GIS故障檢測(cè)新方法研究

葉淳錚

(福建省鴻山熱電有限責(zé)任公司，福建 石獅 362712)

1 引言

GIS設(shè)備與敞開式輸變電設(shè)備相比，具有占地面積和空間小、安裝快、受外界環(huán)境干擾小、運(yùn)行安全可靠、利于環(huán)境保護(hù)、維護(hù)工作量少、檢修周期長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)［1－2］。

隨著設(shè)備服役時(shí)間的增長(zhǎng)及新GIS設(shè)備的不斷投運(yùn)，GIS設(shè)備的故障次數(shù)呈逐步上升趨勢(shì)。對(duì)運(yùn)行中GIS設(shè)備的絕緣性能進(jìn)行跟蹤檢測(cè)是進(jìn)行GIS狀態(tài)檢修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要手段。

影響GIS設(shè)備絕緣狀況的主要因素有:氣室內(nèi)導(dǎo)電體上和金屬外殼上的異常突起;氣室內(nèi)自由金屬顆粒;固體絕緣內(nèi)部的空隙和缺陷;電動(dòng)和機(jī)械力造成的氣室內(nèi)零配件的松動(dòng);SF6氣體中含有水份等。

局部放電是反映絕緣缺陷的有效手段，局放發(fā)生時(shí)伴隨有物理的、化學(xué)的、光的、電以及磁的效應(yīng)。從原理上講，上述任何一種現(xiàn)象都可以用來揭示局部放電現(xiàn)象［3］。

本文主要介紹UHF、TEV以及X-ray三種新興的GIS局放監(jiān)測(cè)方法。

2 UHF檢測(cè)

英國(guó)Strathclyde大學(xué)提出的超高頻法目前已經(jīng)應(yīng)用到GIS生產(chǎn)和運(yùn)行中，它是一種利用超高頻頻率信號(hào)進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)的方法。在超高頻法中傳感器并非起耦合的作用，而是接收超高頻信號(hào)的天線，所以超高頻法的原理與脈沖電流法是不同的。GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，由于放電點(diǎn)處電荷的迅速轉(zhuǎn)移，形成持續(xù)時(shí)間很短的電流脈沖(ns級(jí))，并產(chǎn)生頻率分量極其豐富的電磁信號(hào)(高達(dá)GHz)，通過傳感局部放電所產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行局部放電檢測(cè)，有可能實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度，并能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期的的局部放電。UHF檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

局部放電電信號(hào)傳感面臨的關(guān)鍵困難是電磁干擾問題。GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)要求在GIS運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)條件下進(jìn)行檢測(cè)，由于電暈放電等原因，現(xiàn)場(chǎng)條件下存在大量的電磁干擾信號(hào)，尤其常規(guī)局部放電檢測(cè)所使用的頻段(幾十kHz～幾百kHz)，干擾信號(hào)的強(qiáng)度有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所要檢測(cè)的局部放電信號(hào)，使得局部放電檢測(cè)的電信號(hào)傳感器無法實(shí)現(xiàn)。GIS局部放電檢測(cè)的超高頻傳感方法正是針對(duì)抗電磁干擾問題提出的，并在超高頻頻段內(nèi)選擇合適的頻段進(jìn)行局部放電的電信號(hào)傳感。

GIS運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的干擾源主要有:架空線和變電站母線上的電暈放電，導(dǎo)體接觸不良產(chǎn)生的電弧放電，站內(nèi)可控硅產(chǎn)生的強(qiáng)電脈沖，其他設(shè)備內(nèi)部的放電，無線電波，載波通訊，系統(tǒng)內(nèi)開關(guān)動(dòng)作等。研究表明，這些干擾主要集中在300MHz以下頻段。雖然也存在超高頻干擾信號(hào)，由于傳播路徑上衰減很快，并且很容易被屏蔽，因此一般不能到達(dá)GIS。相比之下，GIS的同軸結(jié)構(gòu)是一個(gè)良好的波導(dǎo)，其內(nèi)部的局部放電輻射出的超高頻電磁波可在內(nèi)部有效地傳播，因此，選擇超高頻段的電磁信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)，可以避開常規(guī)電氣測(cè)試方法中難以識(shí)別的電系統(tǒng)中干擾，顯著提高了局部放電檢測(cè)的信噪比。

GIS局部放電超高頻傳感器的特點(diǎn)如下:a)超高頻頻段信號(hào)傳感，避開了電網(wǎng)中主要電磁干擾的頻率，具有良好的抗電磁干擾能力;b)局部放電的電磁信號(hào)傳感，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的檢測(cè)靈敏度;c)根據(jù)電磁脈沖信號(hào)的衰減和時(shí)差，可進(jìn)行故障定位;d)根據(jù)放電脈沖的波形特征和超高頻信號(hào)的頻譜特征，可進(jìn)行故障診斷;e)超高頻傳感器的有效檢測(cè)范圍大，檢測(cè)點(diǎn)少，檢測(cè)效率高，適用于自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng);鑒于超高頻傳感的上述特點(diǎn)，近年來這種方式受到了廣泛的重視和研究，已成為GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)的主要傳感方式，并得到了實(shí)際的應(yīng)用。

超高頻法最主要的優(yōu)點(diǎn)是:高靈敏度，并能通過放電源到不同傳感器的時(shí)間差對(duì)放電源進(jìn)行精確定位。它對(duì)傳感器的采集精度和寬帶要求很高，因此造價(jià)較高。該方法的進(jìn)一步研究方向?yàn)樘岣呖垢蓴_性能以及實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別和故障診斷。

圖1 UHFGIS檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 TEV檢測(cè)

高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，放電量往往先聚集在與接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位，形成對(duì)地電流在設(shè)備表面金屬上傳播如圖2所示。對(duì)于內(nèi)部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，屏蔽連續(xù)時(shí)在設(shè)備外部無法檢測(cè)到放電信號(hào)，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續(xù)，局部放電的高頻信號(hào)會(huì)由此傳輸?shù)皆O(shè)備屏蔽外殼。因此，局部放電產(chǎn)生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關(guān)的襯墊傳出，并沿著設(shè)備金屬箱體外表面繼續(xù)傳播，同時(shí)對(duì)地產(chǎn)生一定的暫態(tài)電壓脈沖信號(hào)，該信號(hào)即為暫態(tài)對(duì)地電壓(TEV)。

圖2 TEV檢測(cè)原理

目前，TEV(Transient Earth Voltage)技術(shù)已應(yīng)用于開關(guān)柜局部放電檢測(cè)。TEV便攜式設(shè)備已由英國(guó)EA Technology公司推出，并在國(guó)內(nèi)外電力企業(yè)中獲得了強(qiáng)有力的推廣。通過TEV便攜式設(shè)備診斷絕緣劣化過程及絕緣故障的有效性已得到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的證明。

英國(guó)EA Technology公司研制的TEV系列局部放電檢測(cè)儀，其產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外某些電力公司開始使用。

國(guó)內(nèi)的孫西方等人成功應(yīng)用EA公司研制的TEV檢測(cè)儀在某變電站10kV開關(guān)室內(nèi)測(cè)量到局部放電TEV信號(hào)，并用PDL1實(shí)現(xiàn)定位，定位結(jié)果顯示放電位置位于該開關(guān)柜后面板左下側(cè)。在設(shè)備停電維修時(shí)確認(rèn)該開關(guān)柜存在局部放電故障，并且開關(guān)柜后面板左下側(cè)C相電纜頭螺絲松動(dòng)從而導(dǎo)致了局部放電。維修中緊固螺絲后再次進(jìn)行通電測(cè)試，TEV信號(hào)大大減弱，故障順利排除，表明TEV檢測(cè)法可有效的發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜的局部放電故障。

何肖軍、徐志斌等人在某變電站使用Ultra TEV Plus檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)某3563開關(guān)柜局部放電數(shù)值達(dá)到了63dB，用PDL1定位后發(fā)現(xiàn)放電點(diǎn)位于該3563開關(guān)柜與3563線路避雷器開關(guān)柜中間母排C相的位置，打開開關(guān)柜檢查發(fā)現(xiàn)，兩開關(guān)柜中間C相母排處均壓環(huán)有局部放電，停電檢修后故障順利排除。

國(guó)內(nèi)某變電站開關(guān)室常規(guī)巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)35kV ZS3.2開關(guān)柜附近有異常聲響，但很難判斷出具體位置及是否放電引起。經(jīng)PDL檢測(cè)發(fā)現(xiàn)整個(gè)35kV開關(guān)室背景分貝值較高，而柜內(nèi)穿板套管處為最高，經(jīng)初步確定為柜內(nèi)穿板套管內(nèi)放電產(chǎn)生異聲。后經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)的確是穿板套管內(nèi)均壓環(huán)彈簧因接觸不良產(chǎn)生放電。

目前，國(guó)外部分供電企業(yè)也開始使用超聲法以及TEV法進(jìn)行局部放電監(jiān)測(cè)。新加坡電網(wǎng)公司應(yīng)用PDM03以及MiniTEV實(shí)現(xiàn)局部放電檢測(cè)的實(shí)踐證明:通過該系統(tǒng)可以有效的檢測(cè)出開關(guān)柜內(nèi)局部放電:如電纜接頭部位局部放電，內(nèi)部CT放電等，特別是對(duì)于肉眼難以發(fā)現(xiàn)的早期故障的發(fā)現(xiàn)有較好的效果。澳大利亞、英國(guó)等國(guó)家電網(wǎng)公司也在TEV檢測(cè)方面進(jìn)行了較多的實(shí)踐。

在GIS局放檢測(cè)方面，研究發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)備外殼內(nèi)外表面感應(yīng)的電荷有一固定的比例，其產(chǎn)生的TEV信號(hào)與原始的放電電流有較強(qiáng)的相似性，而且這種設(shè)備外部的信號(hào)可以通過特制的電容型局放傳感器獲取出來。從而提供了一種新的對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行不產(chǎn)生任何干擾的局部放電檢測(cè)技術(shù)?；赥EV技術(shù)的局部放電傳感器通常利用其頭部的金屬電極與GIS或開關(guān)柜的外殼形成小電容。局部放電引起的電磁波信號(hào)通過小電容耦合到檢波電容上，再經(jīng)放大降噪后檢測(cè)出來。這種方法檢測(cè)頻帶可以達(dá)到1～25MHz，并可以達(dá)到較高的檢測(cè)靈敏度。

綜上，TEV檢測(cè)主要開關(guān)設(shè)備缺陷檢測(cè)中應(yīng)用，使用TEV進(jìn)行GIS絕緣缺陷檢測(cè)的研究仍較少，具有良好的發(fā)展前景。

4 X-ray檢測(cè)

工業(yè)用X射線成像原理和我們通常在醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)見到的拍片、CT、安檢系統(tǒng)工作原理一樣。X射線在穿透不同的物體時(shí)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而強(qiáng)度變化，感光材料(膠片、IP板、DR板)接受到該強(qiáng)度變化信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)處理形成我們常見的影像如圖3所示。通常，用于GIS檢測(cè)的一套完整的檢測(cè)系統(tǒng)包括:射線源(ERESCO 65 MF4，300KV)、IP板(軟)或DR板(DXR250V)、CR掃描儀(DR不需要)、Rhythm工作站(圖像顯示系統(tǒng)含圖像處理分析軟件)Rhythm Workstations including Rhythm Software、X 光機(jī)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)支架、移動(dòng)工作站(車)等［4－5］。

圖3 X數(shù)字成像原理

研究X射線對(duì)SF6氣體的影響是采用X射線對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的前提，通用電氣采用加拿大SF6DPD型SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)儀，精度為 ±0.1μL/L，對(duì)樣品氣體和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行X射線照射，經(jīng)氣體成分測(cè)定，X射線沒有導(dǎo)致GIS設(shè)備SF6氣體的分解。

高的信噪比和高的對(duì)比度是圖像質(zhì)量最核心的技術(shù)指標(biāo)。他們直接影響結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的分辨和故障的發(fā)現(xiàn)能力。2008年以前，CR、DR技術(shù)應(yīng)用受到局限的主要因素就是受上述兩指標(biāo)的綜合影響，圖像質(zhì)量達(dá)不到某些應(yīng)用的高要求。當(dāng)前技術(shù)能達(dá)到的最佳指標(biāo):信噪比:9級(jí);對(duì)比度:9級(jí)。(視被檢材料的變化而不同)。完全能和傳統(tǒng)膠片的圖像媲美。

2010年，某供電局GIS發(fā)生故障，由GIS生產(chǎn)廠家來現(xiàn)場(chǎng)更換后，無法用常規(guī)手段檢查維修效果，故進(jìn)行CR透視，圖4(a)是合格產(chǎn)品，圖4(b)是修復(fù)后的產(chǎn)品。經(jīng)比較，見圖中紅框部分，修復(fù)后產(chǎn)品中彈簧明顯錯(cuò)位，判為修復(fù)不合格，需重新處理。本檢驗(yàn)充分證明了X射線方法的有效性。

目前該方法的主要研究方向?yàn)檫M(jìn)一步縮小設(shè)備體積，同時(shí)降低設(shè)備成本。

圖4 X-ray故障檢測(cè)圖像

5 結(jié)論

對(duì)三種新興的GIS絕緣缺陷故障監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了介紹，對(duì)比分析了不同監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了不同方法的研究方向。

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［5］ X射線數(shù)字成像技術(shù)，GE公司研發(fā)部.