学术简报︱气体绝缘开关中表面金属异物长期局部放电稀疏性特征的观测
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学） 、中国电力科学研究院高电压研究所的研究人员张连根、路士杰、李成榕、崔博源、吴昱怡，在2019年第18期《电工技术学报》上撰文指出，气体绝缘开关（GIS）绝缘故障统计数据显示，表面金属异物缺陷在绝缘故障中占比最高，而工程中通过局部放电手段检测到的缺陷多为绝缘件气隙和悬浮放电，少有表面金属异物案例，两者之间的不一致，说明了当前的现场局部放电检测方法对金属异物表面缺陷检测的有效性有待研究。
为此，本文设计GIS绝缘子表面金属异物缺陷，施加恒定电压，基于全实时特高频信号检测系统，研究模型放电的长期发展过程，揭示表面金属异物在长期发展阶段中稀疏性特征，即放电区间分散度大、间隔跨度自数秒至数小时不等。
提出有效放电捕捉概率Pe和有效图谱捕捉概率PG两项评估参数，通过Pe、PG曲线，给出了现有的GIS设备在线监测装置对放电事件捕捉成功率较小（仅有3.4%），以及带电检测得到有效图谱概率较低（仅有6.5%）的事实。在此基础上，提出加强实时采集系统推广和延长检测时长等提高放电检出率的方法。
局部放电既是电气设备绝缘劣化的主要征兆，又是造成绝缘劣化的关键性因素。据统计，截止2015年全国已安装特高频局部放电监测系统1000余套，传感器安装总量超过8万个。局部放电状态检测已经成为气体绝缘开关（Gas Insulated Switch, GIS）等高压电力设备最重要的一项运维手段。
国家电网公司运维检修部2010～2013年电网设备状态检测典型案例汇编，GIS设备42例故障统计中，绝缘故障占9例，其中5例故障解体后均发现绝缘子表面有金属异物残留。南方电网公司2013年高压开关运行情况及典型故障分析中，发生绝缘类故障有9起，其中4起均为金属异物附着在绝缘子表面导致的闪络。
案例统计说明，表面金属异物附着引起的绝缘故障在GIS设备绝缘故障中占比非常可观，而近年来的在线监测工程实践表明，通过局部放电特高频检测手段在现场检出的GIS缺陷案例，多数属于绝缘件气隙和悬浮放电，而少有表面金属异物放电案例。
故障案例统计结果与现场局部放电检出结果之间的不一致，说明当前现场所用的局部放电特高频检测策略对于表面金属异物检测的有效性存在可疑处。对于GIS表面金属异物，在长期放电发展过程中，当前局部放电带电检测或在线监测手段能否有效检出，已经成为困扰电网运检部门的瓶颈问题。
为此，本文设计了GIS绝缘子表面金属铝条的缺陷模型，长时间施加恒定电压，基于全实时长记录采集系统对模型放电的特高频信号进行了长期不间断记录，揭示了表面金属异物缺陷在恒压应力下的长期放电现象和特征。分析了GIS设备现场局部放电检测装置和检测流程对表面金属异物检出的不足之处，提出了提高检测有效性的方法。
图1 测试回路示意图
图2 实验腔体侧视图
图3 实验模型设置
1）GIS绝缘子表面金属异物缺陷在长期恒压条件下会出现稀疏放电现象，有效放电时间占比仅有4.3%，且放电区间间隔不固定，分散性大，间隔时间自数秒至数小时不等，应加强特高频实时采集系统的现场推广，提高对稀疏偶发放电的捕捉能力。
2）当前工程现场局部放电特高频在线监测和带电检测策略，缺乏对表面金属异物缺陷稀疏放电特征的考虑，导致两种运维方式对表面金属异物缺陷检出率低。在线监测的检测策略（1s内有10次放电记为有效事件）对放电事件捕捉成功率仅有3.4%，带电检测所规定的30s统计时间内，形成有效图谱概率PG仅有6.5%。
3）针对在线监测系统，应延长放电事件判断的统计时长，统计时长在210s时，放电事件捕捉概率可提高至75%。针对带电检测方式，延长带电检测时间为50s时，放电事件捕捉概率可提高至49.68%，并且提高对稀疏性放电的重视，对发现的稀疏性放电点，应重点检测，延长该点测试时间至30min，有效图谱测试概率PG可提高至75%。
4）缺陷尺寸对长周期放电特性的影响中，对放电起始阶段的放电特征（持续时间、放电次数）影响较大，而对放电发展阶段的放电特征（te、ts、tz区间占比、Pe与PG）影响幅度较小。绝缘子表面金属颗粒在长周期放电中呈现的稀疏性特征受颗粒尺寸影响较小。