高壓放電故障檢測

【摘要】高壓電氣設(shè)備如果發(fā)生突發(fā)性故障后果不可估量，應(yīng)當(dāng)重視對電氣設(shè)備故障的檢測。本文分析了國內(nèi)外高壓電氣設(shè)備故障檢測的發(fā)展概況，具體分析了當(dāng)前常用的三種電氣故障檢測技術(shù)——紅外檢測技術(shù)，超聲波檢測技術(shù)和超高頻檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域以及各自的優(yōu)缺點。

【關(guān)鍵詞】高壓電氣設(shè)備故障；紅外檢測技術(shù)；超聲波檢測技術(shù)；超高頻檢測技術(shù)

高壓電氣設(shè)備是電力系統(tǒng)的重要組成部分，更是電氣系統(tǒng)的核心，所以高壓電氣設(shè)備運行狀態(tài)的檢測以及其故障診斷也越來越重要，近年來，我國在電力系統(tǒng)、國防系統(tǒng)、高速電氣化鐵路等領(lǐng)域高速發(fā)展，對電氣設(shè)備的穩(wěn)定性提出了越來越高的要求，同時也受到了國家重點的關(guān)注。

電氣設(shè)備主要的組成材料是導(dǎo)體或絕緣材料，所以電氣設(shè)備的絕緣性是非常關(guān)鍵的。大部分的絕緣材料是有機材料，長期在高壓環(huán)境下運行，受到強電、過熱等影響，這些絕緣材料會逐漸劣化，造成絕緣性能下降，這就有可能引起電氣設(shè)備發(fā)生故障，同時也會大大縮減電氣設(shè)備使用壽命。據(jù)統(tǒng)計，110kv及以上的變壓器的主要事故原因是絕緣性能導(dǎo)致的，對其事故原因進行具體分析，其中因為匝間絕緣導(dǎo)致的事故是43%，由于引線絕緣引起的是23%[1]。

高壓電氣設(shè)備如果發(fā)生故障，往往會造成巨大的損失，后果十分的嚴重。如果高壓電氣設(shè)備如果發(fā)生故障，勢必會引起停電，這對國民生產(chǎn)的損失，以及百姓生活帶來不便會是巨大的。如何去提高電氣設(shè)備的絕緣性能是近年來普遍關(guān)心的問題，一般情況下可以通過如下兩個方面途徑去提升電氣設(shè)備的絕緣性能：一方面是改善電氣設(shè)備的生產(chǎn)工藝，包括運用更好的絕緣材料，更加完善的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，從質(zhì)量上去最大化的避免絕緣性下降，這會造成生產(chǎn)成本的大幅提高，而且無論生產(chǎn)多么完美，電氣設(shè)備總會慢慢的劣化，這是不可能改變的事實，所以改善生產(chǎn)質(zhì)量只能是延長高壓電氣設(shè)備的有限工作時間；二是對設(shè)備進行檢查和維修，降低或減少其發(fā)生故障的次數(shù)，從而保障設(shè)備的可靠運行。

1.國內(nèi)外高壓放電故障檢測發(fā)展?fàn)顩r

我國針對高壓電氣設(shè)備的檢測制度還不夠完善，我國一直采用定期進行絕緣預(yù)防性試驗的這一體系。預(yù)防性試驗一般會在每年的雷雨季節(jié)前進行，如果預(yù)防性試驗的結(jié)果超標，就會針對該設(shè)備安排具體的維修計劃。電力設(shè)備運行規(guī)程由電力部統(tǒng)一規(guī)定頒發(fā)，供電部門需要根據(jù)電力設(shè)備運行規(guī)程按規(guī)定的期限對設(shè)備進行定期的檢修。對變壓器而言，投入運行的主變壓器在每隔5至10年都需要進行一次嚴格的大修[2]，即使沒有超標，為了安全性考慮，只要是到了限定的期限就需要進行修理。

預(yù)防性試驗體系設(shè)備的穩(wěn)定運行發(fā)揮了巨大的作用，但是近年來在實踐中仍存在許多問題。首先，預(yù)防性試驗需要大面積停電，無疑在一定程度上增加了工作安排的難度，且會損失大量的電量。定期的更換部件是浪費資源的做法，因為有可能把仍可以長期運行的良好設(shè)備部件給更換掉，這種盲目的更換設(shè)備部件的做法是不可取的，會造成人力物力的大量浪費，甚至有可能在維修過程中拆卸組裝不當(dāng)，造成設(shè)備的損壞。從技術(shù)上來考慮，這種定期預(yù)防性試驗體系有不能克服的局限性，因為試驗的條件很難完全相同地模擬到設(shè)備常規(guī)運行時的條件，大多數(shù)預(yù)防性試驗是在低壓環(huán)境下模擬運行檢測的，例如在文獻[3]中介紹說介質(zhì)損耗角正切tan是在10KV下測試的，然而設(shè)備的運行電壓要比10KV高，特別是超高壓設(shè)備，工作環(huán)境有很大的不同。同時，我們不能忽視運行時其他因素，如熱效應(yīng)等的影響，這些因素根本沒有辦法在預(yù)防性試驗中完全體現(xiàn)出來，因而定期預(yù)防性試驗有可能檢測不出潛在的故障。

從上面分析可以看出，以往的維修檢測方法多是離線進行的，存在著很多的不足之處。近年來，在線的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)的狀態(tài)維修技術(shù)正在迅速發(fā)展。80年代以來，我國電氣設(shè)備的故障率一直比較高，這是由于工業(yè)發(fā)展迅速，民用供電量的直線上升，高壓電氣設(shè)備長期超負荷運行造成的。所以，十分迫切的需要改善高壓電氣設(shè)備的穩(wěn)定性。隨著電氣設(shè)備在線監(jiān)測診斷技術(shù)的研究進展，狀態(tài)檢測會逐漸成為主要的檢測方式，這必然會較大的提升高壓電氣設(shè)備運行的可靠性。

上世紀60年代起，國外就開始研究高壓設(shè)備放電故障的檢測技術(shù)，并得到迅速的發(fā)展。最先提出狀態(tài)維修的是美國通用電氣，通用公司首創(chuàng)提以狀態(tài)為基準的維修方式替代以前按時間基準的維修方式。上世紀70年代開始，歐美等發(fā)達國家開始逐漸采用狀態(tài)維修，隨著高速運行計算機、新型傳感器、光纖等等高新技術(shù)的發(fā)展，蘇聯(lián)、日本等也開始嘗試研制發(fā)電機、變壓器、氣體絕緣封閉組合電器等局部放電檢測系統(tǒng)，其中有一部分先進的技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)開始實施于應(yīng)用[4]。

我國對高壓放電故障檢測技術(shù)的研究也比較早，上世紀末一直跟隨發(fā)達國家技術(shù)發(fā)展的步伐，曾經(jīng)提出過不少創(chuàng)新性的方法，但沒有得到推廣。如今國家大力支持發(fā)展相關(guān)技術(shù)，針對高壓電氣設(shè)備的檢測技術(shù)，研發(fā)了很多新型的儀器，同時有一部分電站設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)了智能化在線監(jiān)測。在線監(jiān)測系統(tǒng)比定期預(yù)防性檢測有很多優(yōu)勢，它運用先進的高度精確傳感器，來獲取運行中設(shè)備的信息，再通過通訊系統(tǒng)，將信息傳輸?shù)娇刂浦行模刂浦行膶ΜF(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測。我國在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r雖呈現(xiàn)良好的趨勢，但和發(fā)達國家的技術(shù)含量還有一定的差距，因此我國電氣設(shè)備故障檢測技術(shù)的發(fā)展還是任重道遠。

下面介紹目前常用的幾種檢測技術(shù)。

2.紅外檢測技術(shù)

紅外檢測技術(shù)是一種非接觸性檢測、比較成熟的技術(shù)，是一項技術(shù)，目前廣泛運用的紅外檢測儀器有紅外點溫儀、紅外熱電視和紅外熱像儀[5]。紅外波長大致范圍是0.75um-1000um，是一種人眼看不見的光線，現(xiàn)代物理學(xué)稱之為熱射線。它能遠距離檢測出電氣設(shè)備溫度場的分布，有較強的安全性，另外它有操作便捷的特點，因此被應(yīng)用于局部放電的檢測。

由于高壓電氣設(shè)備在強電流、高電壓、高溫等狀態(tài)下運行，適合用非接觸性檢測。同時電氣設(shè)備的工作狀態(tài)與熱有著密切的聯(lián)系，無論是何種故障，都會伴有發(fā)熱的現(xiàn)象。紅外檢測系統(tǒng)根據(jù)正常狀態(tài)下設(shè)備的發(fā)熱規(guī)律以及其表面溫度場的分布和溫差的具體情況，能夠較準確地檢測出設(shè)備故障，也能定位故障點。

然而，紅外檢測技術(shù)也有如下缺陷，紅外檢測能較高準確的檢測外部熱故障，因為外部熱故障會以局部過熱的形態(tài)向其周圍輻射紅外線。這使得故障點產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象，通過其紅外熱像圖準確的判斷故障點。但是如果電氣故障是內(nèi)部熱故障卻不容易檢測出來[6]，內(nèi)部熱故障在電氣的內(nèi)部，所以體現(xiàn)出來的溫度差異很小。檢測這一故障類型，如果用紅外檢測技術(shù)的話，就要求紅外探測器的精度非常高，這無疑增加了很大的生產(chǎn)成本。因此，內(nèi)部故障一般不太適合用紅外技術(shù)來檢測。

3.超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測也是一項相對比較成熟的技術(shù)，它根據(jù)電氣設(shè)備材料及其缺陷的聲學(xué)性能的差異影響來檢驗設(shè)備是否發(fā)生故障。目前運用較為廣泛的是脈沖反射式超聲波檢測技術(shù)。在一般的均勻材料中，聲阻抗相同，但是在有缺陷的電氣設(shè)備中，由于缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這造成了聲阻抗的不同，超聲波在兩種不同的聲阻抗介質(zhì)的交界面上會發(fā)生反射，反射回來的能量被探頭接收，根據(jù)傳播距離和反射回來能量的幅值，就可以確定電氣設(shè)備故障點，達到定位故障的目的[7]。

目前采用的超聲波檢測法是通過貼在目標外殼上的超聲波傳感器進行檢測。例如：現(xiàn)在要對一臺有故障的待測變壓器進行檢測，首先需要在在變壓器油箱壁上固定一個超聲波傳感器，用來接收變壓器內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲脈沖，通過分析超聲脈沖可以進行檢測并且定位。此項技術(shù)的優(yōu)勢在于，采用非接觸測量的方法，避免了與高壓設(shè)備直接接觸，對設(shè)備的運行影響很小，方便實用，可以實現(xiàn)在線監(jiān)測。

但是超聲波檢測技術(shù)同樣也有一些局限性，首先是外界的干擾因素很多，地區(qū)氣壓、空氣濕度、天氣溫度等因素都會影響測量的結(jié)果，而且目前超聲波的傳感器靈敏度較低，對于測得數(shù)據(jù)的精確性不能很好的把握。其次，超聲波要實現(xiàn)檢測，需要提前預(yù)先在目標物上裝置傳感器，就這使檢測成本提高，超聲波檢測技術(shù)不能運用于巡檢，只能用于定點的檢測。

4.超高頻檢測技術(shù)

超高頻檢測技術(shù)是通過超高頻天線傳感器來獲取電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻信號，可以達到對電氣設(shè)備的檢測目的，同時也能定位故障[8]。因為超高頻檢測技術(shù)有較強的抗干擾能力，所以能有效的反映放電的本質(zhì)特征。這一新的檢測技術(shù)受到國內(nèi)外的高度重視，近年來發(fā)展很快，國外已經(jīng)在GIS、電纜等檢測中得到了一些應(yīng)用。但是整個技術(shù)的成熟度還不夠，大多數(shù)還只是處于起步階段，超高頻檢測技術(shù)的發(fā)展可謂是長途漫漫。

然而超高頻檢測技術(shù)主要是針對內(nèi)部放電故障檢測的，由于電氣設(shè)備外部故障一般占設(shè)備總故障的90%～93%，內(nèi)部故障只占7%～10%，所以超高頻檢測應(yīng)用范圍上相對較窄。除此之外，超高頻檢測系統(tǒng)的傳感器靈敏度是一個技術(shù)難點問題，目前還沒有靈敏度特別好的傳感器，這同時也是限制超高頻技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

5.總結(jié)

本文描述了高壓電氣設(shè)備放電故障檢測的背景和意義，深刻分析了電氣設(shè)備檢測技術(shù)的發(fā)展概況，簡單介紹了國內(nèi)外目前比較常用的高壓電氣設(shè)備檢測技術(shù)，并分析了各種檢測技術(shù)的應(yīng)用及其各自的優(yōu)勢和局限。希望對現(xiàn)存方案進行改進，實現(xiàn)對高壓電氣設(shè)備故障檢測和監(jiān)控。

參考文獻

[1]朱德恒，嚴璋等.電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2009，1：3-5.

[2]王昌長，李福祺，高勝友等.電力設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷[M].北京：清華出版社，2006，1：2-5.

[3]何清等.基于B/S結(jié)構(gòu)的高壓電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)管理系統(tǒng)[J].電氣制造，2007（6）.

[4]歐陽震等.高壓電氣開關(guān)穩(wěn)定性的影響因素與對策[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012，03（12）：113-115.

[5]邵必飛等.紅外檢測技術(shù)初探[J].信息通信，2012，34（10）：

1305-1507.

[6]丁秀峰等.紅外檢測診斷技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[J].陽煤科技，2007，33（24）：1523-1525.

[7]康洪濤等.大型鍛件的超聲檢測技術(shù)[J].四川兵工學(xué)報，2010，31（14）：1205-1207.

[8]王頌等.局部放電超高頻檢測系統(tǒng)標定方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].高壓電器，2007，28（13）：405-407.