GIS 絕緣故障的監(jiān)測(cè)與診斷

雷國(guó)忠

(重慶市電力公司江北供電局，重慶401147)

0 引言

GIS由于具有占地面積和空間小、運(yùn)行安全可靠、SF6斷路器開(kāi)斷性能好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)入城市負(fù)荷中心的變電站得到廣泛應(yīng)用。

GIS是指以SF6作為絕緣介質(zhì)的氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，也稱為封閉式組合電器和氣體絕緣變電站。它是將變電站中除變壓器外的電氣設(shè)備，包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線(三相或單相)、連接管和過(guò)渡元件(SF6——電纜頭、SF6——空氣套管、SF6——油套管)等全部封閉在一個(gè)接地的金屬外殼內(nèi)，殼內(nèi)充以0.34～0.4MPa的SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)。

通常GIS的內(nèi)部故障以絕緣故障的比例為多，且后果嚴(yán)重。絕緣故障產(chǎn)生的原因一般有以下幾種:(1)固體絕緣材料，如環(huán)氧樹(shù)脂的澆鑄件內(nèi)部缺陷損傷造成;(2)由于制造工藝不良，滑動(dòng)部分磨損，觸頭燒損和安裝不慎等因素，在GIS內(nèi)部殘留的金屬屑末(或稱導(dǎo)電微粒)引起的放電;(3)高壓導(dǎo)體表面的突出物(由于偶然因素遺留在導(dǎo)體表面造成的高場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn))引發(fā)的電暈放電;(4)由于觸頭接觸不良，金屬屏蔽罩固定處接觸不良造成浮電位而引發(fā)重復(fù)的火花放電。

針對(duì) GIS的內(nèi)部絕緣故障，采用電氣、機(jī)械振動(dòng)、干擾分析與抑制、特高頻，可使局部放電四種方法得到更好監(jiān)測(cè)，從而對(duì)GIS在運(yùn)行中存在的一些不利因素有了更科學(xué)的認(rèn)識(shí)和解決方式，使GIS的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

1 電氣法監(jiān)測(cè)局部放電

1.1 外復(fù)電極法

在GIS外殼上敷絕緣薄膜與金屬電極，將外殼與金屬電極形成的小電容作為拾取信號(hào)的耦合器(其原理結(jié)構(gòu)如圖1)，局部放電引起的脈沖信號(hào)通過(guò)小電容耦合到監(jiān)測(cè)阻抗上，經(jīng)放大后被監(jiān)測(cè)出來(lái)。小電容和監(jiān)測(cè)阻抗對(duì)低頻信號(hào)還起到隔離作用。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為GIS內(nèi)的局部放電將在導(dǎo)電桿及外殼上產(chǎn)生流動(dòng)波。由于集膚效應(yīng)，在開(kāi)始階段流動(dòng)波只能在外殼內(nèi)壁流動(dòng)，只有當(dāng)流動(dòng)波達(dá)到外殼不連續(xù)處(如盆式絕緣子)時(shí)，才能泄露到外殼表面。通過(guò)電容測(cè)量到的信號(hào)是泄露的流動(dòng)波所產(chǎn)生的電壓差。

這種方法由于監(jiān)測(cè)阻抗一端接電容，另一端接地，形成一個(gè)大環(huán)路，易受外界電磁干擾。改進(jìn)的方法是將兩個(gè)電容傳感器分別置于絕緣子兩側(cè)，信號(hào)取自絕緣子兩側(cè)。在此情況下，信號(hào)電路環(huán)繞的空間面積很小，電磁干擾顯著減弱。改進(jìn)后的監(jiān)測(cè)頻也從0.1～1MHz提高為20～40MHz，現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)靈敏從改進(jìn)前的500pC提高為100～200pC。

圖1 外復(fù)電極法原理圖

1.2 內(nèi)部電極法

該法是將GIS法蘭稍加改造，在法蘭內(nèi)部加裝金屬電極與外殼形成電容，以此電容傳感器提取局部放電的脈沖信號(hào)。當(dāng)采用兩個(gè)電容傳感器(如圖2所示)時(shí)即可定位。定位原理系采用信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間差確定。據(jù)稱定位準(zhǔn)確度可達(dá)100mm，局部放電的監(jiān)測(cè)靈敏度可達(dá)7pC。

另一種內(nèi)電極法是在盆式絕緣子內(nèi)的靠近接地端子處先埋設(shè)一個(gè)電極，如圖3所示。我國(guó)華通開(kāi)關(guān)廠生產(chǎn)的GIS盆式絕緣子即預(yù)埋有內(nèi)電極。此法靈敏度高，當(dāng)采取抗干擾措施時(shí)，可監(jiān)測(cè)出5pC的局部放電量。由于GIS通常是多處接地，因此不宜采用從外殼接地線上檢測(cè)脈沖電流的方法來(lái)測(cè)量局部放電。放電量的標(biāo)定需在停電離線條件下，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7354-2000有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

圖2 內(nèi)部電極法原理圖

圖3 預(yù)期內(nèi)電極法原理圖

2 機(jī)械振動(dòng)法監(jiān)測(cè)局部放電

在GIS中通過(guò)SF6傳播的聲波為縱波。其在GIS中的傳播速度很慢，約為油中傳播速度的1/10，僅為140m/s。它的衰減也大，當(dāng)溫度為20～28℃，測(cè)量頻率為40kHz，衰減為26dB/m，且與頻率的1～2次方成正比。

縱波在鋼中傳播速度較快，為6000m/s橫波的傳播速度較慢，約為縱波的一半，而且衰減也小?？v波和橫波的衰減隨著頻率增高而增大，但比在SF6中的衰減要小。與變壓器油相比，由于聲阻抗不匹配而造成的界面衰減，從SF6傳到鋼板要比從油中傳到鋼板造成的衰減大得多。因此，從GIS外殼上測(cè)得的聲波，往往是沿金屬材料最近的方向傳到金屬體后，以橫波形式傳播到傳感器的。局部放電產(chǎn)生的聲波頻率譜分布很廣，約為10～107Hz。

監(jiān)測(cè)到的聲波頻譜隨不同的電氣設(shè)備、放電狀態(tài)、傳播媒質(zhì)以及環(huán)境條件而不同。在GIS中，由于高頻分量在傳播中都衰減掉了，能監(jiān)測(cè)到的聲波含低頻分量比較豐富。在GIS中，除局部放電產(chǎn)生的聲波外，還有導(dǎo)電微粒碰撞金屬外殼、電磁振動(dòng)以及操作引起的機(jī)械振動(dòng)等發(fā)出的聲波，但這些聲波的頻率較低，一般都在10kHz以下。

綜上所述，因局部放電產(chǎn)生的聲波傳到金屬外殼和金屬微粒撞擊外殼引起的外殼機(jī)械振動(dòng)的頻率大約在數(shù)千到數(shù)十千赫之間。為去除其他的聲源的干擾，監(jiān)測(cè)頻率一般選為1～20kHz，由于測(cè)量頻率比較低，傳感器采用加速度傳感器，可比測(cè)超聲的聲發(fā)射傳感器有更高的靈敏度。例如，常用的自振頻率為30kHz左右的壓電式加速度傳感器，可測(cè)到低至150m/s2的加速度值。

圖4 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖4是壓電晶體產(chǎn)生的電荷與所受的壓力F成正比，F(xiàn)由質(zhì)量塊M的慣性力產(chǎn)生，再根據(jù)牛頓定律F=ma，可知輸出電荷Q正比于傳感器的加速度。壓電式加速度傳感器的靈敏度S是一個(gè)重要參數(shù)。質(zhì)量塊的質(zhì)量m越大，S越高，但質(zhì)量越大，傳感器的自振頻率f0越小。一般允許工作頻率為自振頻率的1/3，這也是加速度傳感器的一個(gè)重要參數(shù)。

加速度傳感器的輸出電荷量很小。一般應(yīng)用高放大倍數(shù)的電荷放大器放大以輸出較高的電壓。電荷放大器用于微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)，最主要參數(shù)為噪聲水平，它決定了所能測(cè)到的最小加速度值。圖5是測(cè)得的有局部放電時(shí)加速度傳感器的波形圖，圖中波形顯示為重復(fù)的突發(fā)性震蕩波形，每半個(gè)工頻周期放電一次，所用低通濾波器為30kHz。

圖5 GIS內(nèi)局部放電時(shí)外殼上測(cè)得的加速度波形圖

加速度傳感器的安裝和監(jiān)測(cè)變壓器局部放電的聲發(fā)射傳感器相同?？稍趥鞲衅黝^部裝設(shè)磁性吸座，利用磁性可將傳感器吸附在GIS外殼的待測(cè)位置上，將輸出端接電荷放大器。當(dāng)然也可做成一體化的傳感/放大器。此外，也可用超聲傳感器監(jiān)測(cè)局部放電。

聲測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)電磁干擾。由于信號(hào)在GIS中有相當(dāng)高的衰減，用一個(gè)傳感器有可能給出放電源的大致位置，而用兩個(gè)傳感器的時(shí)間差可能找到在1cm內(nèi)的準(zhǔn)確定位。根據(jù)波形特征可進(jìn)行放電的模式識(shí)別。例如自由金屬微粒在GIS外殼底部蹦跳和撞擊引起的振動(dòng)信號(hào)不僅和工頻相位不相關(guān)，而且可依據(jù)它的峰值因數(shù)(幅值和有效值之比)、碰撞率以及起飛和下降電壓之比等參數(shù)來(lái)推斷粒子的形狀和它的運(yùn)動(dòng)方式。聲測(cè)法的缺點(diǎn)是由于信號(hào)衰減嚴(yán)重，不適用于固定安裝的永久性裝置，因?yàn)檫@樣需要的傳感器太多，另一缺點(diǎn)是難以對(duì)放電量進(jìn)行標(biāo)定。

3 絕緣故障的診斷

3.1 閾值診斷

將監(jiān)測(cè)到的局部放電的加速度信號(hào)或電信號(hào)的振幅與歷史數(shù)據(jù)或同類設(shè)備比較，以判斷是否有故障及故障的嚴(yán)重程度。若是電信號(hào)，則通過(guò)放電量的標(biāo)定還可作出定量判斷。

3.2 時(shí)域波形診斷

根據(jù)局部放電信號(hào)出現(xiàn)時(shí)的工頻相位來(lái)診斷放電的類型。若是固體絕緣內(nèi)部缺陷發(fā)生局部放電，則放電信號(hào)(電信號(hào)或加速度波)出現(xiàn)在工頻電壓上升和下降部位，和工頻電壓基本同期。浮電位放電和它類似。若是GIS內(nèi)SF6的電暈放電，放電信號(hào)也和工頻同期，一般發(fā)生在峰值附近，且放電在工頻周期的負(fù)半周出現(xiàn)，負(fù)半周的信號(hào)比正半周強(qiáng)。對(duì)于導(dǎo)電微粒的跳動(dòng)，由于它的質(zhì)量，因而不與供品周期同步，故與工頻電壓相位無(wú)直接關(guān)系，一般為幾十毫秒上下跳動(dòng)一次，故信號(hào)的出現(xiàn)是隨機(jī)的。

3.3 頻率特性診斷

可將圖6所示不同故障時(shí)的振動(dòng)頻譜分布于測(cè)得的加速度波的頻譜比較。

3.4 指紋診斷

將震動(dòng)的時(shí)域波形每隔一段時(shí)間作頻譜分析，由此得到多個(gè)(不同時(shí)間)幅值-頻率譜圖，從而構(gòu)成了幅值、時(shí)間、頻率的三維譜圖。以此作為診斷依據(jù)，也可用局部放電的電信號(hào)構(gòu)成的相位、放電量、放電次數(shù)的三維圖進(jìn)行診斷。

圖6 GIS外殼振動(dòng)的頻譜

3.5 故障定位

3.5.1 信號(hào)的幅度差法

在GIS不同位置裝設(shè)若干傳感器，傳感器輸出的信號(hào)幅度隨其與故障點(diǎn)距離的不同而強(qiáng)弱各異，比較信號(hào)幅度的大小來(lái)判斷故障位置。但機(jī)械振動(dòng)在金屬內(nèi)衰減慢，而波又有反射現(xiàn)象，使判斷難度加大，圖7所示為表示微振動(dòng)信號(hào)沿26M長(zhǎng)管道的傳播情況。試驗(yàn)用了4個(gè)傳感器，三條折線代表了三種不同規(guī)格鋁屑產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)。由圖7可見(jiàn)，信號(hào)只在10～18M段有顯著的衰減。這是因?yàn)樵谠摱蝺?nèi)裝有一個(gè)盆式絕緣子。試驗(yàn)表明，鋁伸縮器也可使信號(hào)衰減90%。

圖7 振動(dòng)信號(hào)沿金屬管道的傳播(水平線為噪聲水平)

3.5.2 信號(hào)的時(shí)間差法

電力變壓器局部放電用的聲電聯(lián)合定位法，即為信號(hào)的時(shí)間差法。電信號(hào)也可不單獨(dú)監(jiān)測(cè)，而利用放電時(shí)，電磁干擾在加速度傳感器的電氣檢測(cè)回路中產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)，將該信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間作為參考點(diǎn)。聲波的橫波在外殼中傳播速度約為3000m/s，若測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為100μs，則定位距離的誤差為300mm。

4 干擾的分析與抑制

在實(shí)驗(yàn)室中，用電氣法或振動(dòng)法檢測(cè)GIS內(nèi)部的局部放電時(shí)，靈敏度可高達(dá)幾十皮庫(kù)甚至十皮庫(kù)以下。但在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，由于電磁干擾和機(jī)械噪音嚴(yán)重而使靈敏度顯著降低，甚至無(wú)法監(jiān)測(cè)。為此需對(duì)存在的各種干擾進(jìn)行分析和抑制。圖8所示是現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的幅頻特性，縱坐標(biāo)是相對(duì)的噪聲強(qiáng)度，虛線表示檢測(cè)到的GIS內(nèi)部局部放電信號(hào)的強(qiáng)度。由圖8可知，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)宜選用1.5～5MHz的帶通濾波。圖9所示則是在更高頻段的現(xiàn)場(chǎng)噪聲。

圖8 局部放電和干擾信號(hào)的幅頻特性

圖9 電磁干擾信號(hào)的幅頻特性

由圖9可知，在30～80MHz頻段，特別是60～80MHz頻段的噪聲較低，選擇監(jiān)測(cè)頻帶時(shí)，還應(yīng)避開(kāi)廣播頻帶(中波段為0.5～1.6MHz，短波段為2.3～25MHz，調(diào)頻段為88～108MHz)。對(duì)77～550kV 10個(gè)不同噪聲環(huán)境的變電所進(jìn)行測(cè)試，認(rèn)為環(huán)境條件差別大，而電壓登記、設(shè)備種類差別小。噪聲水平按晨、晝、夜依次增強(qiáng)，但均在平均值的±5DB(±44%)范圍內(nèi)變化。該公司還對(duì)這10個(gè)變電所的機(jī)械噪聲進(jìn)行研究，得出:噪聲平均值為40dB。從頻率分布看，5～20KHz頻段有強(qiáng)噪聲，比20KHz以上強(qiáng)100～200%。在20KHz以上，噪聲隨頻率增加而逐步衰減。對(duì)不同電壓等級(jí)、不同設(shè)備的機(jī)械噪聲的測(cè)量表明，噪聲水平的規(guī)律性不強(qiáng)。在77～550kV 44種不同設(shè)備中，按噪聲水平高低排列前幾名的順序如下:550kV電流互感器，550kV斷路器，77kV斷路器，550kV隔離開(kāi)關(guān)，77kV母線，275kV斷路器，77kV電壓互感器。

對(duì)電磁干擾信號(hào)的抑制一般采取屏蔽，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一點(diǎn)接地，差動(dòng)放大，選用信噪比高的監(jiān)測(cè)頻帶(采用帶通濾波器)及軟件上進(jìn)行信號(hào)處理(例如域平均技術(shù))等措施。抑制機(jī)械噪聲可選用合適的監(jiān)測(cè)頻帶以及時(shí)域平均技術(shù)等。

5 GIS絕緣故障檢查技術(shù)的應(yīng)用

目前GIS全封閉組合電器都只有反映各氣室SF6氣體的壓力表計(jì)，對(duì)于內(nèi)部絕緣故障由于SF6氣體被分解而引發(fā)的對(duì)外殼放電均無(wú)法監(jiān)測(cè)到。上述絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，恰恰彌補(bǔ)了這樣的缺陷。

絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)已在重慶市電力公司江北供電局110kV龍壩變電站、桂花街變電站、黃茅坪變電站的GIS設(shè)備上得到了應(yīng)用，從應(yīng)用到現(xiàn)在所得到的數(shù)據(jù)和結(jié)果表明，它提高了GIS設(shè)備運(yùn)行的可靠性，它可以做到及時(shí)發(fā)出警報(bào)，必要時(shí)動(dòng)作于跳閘信號(hào)，從保護(hù)設(shè)備和資產(chǎn)的角度說(shuō)，它能提高一定的經(jīng)濟(jì)效益。其在絕緣故障的診斷上也是比較突出的。

［1］錢(qián)家驪.GIS內(nèi)部絕緣故障在線監(jiān)測(cè)述評(píng)［J］.電器技術(shù)，1990，(1).

［2］李修斌，張節(jié)容.SF6高壓電器和氣體介質(zhì)變電站［R］.北京:華北電力試驗(yàn)研究院，1988.

［3］GB/T7354-2000，局部放電測(cè)量［S］.

［4］錢(qián)家驪，沈力，劉衛(wèi)東，等.GIS的殼體振動(dòng)現(xiàn)象及其檢測(cè)［J］.高壓電器，1990，(6).

［5］劉衛(wèi)東，錢(qián)家驪.GIS內(nèi)部局部放電的高頻檢測(cè)［J］.電器技術(shù)，1993，(4).