GIS超聲波局部放電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用分析

王萬(wàn)寶 李永寧 周迎新 楊琦欣 綦 巍

（濟(jì)南供電公司，濟(jì)南 250023）

氣體絕緣金屬封閉組合電器（GIS）具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝工作量小、檢修周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。但GIS在投入運(yùn)行后，缺乏有效的維護(hù)手段，一旦發(fā)生事故，危害后果比分離式敞開(kāi)設(shè)備嚴(yán)重的多，其中絕緣故障類(lèi)最多[2-4]。故障檢修周期長(zhǎng)，修復(fù)復(fù)雜，因此對(duì)GIS的維護(hù)相當(dāng)重要。根據(jù)CIGRE聯(lián)合工作組33/23.12對(duì)GIS設(shè)備調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)，通過(guò)有效試驗(yàn)，可以避免的故障為60%，GIS的故障率可降低至小于0.1%（即每千個(gè)間隔，每年一次故障）[5]。局部放電是GIS絕緣劣化的征兆和表現(xiàn)方式，又是絕緣進(jìn)一步劣化的原因，所以開(kāi)展局放測(cè)試是診斷GIS早期絕緣狀況的重要手段[6]。

超聲波法作為目前現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)較為有效的方法，但缺少現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)。本文主要分析超聲波法在新安裝GIS交接試驗(yàn)及故障處理中的實(shí)際應(yīng)用研究。分析研究在GIS交流耐壓試驗(yàn)時(shí)開(kāi)展超聲波局部放電測(cè)試應(yīng)根據(jù)GIS的不同結(jié)構(gòu)形式來(lái)選擇試驗(yàn)電壓值和加壓時(shí)間；以懸浮缺陷為例，通過(guò)對(duì)GIS故障設(shè)備解體檢查以驗(yàn)證超聲波法試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析判斷及定位的準(zhǔn)確性。

1 超聲波局放檢測(cè)原理

在GIS內(nèi)部發(fā)生局放時(shí)，產(chǎn)生的電荷在中和過(guò)程會(huì)激發(fā)較陡的電流脈沖，使得放電局部區(qū)域瞬間受熱而膨脹，放電結(jié)束后膨脹區(qū)域會(huì)縮回原來(lái)體積。這種由于局部放電產(chǎn)生的體積變化引起了介質(zhì)的疏密瞬間變化，形成超聲波[7]，以彈性波的形式釋放出能量。

根據(jù)聲波的傳播特性，采用超聲傳感器在20～100kHz的工作頻段，接收以橫波形式傳輸?shù)酵鈿ど系姆烹娦盘?hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，用帶通濾波器完成信號(hào)濾波，再經(jīng)過(guò)再放大、檢波、平滑濾波、產(chǎn)生跟蹤濾波線路輸出頂部的信號(hào)、接收來(lái)自包絡(luò)線發(fā)生器的信號(hào)來(lái)完成峰值、頻率分量等檢測(cè)。具體檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 超聲波局部放電檢測(cè)原理

2 GIS交流耐壓試驗(yàn)時(shí)超聲波局放測(cè)量

GIS現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)?zāi)苡行У貦z查內(nèi)部導(dǎo)電微粒的存在、絕緣子表面污染、電場(chǎng)嚴(yán)重畸變程度等故障。但現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，交流耐壓試驗(yàn)?zāi)軝z測(cè)出使GIS的實(shí)際耐受電壓降低到耐壓值以下的缺陷，且僅對(duì)GIS內(nèi)部存留的導(dǎo)電顆粒特別敏感，并不能徹底發(fā)現(xiàn)并消除GIS設(shè)備中的某些微小缺陷，如GIS中固體絕緣材料內(nèi)部的微小缺陷、導(dǎo)體接觸不良等[8]。這些微小缺陷產(chǎn)生的局部放電在短時(shí)存在并不影響到電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，但在正常運(yùn)行電壓下不斷發(fā)生放電，這些微弱的放電就會(huì)產(chǎn)生積累效應(yīng)會(huì)使絕緣的介電性能逐漸劣化并使局部缺陷擴(kuò)大，最后導(dǎo)致整個(gè)絕緣擊穿。因此采用超聲波法測(cè)試GIS局放可作為GIS設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)的一種補(bǔ)充，不僅可以有效地檢測(cè)出隱藏在設(shè)備內(nèi)部的絕緣弱點(diǎn)或生產(chǎn)過(guò)程中造成的缺陷，而且可以準(zhǔn)確地判斷試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生非自恢復(fù)放電或擊穿故障的確切部位。

GIS交流耐壓試驗(yàn)程序分為“老練凈化”和耐壓試驗(yàn)兩個(gè)階段，加壓順序?yàn)楣ぷ髯畲笙嚯妷骸⑾到y(tǒng)運(yùn)行最高電壓和耐壓試驗(yàn)電壓值[1]。要在GIS交流耐壓試驗(yàn)時(shí)開(kāi)展超聲波局部放電測(cè)試應(yīng)根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)形式來(lái)選擇試驗(yàn)電壓值和加壓時(shí)間。GIS結(jié)構(gòu)形式分為三相共箱和三相分箱兩種。

對(duì)于大多數(shù)110kVGIS、220kVGIS母線為三相共箱結(jié)構(gòu)型式。從絕緣設(shè)計(jì)及絕緣配合目的來(lái)說(shuō)，除考慮各種過(guò)電壓外，應(yīng)考慮持續(xù)工頻電壓對(duì)絕緣的影響，代表性的持續(xù)工頻電壓等于系統(tǒng)最高電壓Us。絕緣結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中，要求必須能夠長(zhǎng)期連續(xù)的運(yùn)行在工頻最高運(yùn)行電壓[2]。對(duì)絕緣配合程序，最重要參考電壓是設(shè)備最高電壓Um，且Um≥Us[9]。因此三相共箱式GIS應(yīng)選擇試驗(yàn)電壓為系統(tǒng)運(yùn)行最高工作電壓Us。在此階段的交流耐壓可認(rèn)為考察GIS相間的絕緣水平，與實(shí)際運(yùn)行情況相近，此時(shí)所測(cè)的局部放電信號(hào)特性也比較明顯，其局放水平可作為GIS在運(yùn)行狀態(tài)下的局放水平檢測(cè)的參考。由于交流耐壓試驗(yàn)使介質(zhì)發(fā)生破壞性放電的電壓值可以用交流電壓峰值來(lái)表示[10]，以110kVGIS為例，即155.5kV，系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓（126.5kV）低于破壞性放電的電壓值（155.5kV），所以在系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓時(shí)屬非破壞性試驗(yàn)，建議適當(dāng)延長(zhǎng)在系統(tǒng)最高電壓下的耐壓時(shí)間，加強(qiáng)局放檢測(cè)密度。

對(duì)于 220kV GIS斷路器三相分箱的結(jié)構(gòu)形式，主要考察GIS相對(duì)地的絕緣狀況。如果帶母線（多為三相共箱）進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，斷路器等三相分箱的GIS承受不了系統(tǒng)最高運(yùn)行交流電壓，因此對(duì)三相分箱的GIS 應(yīng)以工作最大相電壓為準(zhǔn)，即在“老練凈化”階段進(jìn)行局放測(cè)試。此時(shí)進(jìn)行超聲波檢測(cè)可能會(huì)檢測(cè)到較強(qiáng)的局部放電信號(hào)，但多是金屬毛刺等微小顆粒在灼燒過(guò)程中的放電，應(yīng)延長(zhǎng)局部放電測(cè)試時(shí)間，可延長(zhǎng)至1～2h以更準(zhǔn)確的認(rèn)定該信號(hào)是否是設(shè)備存在缺陷故障。對(duì)于三相共箱的母線在此電壓下與GIS實(shí)際運(yùn)行環(huán)境相差較大，所施電壓可能未達(dá)到某些局放的起始電壓，并不能代表設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的局部放電水平。

在耐壓試驗(yàn)階段時(shí)如果發(fā)現(xiàn)在老練階段未發(fā)現(xiàn)的局部放電信號(hào)，但通過(guò)了交流耐壓試驗(yàn)，可認(rèn)為絕緣合格。因?yàn)镚IS設(shè)備運(yùn)行電壓只在瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)有可能達(dá)到耐壓值，即使存在該電壓下的局部放電，因其放電能量很小，它的短時(shí)存在不會(huì)影響到設(shè)備電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度。同時(shí)由于1min交流耐壓試驗(yàn)本身會(huì)損壞絕緣，所以耐壓試驗(yàn)階段不宜多次或延長(zhǎng)耐壓時(shí)間進(jìn)行超聲波局放檢測(cè)。

超聲波法局放測(cè)試點(diǎn)應(yīng)選擇斷路器斷口處、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘、電流互感器、電壓互感器、避雷器、導(dǎo)體連接部件等處的氣室側(cè)下方，認(rèn)真觀察不同部位的超聲信號(hào)在連續(xù)模式下的有效值、峰值、及工頻和兩倍工頻的調(diào)制強(qiáng)弱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下可認(rèn)定信號(hào)的有效值及峰值小于 5mV且50Hz/100Hz相關(guān)性較弱時(shí)，GIS設(shè)備內(nèi)部不存在絕緣微小缺陷；當(dāng)信號(hào)的有效值及峰值超過(guò)20mV或出現(xiàn)明顯的50Hz/100Hz調(diào)制相關(guān)性時(shí)，說(shuō)明設(shè)備內(nèi)部存在某種絕緣缺陷，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的不同特征進(jìn)行故障定位排查。

在現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓條件下進(jìn)行超聲波局放測(cè)試，彌補(bǔ)交流耐壓試驗(yàn)的不足。它可以有效地判斷GIS中的絕緣水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部缺陷，為GIS設(shè)備在投運(yùn)后的安全運(yùn)行提供了行之有效的保障。

3 GIS運(yùn)行環(huán)境下超聲局放測(cè)量

目前濟(jì)南供電公司運(yùn)用挪威AIA型GIS內(nèi)部故障與局放分析定位儀積極開(kāi)展運(yùn)行GIS設(shè)備的局放普查。普查結(jié)果證明GIS在運(yùn)行環(huán)境下存在局部放電的機(jī)率遠(yuǎn)高于設(shè)備安裝及擴(kuò)建時(shí)的機(jī)率。普查中發(fā)現(xiàn)的缺陷均是因懸浮放電造成的，可見(jiàn)懸浮屏蔽類(lèi)型缺陷在GIS設(shè)備故障中占比重相當(dāng)高?，F(xiàn)將GIS中典型懸浮屏蔽缺陷局部放電的超聲波信號(hào)檢測(cè)、故障定位、故障診斷過(guò)程做詳細(xì)分析，并通過(guò)對(duì)GIS設(shè)備解體檢查來(lái)驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析判斷及定位的準(zhǔn)確性。

某110kV變電站進(jìn)行巡視過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)101高壓斷路器在運(yùn)行中聲音增大，隨即展開(kāi)超聲波測(cè)試：GIS背景噪聲為2mV，放大器40dB，測(cè)量帶寬為 10～100kHz。采用基于信號(hào)幅值變化法進(jìn)行超聲波法定位：首先將傳感器接近于初估聲源處（101開(kāi)關(guān) A相機(jī)構(gòu)連桿處）測(cè)量數(shù)據(jù)為約500mV；然后將傳感器位置至于在A相下法蘭處，采集到的超聲信號(hào)幅值接近750mV，當(dāng)傳感器至于A相其他位置時(shí)均比法蘭處信號(hào)幅值低。測(cè)量B相相同位置的超聲信號(hào)幅值為15mV，再測(cè)量C相相同位置的超聲信號(hào)幅值為6mV?？梢?jiàn)當(dāng)傳感器位置越偏離A相法蘭處，采集到的信號(hào)水平越微弱，可定位故障存在于101開(kāi)關(guān)A相法蘭處。記錄該處在連續(xù)模式和相位模式下檢測(cè)到的超聲波局放信號(hào)如圖2和圖3所示。

圖2 連續(xù)模式下局放信號(hào)

圖3 相位模式下局放信號(hào)

主要從以下6個(gè)方面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)超聲波信號(hào)進(jìn)行分析：①信號(hào)在連續(xù)模式下幅值：從圖2可以看出，局放信號(hào)的有效值達(dá)到120mV，峰值接近720 mV，峰值因數(shù)為6。其有效值和峰值明顯增大，說(shuō)明內(nèi)部存在較大的放電；②50Hz和100Hz信號(hào)調(diào)制相關(guān)性：信號(hào)與100Hz相關(guān)性強(qiáng)烈，與50Hz相關(guān)性較弱，Vf2/Vf1≈2，放電信號(hào)主要表現(xiàn)為倍工頻周期信號(hào)，說(shuō)明在高壓作用下某處因松動(dòng)、開(kāi)路等產(chǎn)生震動(dòng)信號(hào)，存在懸浮故障；③相位模式信號(hào)：一個(gè)周期內(nèi)會(huì)有兩簇較集中的信號(hào)聚集點(diǎn)，工頻信號(hào)正負(fù)半周均能檢測(cè)到放電信號(hào)；從幅值與相位的關(guān)系分析，放電脈沖點(diǎn)陣主要集中分布在接近峰值的相位上，說(shuō)明內(nèi)部存在由于松動(dòng)或接觸不良形成的耦合電容引起懸浮電位，當(dāng)電壓超過(guò)電容的耐壓值時(shí)發(fā)生大規(guī)模放電；④濾波器的頻段相應(yīng)情況：選用50kHz時(shí)，采集信號(hào)數(shù)值略有下降，與100kHz時(shí)相比較，其幅值變化不大。超聲波信號(hào)在不同介質(zhì)中傳播特性是在帶電導(dǎo)體、金屬外殼上由于介質(zhì)吸收效應(yīng)導(dǎo)致高頻信號(hào)衰減較小，在環(huán)氧樹(shù)脂絕緣中對(duì)信號(hào)有高吸收性[16]。所以測(cè)的信號(hào)高頻分量衰減不大，說(shuō)明放電位置靠近導(dǎo)電體；⑤測(cè)試點(diǎn)的分布情況：放電衰減范圍分布面積較大，也符合導(dǎo)電體放電的傳播特征；⑥放電現(xiàn)象是間歇式的，約間隔20～50s，放電持續(xù)30～90s左右。綜上所述，可確定101開(kāi)關(guān)A相法蘭處內(nèi)部存在松動(dòng)或開(kāi)路放電現(xiàn)象。

經(jīng)停電解體檢修，發(fā)現(xiàn)斷路器上部瓷套法蘭內(nèi)部CT引線絕緣均壓環(huán)松動(dòng)，均壓環(huán)形成溝槽且絕緣部位已經(jīng)存在嚴(yán)重電蝕磨損如圖4、圖5所示。

圖4 導(dǎo)管電蝕嚴(yán)重

圖5 導(dǎo)管均壓環(huán)懸浮放電形成的溝槽

正是由于CT引線均壓環(huán)松動(dòng)，與引線導(dǎo)桿耦合出一個(gè)電容，導(dǎo)致容性放電。更換均壓環(huán)后，跟蹤測(cè)試均無(wú)異常。

該案例驗(yàn)證了根據(jù)超聲信號(hào)幅值增減變化可很好地對(duì)放電點(diǎn)定位，并且根據(jù)超聲波局放信號(hào)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、故障定位及故障類(lèi)型判斷的正確性。實(shí)踐證明超聲波法局放檢測(cè)是診斷 GIS絕緣狀況的有效手段。

4 結(jié)論

本文在介紹GIS局部放電檢測(cè)方法原理的基礎(chǔ)上，分析了超聲波法在新安裝GIS交接試驗(yàn)中的實(shí)際應(yīng)用，提出應(yīng)根據(jù)GIS結(jié)構(gòu)形式來(lái)確定交流耐壓下開(kāi)展局部放電測(cè)試的試驗(yàn)電壓和時(shí)間，加強(qiáng)局放測(cè)試密度，有效彌補(bǔ)了交流耐壓試驗(yàn)的不足；分析了典型懸浮放電缺陷的超聲波信號(hào)檢測(cè)、定位、故障診斷過(guò)程，通過(guò)對(duì)GIS故障設(shè)備解體檢查驗(yàn)證了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析判斷及定位的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明采用超聲波局放測(cè)量能夠?qū)IS設(shè)備進(jìn)行有效、靈敏的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備的有效管理，更好的保障電網(wǎng)安全運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)成功經(jīng)驗(yàn)為GIS設(shè)備超聲檢測(cè)技術(shù)的推廣和缺陷診斷提供了一定借鑒作用。

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