2023气体绝缘金属封闭开关设备用盆式绝缘子绝缘缺陷的陡波冲击检测规范.doc

气体绝缘金属封闭开关设备用盆式绝缘子绝缘缺陷的陡波冲击检测规范目次前言II1 范围12 规范性引用文件13 术语和定义14 盆式绝缘子绝缘缺陷的陡波冲击检测方法15 被试品可能出现的典型绝缘缺陷类型3附录 A（规范性附录）陡波冲击试验盆式绝缘子组件安装要求4附录 B（资料性附录）冲击电压波前时间对绝缘子绝缘缺陷放电特性的影响6附录 C（资料性附录）试验电压幅值的选取依据8附录 D（资料性附录）预期电压值计算方法9附录 E （资料性附录）陡波冲击试验对冲击电压发生器技术参数要求及电压施加方式10附录 F （资料性附录）一种内置式陡波测量传感器安装方式及抗干扰措施12I气体绝缘金属封闭开关设备用盆式绝缘子绝缘缺陷的陡波冲击检测规范1 范围本标准规定了气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，简称 GIS）用盆式绝缘子工厂检验时陡波冲击试验方法、波形参数要求、试验电压的产生和测量等。GIS 其它绝缘件绝缘缺陷检测也可参考本标准。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2900.12-2008电工术语 避雷器、低压电涌保护器及元件GB 7674-2008额定电压 72.5 kV 及以上气体绝缘金属封闭开关设备GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求GB/T 12022-2014工业六氟化硫GB/T 16927.1-2011高电压试验技术 第一部分：一般定义及试验要求DL/T 617-2010气体绝缘金属封闭开关设备技术条件NB/T 42105-2016高压交流气体绝缘金属封闭开关设备用盆式绝缘子3 术语和定义GB/T 2900.12-2008、GB 7674-2008、GB/T 16927.1-2011、DL/T 617-2010、NB/T 42105-2016 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3. 1陡波冲击 steep impulse波前时间小于0.84 s、波尾时间为50 s ± 20%的双指数冲击电压。3.2盆式绝缘子组件 basin insulator subassembly包含盆式绝缘子、绝缘子两侧的屏蔽罩、部分母线和外壳。3.3单组件 single subassembly盆式绝缘子数量为1个的盆式绝缘子组件。3.4多组件 multiple subassemblies盆式绝缘子数量不少于2个的盆式绝缘子组件，且盆式绝缘子凹凸面方向一致排列。4 盆式绝缘子绝缘缺陷的陡波冲击检测方法4.1 一般要求GB/T 11022-2011 的 6.2.1 适用，对于 GIS 的绝缘试验，不需要施加大气校正系数。以盆式绝缘子组件为被检测试品，试品应擦拭干净，完全安装好后并充入符合 GB 12022-2014 新13的 SF6，气体密度应保持在试品实际运行时最低工作限值。在满足波形参数的要求下，为提高试验效率，可对多个盆式绝缘子组件同时进行耐压试验。4.2 特殊要求为保证与安装完好GIS中盆式绝缘子等效的电场分布，盆式绝缘子组件中的母线长度有一定要求（参见附录A）。单组件进行试验时，母线伸出屏蔽罩的长度不少于100 mm；多组件进行试验时，母线伸出屏蔽罩的长度不少于150 mm。4.3 试验电压4.3.1 试验电压的波形陡波冲击试验采用波前时间0.4 0.7 s范围的陡波冲击电压，相对过冲幅值不超过10%。冲击电压的波前时间对GIS盆式绝缘子绝缘特性的影响较大，参见附录B。4.3.2 试验电压幅值按DL/T 6172010中9.8.17的有关规定。出厂试验中陡波冲击电压幅值为盆式绝缘子的额定雷电冲击耐受电压，一般选择正偏差3%。试验 电压幅值的选取依据参见附录C。注：可根据设备实际情况和用户要求，适当调整施加电压幅值。表 1 陡波冲击试验电压值设备的额定电压 Ur/kV（有效值）出厂试验中陡波冲击电压 Up/kV（峰值）（1）（2）72.5325126550252105036311755501550800210011002400冲击电压作用下，试品的击穿可能发生在冲击电压波前、波峰或波尾。当击穿发生在波峰或波尾 时，放电电压取记录波形的最大值，此时记录波形最大值等于预期电压值；当击穿发生在波前时，记 录波形的最大值为击穿点的电压值，并不能反映预期电压值，应通过充电电压和效率计算获得预期电 压值，预期电压计算方法参见附录D。4.4 试验程序4.4.1 程序的选择陡波冲击试验应在工频电压试验和局部放电试验前进行。因盆式绝缘子安装到GIS间隔后还会进行正负极性各3次的出厂冲击试验，因此，盆式绝缘子组件 陡波冲击试验次数为正负极性各2次。相邻两次冲击需适当增加加压时间间隔，避免出现跟随现象而影响试验结果，推荐间隔时间不少 于5 min。4.4.2 陡波冲击电压的产生和测量陡波冲击电压通常由冲击电压发生器产生，可采用两种形式将冲击电压施加在被试品上。一种是 采用立式冲击电压发生器，冲击电压经高压引线和GIS套管施加在被试品上；另一种是采用金属封闭式冲击电压发生器，通过阻抗变换转接装置将发生器与试验工装对接，将冲击电压施加在被试品上。 陡波冲击试验对冲击电压发生器技术参数要求及电压施加方式参见附录E。测量系统应满足陡波冲击测量的要求，测量系统的误差应不大于3%，方波响应时间不大于100ns， 且测量系统应有较完善的抗干扰措施。附录F给出了一种内置式陡波测量传感器安装方式及抗干扰措施。4.4.3 试验电压的施加规定的试验电压应施加到盆式绝缘子组件高压导体和外壳之间。按照下列程序加压：a) 在50%70%的试验电压下进行试验回路的电压波形调整；b) 在80%的试验电压下加压一次进行试验设备的效率核准；c) 若试验设备的波形和效率都满足试验要求，对试品连续施加2次100%的陡波冲击试验电压。正负极性转换时异极性残余电荷对放电电压影响较大，更换电压极性后应在50%试验电压值进行一次试验。4.4.4 试验判据a) 如盆式绝缘子均已按选定的试验程序耐受规定的试验电压而未发生破坏性放电，则认为盆式绝 缘子组件通过试验；b) 在试验过程中如果发生击穿放电，则应观察盆式绝缘子表面闪络痕迹，对缺陷类型进行诊断。5 被试品可能出现的典型绝缘缺陷类型主要包含以下典型缺陷类型：a) 盆式绝缘子结构不合理；b) 屏蔽罩设计不合理；c) 绝缘件制造缺陷（如绝缘子裂纹、气泡、金属嵌件与绝缘子界面缺陷等）。 若试验中发生放电，需解体根据放电痕迹对缺陷类型进行判断。附录 A（规范性附录）陡波冲击试验盆式绝缘子组件安装要求在满足波形参数的要求下，试品可为单个盆式绝缘子组件，或者多个盆式绝缘子组件。为保证与 安装完好GIS中盆式绝缘子等效的电场分布，盆式绝缘子组件的母线长度有一定要求。A.1 单组件试验单个盆式绝缘子组件进行试验时布置如图A.1所示。高压屏蔽罩母线ll外壳盆式绝缘子图A.1 单个盆式绝缘子组件进行试验时布置A.2给出了母线长度l对单个绝缘子组件表面电场最大值的影响。绝缘子母线及罐体的长度l对绝缘子凹、凸面电场最大值基本没有影响，对屏蔽罩表面电场最大值影响较大：随着母线及罐体长度的增大，绝缘子屏蔽罩表面电场最大值逐渐增大，在l 100mm之后电场最大值趋于稳定。这是因为屏蔽罩的直径大于母线，母线长度越短屏蔽罩表面的电场线就越均匀；当母线伸出屏蔽罩的长度增大时， 电场线在屏蔽罩端部被压缩，因而屏蔽罩表面电场最大值增大；当母线长度进一步增大时，屏蔽罩端部的电场线不再受到远处母线长度变化的影响，故而电场分布不再变化。因此，母线伸出屏蔽罩的长度至少为100mm，才能保证绝缘子沿面电场分布与工况相同。凹-屏屏屏凹-绝绝绝凸-屏屏屏凸-绝绝绝30Emax( kV/mm)201000100200Dl (mm)300400A.2 多组件试验图A.2 母线长度l 对单个绝缘子组件表面电场最大值的影响多个盆式绝缘子组件进行试验时布置如图A.4所示，盆式绝缘子凹凸面沿一个方向布置。盆式绝缘子外壳高压屏蔽罩母线l图A.3 多个盆式绝缘子组件进行试验布置图 A.4 给出了母线长度l 对 3 个绝缘子及其屏蔽罩表面电场最大值的影响。随着母线及罐体长度l 的增大，绝缘子屏蔽罩表面电场最大值逐渐增大，在l 150 mm 之后电场最大值趋于稳定。这是因为该结构中，绝缘子试样的屏蔽罩可以对均匀相邻试样的电场分布，降低系统绝缘子表面电场最大值； 当绝缘子试样之间间隔变大时，相邻绝缘子屏蔽罩之间的屏蔽作用变小，故而绝缘子沿面电场最大值增大；当绝缘子之间距离进一步增大时，绝缘子之间的影响可以忽略不计。因此，母线伸出屏蔽罩的长度至少为 150mm，才能保证绝缘子沿面电场分布与工况相同。凹-屏屏屏凹-绝绝绝凸-屏屏屏凸-绝绝绝30Emax( kV/mm)20100050100150Dl (mm)200250图A.4 母线长度l 对 3 个绝缘子及其屏蔽罩表面电场最大值的影响附录 B（资料性附录）冲击电压波前时间对绝缘子绝缘缺陷放电特性的影响图 B.1 给出了 126 kV GIS 缺陷盆式绝缘子 50%闪络电压电压随冲击电压波前时间变化曲线。由图可知，冲击电压波前时间对 GIS 绝缘子的绝缘特性影响较大，盆式绝缘子存在绝缘缺陷时闪络电压随波前时间增加而升高。图 B.1 126 kV GIS 缺陷盆式绝缘子闪络电压-波前时间曲线图 B.2 给出了不同气压下 72.5 kV GIS 支柱绝缘子存在绝缘缺陷时闪络电压与波前时间的关系，发现闪络电压随冲击电压波前时间呈下凹“U”型变化趋势，在“U”型曲线左半支，绝缘子闪络电压随着波 前时间增大而降低，在“U”型曲线右半支，绝缘子闪络电压随着波前时间增大而升高。当 0.4 s< Tf <0.7 s 时，不同气压下放电电压几乎均处于最小值，此时冲击试验对绝缘子缺陷的检测有效性最高。图B.2 72.5 kV GIS 缺陷支柱绝缘子闪络电压-波前时间曲线图 B.3 给出了 0.4 倍缩比的 220kV GIS 盆式绝缘子嵌件三结合点存在结构性缺陷时在陡波冲击下的放电现象。在金属嵌件和绝缘子三结合点处存在气隙缺陷时，0.4 MPa 压力下，标准雷电冲击 380 kV 绝缘无放电和闪络发生，如图 B.4。标准雷电波下，盆式绝缘子末端屏蔽电极对地 50%放电电压约 410 kV，如图 B.5。在波头时间 120 ns 时，盆式绝缘子凸面在陡波冲击下发生闪络，冲击电压幅度 380 kV， 如图 B.6。说明在陡波冲击下，三结合点处的裂纹缺陷更容易引发绝缘子闪络，即陡波冲击对嵌件处的裂纹缺陷具有更好的检测效果。图 B.3 0.4 倍缩比的 220 kV GIS 盆式绝缘子陡波冲击放电图图 B.4 380kV 雷电冲击下，无放电和闪络发生图 B.5 409kV 雷电冲击下，末端屏蔽电极对外壳放电图 B.6 380kV 陡波冲击下，绝缘子凸面发生闪络附录 C（资料性附录）试验电压幅值的选取依据图 C.1 为无缺陷绝缘子在冲击电压下闪络的伏-秒特性，正负极性冲击电压下，闪络电压随放电时延减小而升高。因此，陡波冲击试验采用与标准雷电相同的试验电压幅值时，并不会对无缺陷的绝缘 子造成额外的绝缘威胁。(a) 负极性(b) 正极性图 C.1 绝缘子在冲击电压下闪络的伏-秒特性附录 D（资料性附录） 预期电压值计算方法冲击电压作用下，试品的击穿可能发生在冲击电压波前、波峰或波尾。当击穿发生在波峰或波尾 时，放电电压取记录波形的最大值，此时记录波形最大值等于预期电压值，如图 D.1(a)所示；当击穿发生在波前时，记录波形的最大值为击穿点的电压值，并不能反映预期电压值，如图 D.1(b)所示。此时，可通过两种方法获得其预期电压。一种方法是通过发生器效率估算输出电压预期值 UP。当放电回路参数一定时，发生器输出效率也是确定的，其可通过非击穿实验数据获得。假设冲击电压发生装置每级充电电压为 UL，级数为 N， 非击穿输出电压峰值为 Uo，则发生器输出效率可通过下式获得：h = Uo / NUL（D.1）因此可通过每次实验充电级电压 UL 和输出效率计算出预期电压值。另一种方法是通过击穿点电压值和放电时延反推预期电压值。对于双指数冲击电压，其波形参数 可通过下式表示：PU (t) = U (e-a t - e-b t )（D.2）其中，a、b 为反映波形情况的特征参数。将击穿点对应放电时延 tb、放电电压 U(tb)代入式（D.2） 可得电压预期值 UP。预期电压值才可真实反映不同波形参数冲击电压对绝缘缺陷检测的有效性，故本文除 V-t 特性曲线的绘制采用放电电压 Ub 外，其他未作明确说明放电电压值均为的预期电压值，此处放电电压指间隙放生破坏性放电的击穿电压。(a) 波峰或波尾击穿(b) 波前击穿图D.1 放电电压与预期电压取值说明附录 E（资料性附录）陡波冲击试验对冲击电压发生器技术参数要求及电压施加方式E.1 陡波冲击试验对冲击电压发生器技术参数要求LCt陡波冲击试验电压可由满足试验波形参数要求的陡波冲击电压发生器产生，并通过 GIS 套管或母线引入。由于陡波冲击波形参数具有快前沿的特点，一般要求电压发生装置具有低电感、试验回路尽 量紧凑等要求，这是因为，以双指数冲击电压的产生为例，波前时间受回路电感限制，冲击电压波前 时间 Tf 决定于回路电感 L 和负载电容 Ct，当回路处于临界阻尼状态时，Tf 可由公式（E.1）求得：Tf = 4.66（E.1）传统敞开式冲击电压发生器的本体电感在百H 左右，当电压等级更高时，其本体电感更大，很难产生满足要求的试验电压波形。由式 E.1 可得不同回路电感下，满足陡波冲击电压波形参范围 0.4 0.7 s 时可带负载范围，如表E.1 所示。表 F.1 不同回路电感下，满足陡波冲击电压波形参范围时可带负载范围回路电感 L (H)波前时间 Tf (s)负载电容量 Ct (pF)100.4 0.7737 225620368 112830246 75240184 56450147 45160123 37670105 3228092 2829082 25110074 226E.2 电压施加方式试验电压可通过GIS套管或母线对接方式引入。对于立式冲击电压发生器，适用套管作为电压引入方式的，在套管后直接接入试验盆式绝缘子，见图E.1；对于金属封闭式冲击电压发生器，适用母线 对接方式，可通过阻抗变换转接装置将发生器与试验工装对接，见图E.2。 高压引线立式冲击电压发生器GIS套管 被试盆式绝缘子组件图 E.1 套管引入方式示意图金属封闭式冲击电压发生器被试盆式绝缘子组件阻抗变换转接装置图E.2 母线对接方式示意图其中，采用套管引入方式时，由于高压引线与套管会增加回路电感，可能会造成波形不达标问题。 此时可采取两种解决办法：a) 采用本体电感低的立式冲击电压发生器，如紧凑型气体绝缘冲击电压发生器；b) 采用冲击电压陡化技术，在立式冲击电压发生器与试品间增加中储能电容和陡化间隙，用于 冲击电压波前时间的陡化。使用立式冲击电压发生器连接陡化装置的结构，通过陡化将冲击电压波输出的冲击电压进行陡化， 其放电回路如图 E.3 所示。图中：C1 为冲击电压发生器主电容，L1 为冲击电压发生器总回路电感，R1 为调波电阻，Cp 和 Ct 分别为中储能电容和试品电容。图E.3 陡波冲击电压等效回路陡化间隙击穿瞬间，中储能电容Cp迅速释放存储的能量，从而产生陡波冲击电压的陡前沿部分。由于冲击电压发生器回路存在固有电感L1，在陡前沿波产生过程中起到瞬时隔离冲击电压源的作用， 使得波前部分主要由图E.3中实线所示的回路2决定，而波尾则由虚线所示的回路1决定。图E.3中回路2 的等效电路图如图E.4所示，其中R为回路等值电阻，包括调波电阻R1和陡化间隙击穿时的火花通道电阻；L为回路等值电感，包括R1的固有电感和火花通道电感。图E.4 陡波冲击电压波前等效电路因为增加了陡化间隙，陡波冲击电压波前部分放电等效回路更紧凑，波前时间仅受限于新构成的 回路等值电感L，与未加陡化间隙时的回路相比，电感值降低，有利于陡波冲击的产生。但此技术波形参数调节较为复杂，需要中储能电容、陡化间隙结构参数、回路电感等参数相配合。附录 F（资料性附录）一种内置式陡波测量传感器安装方式及抗干扰措施蓄电池信号电缆数字示波器内置陡波测量传感器逆变器同轴积分器屏蔽箱测量系统应有较完善的抗干扰措施，采取的主要措施有：电源滤波器、隔离变压器或蓄电池供电、 抑制电缆的共模干扰以及屏蔽等。图F.1是一种内置式陡波测量传感器安装方式及抗干扰措施。图 F.1 内置式陡波测量传感器安装方式及抗干扰措施