套管，安装在油箱顶部，对变压器起到支撑与绝缘的作用。套管内油路与油箱之间完全隔离，套管末屏采用极板结构，可作为脉冲电流信号口。油箱顶部装有储油柜，当变压器油的体积随着油的温度膨胀或减小时，储油柜起着调节油量，保证变压器油箱内经常充满油的作用。油箱内预置了一套变压器加热装置，用于模拟不同温度对变压器故障的影响，尤其是对变压器局放故障的影响。其他辅助装置包括温度计、底部移动装置、接地板等部件，用于辅助模拟实验顺利进行。

变压器局放故障模拟类型包括尖端放电、颗粒放电、悬浮放电、气隙放电、沿面放电等。这些局放模拟故障产生在油箱内部，可选择产生在铁心附近、绕组内部或者外部等不同位置，通过外部调节装置直接体外控制局放的产生、消失以及加重，并可根据需要随时控制放电状态。

通过脉冲电流法、特高频法、超声波法、暂态对地电压法、高频法等常用的局放测量方法，可准确获得各种局放类型在不同局放检测平台上的特征谱图与数据，以此测评不同类型的局放仪性能。脉冲电流法可通过预留的脉冲信号采集接口直接采集信号，支持交流局放测量与直流局放测量，检测频率为10～1000kHz，检测灵敏度为0.1pC。特高频法可通过油箱外部预留的透明视窗采集特高频信号，并支持内置特高频传感器，检测频率为300～1500MHz，检测灵敏度为0.5pC。超声波法可通过油箱外壳直接采集超声波信号，检测频率为20～200kHz，检测灵敏度为10pC。暂态对地电压法可通过油箱外壳直接采集暂态对地电压信号，检测频率为3～100MHz，检测灵敏度为10pC。高频法可通过各接地线采集高频信号，可根据需要改变铁心、绕组、夹件等变压器各部件的接地状态，检测频率为2～30MHz，检测灵敏度为10pC。