局部放电对GIS盆式绝缘子绝缘劣化程度的评估研究_彭勇.pdf

2023年第41卷第2期局部放电对GIS盆式绝缘子绝缘劣化程度的评估研究彭勇1，张利1，汤会增2，王榕泰3，李鹏洋3，刘岳1，王会琳1（1.国网河南省电力公司超高压公司，郑州450007；2.国网河南省电力公司直流中心，郑州450007；3.武汉理工大学自动化学院，武汉430070）0引言近十年来随着电网的不断发展，气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Swithear，GIS）用量逐年增加。据统计，20122016年，GIS装用量从29 927间隔增长到 57 157 间隔，年均增长率超过 15%1。以国网宁夏电力有限公司为例，截至2019年初，在运的110 kV及以上电压等级的GIS（HGIS）设备约占公司在运断路器的45%，宁夏电网的各类主设备故障率逐年降低，但GIS设备故障率逐年增加2；近几年变电设备故障中330 kV及以上GIS设备故障跳闸情况占比近41%，故障率为0.18次/（百间隔 年），摘要：为了及时发现气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Swithear，GIS）放电故障，通过分析GIS设备的典型局部放电检测方法的数据特点，依据模糊综合评价法原理，选取能够反映GIS设备运行状态的检测数据作为评估指标，建立GIS盆式绝缘子的状态评估模型，分析局部放电检测方法；根据相关技术规范对评估指标进行归一化，分析指标数据特征；选择三角形与半梯形组合隶属度函数，运用层次分析法确定评估指标的权重向量集，选择加权平均型算子进行模糊合成，最终实现对GIS盆式绝缘子的状态评估。最后通过实例验证了该评估方法的有效性和实用性。关键词：GIS；盆式绝缘子；状态评估；模糊综合评价法；局部放电；绝缘劣化文献标志码：A中图分类号：TM216；TM595文章编号：1008-6218（2023）02-0037-08doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0023基金项目 国网河南省电力公司科技项目“超特高压GIS设备状态评估及智能运检技术研究”（5217M021N003）Abstract：Inordertofindthefaultofthedischargeofgasinsulatedswithear(GIS),thispaperanalyzesthedatacharacteristics of the typical partial discharge(PD)detection method of GIS equipment,and based on the principle of fuzzycomprehensive evaluation method,the paper selects the detection data that can reflect the running status of GIS equipmentas the evaluation indicators.The state evaluation model of GIS basin insulator is established,and the partial dischargedetection method is analyzed.According to the relevant technical specifications,the evaluation index is normalized,theindex data characteristics are analyzed and the triangular and semitrapezoidal combination membership function is selected,the analytic hierarchy process(AHP)is used to determine the weight vector set of the evaluation index,the weighted averageoperator is selected for fuzzy synthesis,and the status evaluation of GIS basin insulator is finally realized.An example isgiven to verify the effectiveness and practicality of this method.Key words：GIS;basin insulator;status evaluation;fuzzy comprehensive evaluation method;partial discharge;insulationdeteriorationResearch on Evaluation of Insulation Deterioration of GIS Basin InsulatorsCaused by Partial DischargePENG Yong1,ZHANG Li1,TANG Huizeng2,WANG Rongtai3,LI Pengyang3,LIU Yue1,WANG Huilin1（1.State Grid Henan Electric Power Company Ultrahigh Voltage Company,Zhengzhou450007,China;2.DC Center of State Grid Henan Electric Power Company,Zhengzhou450007,China;3.School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan430070,China）内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER372023年第41卷第2期内 蒙 古 电 力 技 术故障原因包括异物放电、装配安装工艺不良、组部件缺陷等3。由此可见，GIS设备的运行可靠性亟须提高。研究发现4-10，局部放电（简称局放）是GIS设备最常见的绝缘故障，产生局放的原因有很多，不同原因产生的局放所造成的后果不同，以盆式绝缘子为例，有些缺陷会使盆式绝缘子发生沿面闪络，劣化其绝缘性能；严重缺陷甚至会使盆式绝缘子烧毁、断裂。目前对GIS局放研究主要集中在关键部位的仿真分析、故障识别和状态评估几个方面。通常运用仿真软件或搭建实验平台，对GIS关键部位的电场、磁场、温度场等进行仿真研究。文献11建立盆式绝缘子三维有限元模型开展电场、温度场、应力场的解耦运算，应用RBF神经网络获得盆式绝缘子的最优结构参数；文献12建立多物理场耦合的绝缘裕度计算模型，提出紧凑化原则，并设计出一种体积小、环保的330 kV三相共箱GIS母线；文献13通过仿真研究与实验验证，证明了单个盆式绝缘子对于特高频信号的衰减程度可达到-3 dB，且绝缘子数量与衰减程度成正比关系；文献14运用有限元分析对盆式绝缘子进行电热耦合仿真研究，获得盆式绝缘子电场分布和盆式绝缘子的发热曲线。在故障诊断方面，通常依据GIS检测数据或实验数据，实现GIS设备放电缺陷类型的识别或放电故障部位的定位15-17。文献15运用决策树算法实现依据 SF6气体分解产物识别不同类型的局部放电；文献16提出一种基于局部均值分解（LMD）和长短期记忆神经网络（LSTM）的盆式绝缘子局部放电分类识别方法，并且识别的综合正确率达99.25%；文献17提出一种 SF6酸性分解物检测方法，并与特高频检测数据相结合，得到一种GIS设备局放的绝缘故障诊断方法，可有效判断GIS设备内的潜伏性故障。对于状态评估，目前变电站内设备的状态评估方法有设备评分法、专家系统、综合评价法以及人工智能算法等18-21。如文献18提出了多维度信息融合的变压器故障诊断专家系统，并给出了诊断流程，通过实例验证了该专家系统的可行性和准确性；文献19提出了基于多参量的GIS设备气体绝缘状态评估方法，运用相关向量机算法实现了对GIS绝缘状态的划分；文献21通过选择Hamacher算子进行模糊综合评价，通过实例验证该算子能更加准确地反映最终评估结果。目前很少有研究对GIS盆式绝缘子劣化程度开展状态评估工作，为此本文依据模糊综合评价法原理24，对局放造成的绝缘子绝缘劣化程度进行评估，为GIS状态评估提供可行方法，进而提高GIS运行的可靠性。1盆式绝缘子局放劣化特征与检测特征1.1典型故障类型盆式绝缘子是GIS设备中最薄弱的环节4，图1为GIS盆式绝缘子典型放电故障类型示意图，盆式绝缘子上的自由微粒、绝缘子自身缺陷（气泡或裂纹）、导体或外壳上的毛刺或者突出物等都是造成GIS设备出现放电故障的原因4-9。1.1.1自由金属微粒缺陷盆式绝缘子表面残留金属微粒是GIS常见的绝缘缺陷。单个金属微粒放电不会造成贯穿性的沿面闪络，但会使盆式绝缘子表面聚集电荷，引起局部电场畸变，造成局部放电，为沿面放电提供通道发展所需的电荷，致使放电通道贯穿，造成沿面闪络。这种缺陷对交流耐受电压水平影响较大，但对于雷电冲击电压或者断路器操作产生的冲击电压影响较小，并且对交流耐受电压的影响与金属微粒所处位置相关，越靠近高电位的地方越容易引起局部放电。1.1.2气泡缺陷盆式绝缘子在生产过程中由于生产操作不规范、工艺流程不完善，导致盆式绝缘子在浇注过程中混入微量空气，会在盆式绝缘子内部形成气泡，此缺陷会产生电场畸变。由于环氧树脂介电常数大于空气介电常数，气泡附近会承担较高的电压。研究发现，在交流电压过零点处，气泡的外加电压和气泡内感应电荷所产生的场强同向，此时气泡内部场强会急剧增加，放电程度最为严重，长期运行图1盆式绝缘子典型放电故障类型示意图Fig.1 Schematic diagram of typical discharge failure typesof basin insulators接地外壳导电杆绝缘子内部气泡交界面气隙绝缘子污染盆式绝缘子毛刺毛刺悬浮导电微粒382023年第41卷第2期彭勇，等：局部放电对GIS盆式绝缘子绝缘劣化程度的评估研究过程中可能会导致盆式绝缘子断裂。1.1.3裂纹缺陷盆式绝缘子是由复合材料组成，主要成分为环氧树脂和氧化铝。如果两种组成材料分布不均匀，将使得绝缘子内部产生内应力，形成隐形损伤点，在长时间运行振动力的作用下，损伤点会在盆式绝缘子内部开裂形成裂纹，并向上延伸。当裂纹扩展到盆式绝缘子表面时，靠近绝缘子边缘方向尖端处先行放电。在多次局部放电作用下，裂纹区域会被严重灼伤，随着放电和电弧热所产生的材料热应力不断扩展，诱发表面裂纹继续发展。当裂纹扩展到一定程度时，会产生局部脱落物，最终会损坏盆式绝缘子。1.1.4污秽缺陷因生产、运输或装配过程中出现意外，导致GIS设备内部存在毛发、灰尘等杂质，这些杂质在电场作用下聚集在盆式绝缘子处，并且会在多种力的作用下附着于盆式绝缘子表面形成污秽。表面污秽会导致盆式绝缘子表面电场发生畸变，长期作用下会引发局放，严重时会发生沿面闪络，破坏盆式绝缘子。1.1.5毛刺缺陷由于生产工艺不到位，GIS设备金属部位会出现凸起，这些凸起通常出现在金属外壳内壁或者导体处，凸起会改变其附近的电场分布，使局部场强增高，形成易引起毛刺电晕放电的缺陷。研究表明，在壳体上的毛刺危害性相较于导体上的毛刺危害性小。1.2GIS局放检测特征1.2.1检测方法优缺点现阶段局放检测方法有脉冲电流法、超高频法、超声波法、化学检测法和光检测法，各方法的优缺点如表1所示25。上述五种检测方法是以局放自身产生的现象或者以局放伴随的声现象、光现象和电化学现象等作为依据，通过不同的传感器对局放进行检测，从而得到局放的检测数据。通过比较五种检测方法的优缺点，本文选取超高频法和超声波法两种检测方法的检测数据作为数据来源。1.2.2超高频法局放检测特征超高频法检测仪器能够得到局放的 PRPS 图谱，图谱中包含局放检测的所有信息，如局放幅值、放电次