超聲波局放測試儀延長桿在GIS 耐壓局放試驗中的應用

深圳供電局有限公司 廣東深圳 518001

摘要：文中介紹了超聲波局放測試儀延長桿的結構及原理，同時，闡述局放脈沖在理論分析上可以用單指數振蕩衰減模型（SEAOW）和雙指數振蕩衰減模型（DEAOW）來進行模擬；并且闡述了利用該超聲波局放測試儀延長桿定位出500 kV GIS交流耐壓局放試驗中放電擊穿位置的過程，從而驗證了超聲波局放測試儀延長桿在耐壓局放過程中尋找放電點是行之有效的，為及早地發(fā)現(xiàn)GIS設備絕緣缺陷提供了有效檢測方法和依據。

關鍵詞：超聲波；延長桿；GIS；耐壓；局放；定位

引言

城市電網的迅速發(fā)展要求更加可靠的氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS[1]）。由于GIS在運輸過程中容易受到機械振動和撞擊，可能導致GIS元件或內部緊固件出現(xiàn)松動和相對位移的現(xiàn)象。在GIS安裝過程中容易出現(xiàn)聯(lián)結、密封失誤、安裝錯位的情況，導致絕緣事故的發(fā)生。因此必須要求GIS在投運之前進行嚴格的現(xiàn)場耐壓試驗。與此同時，上述情況往往會導致GIS的放電擊穿，而大部分的放電擊穿現(xiàn)象均能夠在故障前通過現(xiàn)場局部放電[2]（以下簡稱局放）的方式發(fā)現(xiàn)，因此現(xiàn)場局放試驗也越來越受到重視。就在2013年，通過耐壓局放的方式，成功發(fā)現(xiàn)某變電站GIS在耐壓過程中存在多處放電現(xiàn)象，并成功定位出，探索出了一條有效的耐壓局放定位之路。

1 原理

1.1 超聲波法

當發(fā)生局部放電時，將會產生一個電荷的中和過程，相應的會有一個較陡的電流脈沖，電流脈沖的作用使得局部放電發(fā)生的局部區(qū)域瞬間受熱而膨脹，形成一個類似“爆炸”的效果，放電結束后原來因為受熱而膨脹的局部區(qū)域恢復到原來的體積。這種由于局部放電產生的一脹一縮的體積變化引起了介質的疏密瞬間變化，形成超聲波，從局部放電點以球面波的方式向四周傳播，并在金屬外殼上出現(xiàn)各種聲波，如縱波、橫波和表面波等。因此可以將超聲波傳感器安裝在電力設備金屬外殼上檢測局部放電產生聲信號的方法稱為超聲波（Ultrasonic）檢測法[3-6]。

1.2超聲波局放測試儀延長桿

超聲波局放測試儀延長桿[7-8]是用于對設備進行帶電局放試驗或是耐壓過程中進行超聲波局放監(jiān)測與定位[9]，同時為了適應現(xiàn)場情況，方便現(xiàn)場試驗人員操作，超聲波局放測試儀延長桿由探棒及電木構成，具體結構如圖1：

圖1 超聲波局放測試儀延長桿結構示意圖

超聲波局放測試儀延長桿有以下優(yōu)點：

（1）使用由玻璃纖維材料制成的探棒1與超聲波傳感器相連，在保證了信號傳輸有效性的同時延長了超聲波局放測試的可測距離。

（2）采用由絕緣復合材料制成的探棒2作為超聲波帶電局部放電測試儀傳感器延長桿的一部分，在延長了超聲波局放測試的可測距離的同時保證了與電氣設備的安全距離。

1.3 模擬試驗

（1）理論分析。工程上經傳感器檢測到的一般都是震蕩衰減信號，這種局放脈沖在理論分析上可以用如下的單指數震蕩衰減模型（SEAOW）和雙指數震蕩衰減模型（DEAOW）來進行模擬（該局放監(jiān)測系統(tǒng)從原理設計上來說是基于上述兩模型進行研發(fā)，而在進行局放監(jiān)測時，正是運用了局放的震蕩衰減這一特征進行局放定位），分別如式（1）和式（2）所示，其數學表達式為[10]

（1）

（2）

式中：為局放脈沖幅值；為衰減系數；為震蕩頻率。為了驗證基于超聲波法GIS耐壓局放監(jiān)測系統(tǒng)的震蕩衰減效果，本文選擇了表1所示的局放脈沖參數[11-12]，模擬局放信號，如圖2所示。

t/μs

圖2 單、雙指數震蕩衰減模型

表1 模型參數

模型幅值/mV衰減系數/μs頻率/MHz

1SEAOW100120.3

2SEAOW100140.28

3DEAOW300100.25

4DEAOW450100.15

（2）模擬試驗。試驗目的是驗證超聲波局放測試儀延長桿是否能夠根據局放信號的衰減特性，有效地發(fā)現(xiàn)放電點。在試驗中耐壓擊穿性能試驗布置了5個超聲信號檢測點，分別為2號、3號、4號、6號和22號檢測點，在GIS內人為加入一螺桿，氣壓為0.2 Mpa.升壓至640 kV發(fā)生了擊穿，具體情況如圖3所示。

圖3 檢測點布置圖片

圖4 幅值衰減圖（通道）

（1）由圖4可見信號強弱排序：6號通道 > 4號通道 > 3號通道 > 22號通道> 2號通道。6號通道為本次擊穿點附近信號；4號為本次擊穿信號通過1個通盆和1個不同盆后的信號；3號為擊穿信號通過1個通盆和3個不通盆后的信號；22號為擊穿信號通過2個通盆和3個不通盆后的信號；2號為擊穿信號通過1個通盆和5個不通盆后的信號。

（2）監(jiān)測到的信號強弱排序與放電源離探頭的距離遠近完全吻合。

（3）超聲波受盆式絕緣子的阻礙作用明顯，并且死盤比通盤的阻礙作用大很多。

（4）最近點6號在擊穿（95.7 s出現(xiàn)明顯的放電現(xiàn)象，在122.4 s發(fā)生擊穿）26.7 s前就接收到了缺陷的局放信號，并逐步增加直至擊穿。

通過上述理論及現(xiàn)場模擬試驗可以得知，超聲波局放測試儀延長桿可以根據放電信號的衰減特性，有效地檢測出擊穿放電的所在位置。

2 故障點發(fā)現(xiàn)經過

2.1概況

某500 kV GIS共10個斷路器間隔和2個母線間隔。開始時，該GIS交流耐壓及局放定位試驗方案為：

（1）耐壓總共分兩個區(qū)域進行，如圖4中的紅色虛線部分，第一耐壓區(qū)域設備包括串內第3、4串，另加部分I和II母線氣室，從號2主變間隔的進線套管處加壓；第二耐壓區(qū)域設備包括串內第6、7串，另加部分II和I母氣室及母線PT間隔，從號4主變間隔的進線套管處加壓；且上述加壓方式均為分相加壓。

圖5 耐壓試驗簡圖

（2）在本次試驗中，利用基于超聲波法GIS耐壓局放監(jiān)測系統(tǒng)（無線傳輸）初步對設備有無局放及局放部位進行判斷，若存在局部放電現(xiàn)象，為防止放電對試驗儀器的影響，則利用超聲波局放測試儀延長桿進行定位；

（3）開始時，基于超聲波法GIS耐壓局放監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測單元布置方案為：每個斷路器布置一個監(jiān)測單元，母線氣室每15m左右布置一個監(jiān)測單元，若存在局放，則根據初步定位安置超聲波局放測試儀延長桿檢測位置。

2.2試驗現(xiàn)象及定位分析

2.2.1第一耐壓區(qū)域試驗現(xiàn)象及定位分析

（1）B相試驗現(xiàn)象

B相耐壓試驗頻率77 Hz，電壓加至568 kV，持續(xù)1 min，無擊穿現(xiàn)象，一次性通過。

（2）C相試驗現(xiàn)象及定位分析

C相耐壓試驗頻率77 Hz，加壓至530 kV時，GIS設備擊穿。超聲波局放監(jiān)測表明：5042開關處傳感器檢測到的信號幅值和脈沖時間寬度明顯大于其余傳感器的信號，如圖6，分析認為擊穿位于5042開關附近（下圖從左至右分別是5043開關、5042開關和5041開關超聲波信號圖）。

圖6 5043開關、5042開關和5041開關處超聲波信號圖

為進一步定位故障部位，利用超聲波局放測試儀延長桿在5042開關間隔獨立氣室逐一布置檢測點，并在50421CT氣室也布置一個檢測點。然后對C相再次加壓，電壓加至568 kV，持續(xù)1min，無擊穿現(xiàn)象。

耐壓試驗結束后，對5042開關間隔相關氣室進行分解物測試。5042開關氣室、50421和50422刀閘氣室、以及50422CT氣室均未檢測到SO2和H2S，但50421CT氣室檢測到SO2和H2S，3次檢測結果如下表2。結合超聲波局放測試儀延長桿測試結果和分解物測試結果，可確認第1次擊穿發(fā)生在50421CT氣室。

表2 50421CT氣室分解物3次測試結果

分解產物第1次第2次第3次

SO2/ppm2.01.61.5

H2S/ppm0.400.5

備注：50421CT氣室3次分解物間，均用標準新氣對測試儀器進行清洗。

（3）A相試驗現(xiàn)象及定位分析

圖7 第一次耐壓5043開關附近I母傳感器布置和監(jiān)測數據

A相耐壓試驗頻率77 Hz，加壓至547 kV時，GIS設備擊穿。超聲波局放監(jiān)測表明：5043開關附近I母上號3傳感器檢測到的信號幅值和脈沖時間寬度明顯大于其余傳感器的信號，如圖7所示。

分析認為擊穿位置位于I母上號3傳感器附近，但也有可能位于圖8所示的藍色區(qū)域。為進一步定位故障部位，利用超聲波局放測試儀延長桿在5043開關附近I母拐角處每5 m布置一個檢測點，其余部位不變。對A相再次加壓，加壓至494 kV時，再次擊穿。超聲波試驗數據表明：I母拐角處超聲波信號幅值和脈沖時間寬度明顯大于其余部位信號，如圖8所示，且圖8所標注的藍色區(qū)域信號明顯偏小，說明擊穿位置位于圖8標注的藍色區(qū)域。斷開A相I母，對其余部分再次加壓，耐壓通過。

圖8 第2次耐壓5043開關附近I母檢測點布置和試驗數據

2.2.2第二耐壓區(qū)域試驗現(xiàn)象及定位分析

（1）B相試驗現(xiàn)象及定位分析

B相耐壓試驗頻率68 Hz，電壓加至568 kV，持續(xù)4 s時，GIS設備擊穿。超聲波局放監(jiān)測表明：II母上號2傳感器檢測到的信號幅值和脈沖時間寬度明顯大于其余傳感器的信號，如圖9所示。后檢查發(fā)現(xiàn)號3傳感器斷線，分析認為本次放電位于圖9中的藍色虛線區(qū)域。

圖9 II母部分傳感器布置及檢測圖（1）

為進一步定位故障部位，利用超聲波局放測試儀延長桿在II母拐角處附近每5 m布置一個檢測點，其余部位不變。對B相再次加壓，加壓至289 kV時，再次擊穿。超聲波試驗結果表明：II母號1傳感器檢測到的信號幅值和脈沖時間寬度明顯大于其余傳感器的信號，如圖10所示，分析認為本次放電位于圖10中的藍色虛線區(qū)域。

圖10 II母部分檢測點布置及檢測圖（2）

對II母部分氣室進行分解物測試，號1、號5、號6和號2檢測點在同一氣室，號3和號7檢測點在同一氣室。檢測結果表明，除號1、號5、號6和號2檢測點所在氣室檢測到SO2（1μL/L）外，其余氣室均未檢測到SO2和H2S。結合超聲波局放數據和分解物測試結果，可確認兩次擊穿均發(fā)生在號1、號5、號6和號2檢測點所在氣室，第1次擊穿發(fā)生在號2檢測點附近，第2次擊穿發(fā)生在號1檢測點附近。

斷開B相II母，對其余部分再次加壓，耐壓通過。

（2）C相試驗現(xiàn)象及分析

C相耐壓試驗頻率69 Hz，電壓加至568 kV，持續(xù)1 min，無擊穿現(xiàn)象，一次性通過。

（3）A相試驗現(xiàn)象及分析

A相I母和II母均帶母線PT，廠家要求PT耐壓時試驗頻率應高于80 Hz，因此試驗又分兩次進行。第一次耐壓設備包括5071和5061開關間隔、號4主變進線套管及氣室、XXI線出線套管及氣室、I母PT及部分I母，耐壓試驗頻率89 Hz，電壓加至568 kV，持續(xù)1 min，無擊穿現(xiàn)象，一次性通過。第二次耐壓設備包括5072、5073和5062開關間隔，號4主變進線套管及氣室、XXII線出線套管及氣室、II母PT及部分II母，耐壓試驗頻率88 Hz，電壓加至568 kV，持續(xù)1 min，無擊穿現(xiàn)象，一次性通過。

3解體檢查

3.1 50421CT C相解體檢查

整個CT氣室內無明顯異物，CT一次導體表面光滑度較好，無任何電弧灼傷痕跡，CT氣室中間的盆式絕緣子（以下簡稱“盆子”）凸面?zhèn)妊孛骈W絡，如圖11，該盆子安裝時水平布置且凸面?zhèn)瘸?，盆子中心嵌件邊緣（靠閃絡弧道側）有被電弧灼傷的痕跡，閃絡弧道對應的密封圈和罐體處有電弧灼傷痕跡。因僅擊穿一次，沿面閃絡弧道在盆子表面顏色較淺。閃絡的盆子除表面有閃絡通道外，整個盆子表面色澤及光滑度較好，無明顯其它缺陷?？块_關及隔離開關兩端盆子（均是隔盆）CT側表面無明顯異常。

圖11 CT氣室中間盆子沿面閃絡圖

3.2 5043開關附近A相I母拐角處解體檢查

整個母線氣室內無明顯異物，一次導體表面光滑度較好，無任何電弧灼傷痕跡，母線氣室中間的盆子凸面?zhèn)妊孛骈W絡，兩道閃絡弧道明顯（耐壓過程中擊穿兩次），如圖12，該盆子垂直布置，盆子中心嵌件邊緣（靠閃絡弧道）有被電弧灼傷的痕跡，閃絡弧道對應密封圈和罐體處有電弧灼傷的痕跡。因擊穿兩次，沿面閃絡弧道在盆子表面顏色略深，閃絡的盆子除表面有閃絡通道外，整個盆子表面色澤及光滑度較好，無明顯其它缺陷。

圖12 5043開關附近A相I母盆子沿面閃絡圖

3.3 第6和7串附近B相II母解體檢查

解體發(fā)現(xiàn)該段母線氣室有2個明顯的擊穿故障點，與上述超聲波定位判斷一致，且氣室內有遺留的小顆粒，如圖13所示。

圖13 氣室內遺留顆粒圖

圖14 導體電弧灼傷圖

圖15 盆子沿面閃絡圖

一處是中心導體表面有明顯電弧灼傷的痕跡，如圖14，導體其余表面光滑度較好。另一處是盆子凹面?zhèn)乳W絡，多道閃絡弧道明顯（耐壓過程中擊穿多次，因擊穿后諧振電壓跌落不多引起，后期手動切斷電源），如圖15，該盆子垂直布置，盆子中心嵌件邊緣（靠閃絡弧道）有明顯被電弧灼傷的痕跡，閃絡弧道對應的密封圈和罐體處有電弧燒黑痕跡。閃絡盆子凹面?zhèn)鹊钠帘握稚峡拷都扔幸幻黠@凹痕，該凹痕未被電弧灼傷，且表面油漆完好，表明該凹痕非屏蔽罩和利器碰撞所致。安裝完成后，在盆子表面未受損傷時，該屏蔽罩不可能單方面出現(xiàn)如此凹痕，可見該屏蔽罩在安裝前就已出現(xiàn)了凹痕。

屏蔽罩表面出現(xiàn)凹痕后，引起表面電場畸變，但畸變不足以使盆子屏蔽罩對盆子擊穿。從盆子表面電弧分布來看，盆子沿面閃絡在先。在盆子表面電弧的作用下，屏蔽罩表面電場畸變嚴重處和盆子表面電弧貫穿，改變盆子表面閃絡弧道，使閃絡弧道沿圖15左側圖中紅色實線方向分布，靠近盆子嵌件的部分電弧被截弧，導致盆子沿面弧道在截弧分界線兩側顏色明顯不一致。屏蔽罩表面電場畸變嚴重處出現(xiàn)被電弧灼傷的深坑，在深坑周圍的屏蔽罩表面油漆被電弧熏黑。

因擊穿多次，沿面閃絡弧道在盆子表面顏色很深。閃絡的盆子除表面有閃絡通道外，整個盆子表面色澤及光滑度較好，無明顯其它缺陷。結合超聲波定位信息，中心導體擊穿電壓是568 kV，盆子擊穿電壓低于300 kV。

4 原因分析

在耐壓試驗前，根據標準對鋼瓶SF6進行了全組分分析，對GIS設備獨立氣室逐個進行微水及純度測試，數據均滿足標準要求，說明本次耐壓試驗的幾次擊穿故障和SF6無關。

4.1 中心導體放電原因分析

因罐體內壁未發(fā)現(xiàn)明顯電弧灼傷點，中心導體電弧灼傷痕跡明顯，因此電弧應是從中心導體開始向罐壁發(fā)展。擊穿放電原因在于中心導體上存在毛刺尖端，尖端處電場嚴重畸變，電壓升高到一定值時開始放電，繼續(xù)升高時發(fā)生貫穿性放電擊穿。

4.2 盆子閃絡原因分析

（1）閃絡盆子燃弧痕跡的分析。盆子僅表面存在有燃弧引起的跨越痕，燃弧僅限于盆子某一方位區(qū)，且系弧道電阻較大的沿面閃絡，而無任何擊穿點，表明擊穿故障僅限于盆子表面，因某種外因使電場畸變。

（2）閃絡盆子質量分析。出廠前盆子逐個進行耐壓、局放和X射線試驗。對擊穿的盆子進行再次耐壓時，一個盆子耐壓通過，兩個盆子的擊穿電壓依然較高，說明盆子整體絕緣性能在每次擊穿后恢復良好，盆子本身不存在問題。

（3）盆子表面及附近區(qū)域存在雜質分析。解體證實盆子表面或其附近區(qū)域有灰塵雜質，此類雜質在電場力及機械振動的作用下，位置發(fā)生變化，導致局部電場畸變，引起盆子沿面放電。B相II母側的1個盆子在568kV時未擊穿，說明當時雜質還處于分散狀態(tài)，不足以引起盆子沿面閃絡。這些灰塵雜質在電場力的作用下，沿電力線方向重新排列、漂移，并被極化、橋接，形成放電通道。雜質遺留的原因一是從廠內帶出，另一原因是現(xiàn)場混入。據了解，放電的幾個盆子均在現(xiàn)場打開搭接過，且 GIS清理及安裝工作在GIS場地進行，現(xiàn)場環(huán)境較差，周圍水泥地坪未做，周圍均為裸露黃土地，不時有大型工程機械通過，車輛及大風吹起的塵土容易進入GIS內部。

綜合上述幾點，盆子在基本排除本身品質問題的情況下，認為懸浮微?；蛭廴疚镌陔妶隽ψ饔孟逻M入故障盆子表面，改變了氣室內部空間電場分布，導致局部電場發(fā)生畸變，最終由懸浮微粒或污染物引起盆子嵌件沿面對外殼放電，致使事故發(fā)生。

5 后續(xù)處理

（1）換有閃絡痕跡的盆子，充入的SF6氣體再次使用前應送省電科院進行全分析，合格后方可使用；

（2）對中心導體及罐體的電弧灼傷部位進行打磨，并徹底清除表面的粉塵；

（3）制造廠應加強設備質量管控（包含生產車間和變電站現(xiàn)場），確保GIS任一部件及輔件的完好性；

（4）制造廠嚴把裝配工藝關（包含生產車間和變電站現(xiàn)場），確保氣室內清潔度，清除任何遺留物，特別是盆子因爬電距離小，表面必須清理干凈，否則極易造成沿面放電；確保中心導體、屏蔽罩及罐體內壁表面的光滑度，清除表面任何尖端；

（5）在GIS交流耐壓過程中，應結合現(xiàn)有的監(jiān)測及分解物檢測技術定位擊穿部位；即使是擊穿一次后再次耐壓通過的，也應對相應擊穿部位進行解體檢查并處理。

6 結論

（1）運用局放的衰減震蕩特性特征，有利于在耐壓過程中表征GIS局放信號的變化情況；

（2）上述超聲波局放測試儀延長桿具有對超聲信號衰減小、絕緣性能好等優(yōu)點，能有效定位GIS在耐壓過程中的擊穿部位；

（3）上述超聲波局放測試儀延長桿及相關試驗儀器是基于單一的超聲波原理進行研發(fā)的，所以并不能監(jiān)測到GIS中所有不同類型的局放信號；

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作者簡介：

劉連（1988-），男，廣東深圳人，工程師，從事高電壓試驗等方面工作。