GIS設(shè)備超聲波局部放電帶電測(cè)試方法及故障分析

朱 毅，吳建軍，劉 旭，李 博，王世民，周桂平

（1.國(guó)網(wǎng)錦州供電公司，遼寧 錦州 121000；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

GIS設(shè)備超聲波局部放電帶電測(cè)試方法及故障分析

朱 毅1，吳建軍2，劉 旭1，李 博1，王世民1，周桂平3

（1.國(guó)網(wǎng)錦州供電公司，遼寧 錦州 121000；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

GIS超聲局放技術(shù)是帶電測(cè)試GIS設(shè)備局放的試驗(yàn)方法之一，通過(guò)對(duì)缺陷的檢測(cè)和分析，可以判斷故障點(diǎn)位置和故障性質(zhì)，提高GIS設(shè)備的故障診斷水平，保障電力系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。介紹了超聲波局部放電帶電測(cè)試的原理、方法、典型圖譜及判斷依據(jù)，通過(guò)輔助檢測(cè)手段和圖譜診斷，分析了某220 kV罐式SF6斷路器超聲局放異常的原因，并通過(guò)解體檢查確認(rèn)了故障點(diǎn)位置。

GIS；超聲波局部放電；典型圖譜；數(shù)據(jù)分析

GIS氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（組合電器）誕生于20世紀(jì)60年代，是由斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、避雷器、電壓互感器、電流互感器、套管、母線、連接管多種高壓電器組合在一起，并全部封閉在接地的金屬外殼內(nèi)，殼內(nèi)充以一定壓力的SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)［1-2］。其優(yōu)點(diǎn)是小型化、封閉式、占地面積小、運(yùn)行維護(hù)工作量少、檢修周期長(zhǎng)、安全可靠性高且不受環(huán)境污染和高海拔的影響。因此，GIS在電力系統(tǒng)的能量傳輸中得到廣泛應(yīng)用［3］。

GIS設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度較高，細(xì)微的隱患都可能發(fā)展成故障，一旦GIS設(shè)備出現(xiàn)故障，就會(huì)造成停電面積大、停電時(shí)間長(zhǎng)、維修費(fèi)用高等嚴(yán)重后果。GIS典型缺陷包括局放缺陷（空穴放電和懸浮電位放電）、電暈缺陷（電暈放電）和自由金屬顆粒缺陷（自由金屬顆粒放電）［4］。為準(zhǔn)確反映GIS設(shè)備的狀態(tài)及運(yùn)行情況，應(yīng)對(duì)GIS設(shè)備采用有效的絕緣監(jiān)督手段。

1 GIS設(shè)備超聲波局部放電帶電測(cè)試原理及方法

GIS設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生局部放電信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊的振動(dòng)及聲音。超聲波法（AE，又稱(chēng)聲發(fā)射法）通過(guò)在設(shè)備腔體外壁上安裝超聲波傳感器來(lái)測(cè)量局部放電信號(hào)。該方法的特點(diǎn)是傳感器與電力設(shè)備的電氣回路無(wú)任何聯(lián)系，不受電氣方面的干擾，但在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)易受周?chē)h(huán)境噪聲或設(shè)備機(jī)械振動(dòng)的影響。由于超聲信號(hào)在電力設(shè)備常用絕緣材料中的衰減較大，超聲波檢測(cè)法的檢測(cè)范圍有限，但具有定位準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，在放電區(qū)域中，分子間的撞擊會(huì)非常劇烈，這種撞擊在宏觀上表現(xiàn)為一種壓力。由于局部放電是以脈沖的形式表現(xiàn)出來(lái)，因此產(chǎn)生的壓力波也是脈沖形式，即產(chǎn)生了聲波。聲波是一種機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)聲波頻率超過(guò)20 kHz時(shí)稱(chēng)為超聲波?？紤]到局部放電區(qū)域很小，局放源通?？煽闯牲c(diǎn)聲源。

GIS設(shè)備局部放電超聲波檢測(cè)的圖譜有連續(xù)檢測(cè)、時(shí)域波形檢測(cè)和相位檢測(cè)3種模式，具體如下：

a.連續(xù)檢測(cè)模式反映且能準(zhǔn)確地讀出超聲波局部放電的有效值、峰值和指定頻率成分的實(shí)時(shí)數(shù)值；

b.時(shí)域波形檢測(cè)模式反映幾個(gè)周期的連續(xù)全電壓波形，從中可以分析出1個(gè)以上周波為周期的缺陷；

c.相位檢測(cè)模式是收集了單位時(shí)間內(nèi)1個(gè)周期頻域范圍內(nèi)1 000個(gè)瞬時(shí)全電壓值采樣點(diǎn)的打點(diǎn)圖，通過(guò)全電壓值在頻域上的分布情況來(lái)分析故障缺陷。

2 GIS設(shè)備典型缺陷

a.局放缺陷。該類(lèi)缺陷主要由設(shè)備內(nèi)部部件松動(dòng)引起的懸浮電極（既不接地又不接高壓的金屬材料）、絕緣內(nèi)部氣隙、絕緣表面污穢等引起的設(shè)備內(nèi)部非貫穿性放電現(xiàn)象，該類(lèi)缺陷與工頻電場(chǎng)具有明顯的相關(guān)性，是引起設(shè)備絕緣擊穿的主要威脅，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)［5-6］。

b.電暈缺陷。該類(lèi)缺陷主要由設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)體毛刺、外殼毛刺等引起，主要表現(xiàn)為導(dǎo)體對(duì)周?chē)橘|(zhì)（如SF6）的一種單極放電現(xiàn)象，該類(lèi)缺陷對(duì)設(shè)備的危害較小，但在過(guò)電壓作用下仍會(huì)存在設(shè)備擊穿隱患，應(yīng)根據(jù)信號(hào)幅值大小予以關(guān)注。

c.自由金屬微粒缺陷。該類(lèi)缺陷主要存在于GIS中，主要由設(shè)備安裝過(guò)程或開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程產(chǎn)生的金屬碎屑引起。隨著設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)的周期性變化，該類(lèi)金屬微粒表現(xiàn)出隨機(jī)性移動(dòng)或跳動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)微粒在高壓導(dǎo)體和低壓外殼之間跳動(dòng)幅度加大時(shí)，則存在設(shè)備擊穿危險(xiǎn)，應(yīng)予以重視。

2.1 缺陷判據(jù)（見(jiàn)表1）

表1 缺陷判據(jù)

2.2 典型缺陷圖譜（見(jiàn)圖1～圖4）

3 GIS設(shè)備故障診斷分析

3.1 故障現(xiàn)象

為確保高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司對(duì)所轄的220 kV及以上電壓等級(jí)變電站內(nèi)GIS、罐式斷路器設(shè)備用超聲法進(jìn)行周期性帶電巡檢。試驗(yàn)人員用PD-208型超聲檢測(cè)儀對(duì)某500 kV站罐式斷路器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)型號(hào)為HGF1014F3的220 kV斷路器A相極內(nèi)超聲波探測(cè)結(jié)果異常，測(cè)量波與背景值相差較大，峰值差異達(dá)5.2倍，并且50 Hz和100 Hz的相關(guān)性均較強(qiáng)。

圖1 背景噪聲典型圖譜

圖2 局放缺陷典型圖譜

圖3 電暈缺陷典型圖譜

圖4 自由金屬微粒缺陷典型圖譜

3.2 故障分析

為分析異常原因及故障點(diǎn)位置，試驗(yàn)人員決定對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行SF6氣體分解物檢測(cè)和超聲局放檢測(cè)綜合分析，并對(duì)同線路正常相進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)人員在A相罐式斷路器每側(cè)面分別選擇上左、上右、下左、下右4個(gè)位置、共計(jì)8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并用PD-208型超聲檢測(cè)儀逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。為表述簡(jiǎn)潔，本文僅列舉2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，見(jiàn)圖5。

圖5 超聲局放測(cè)試位置示意圖

測(cè)試結(jié)果表明，異常點(diǎn)位于A相極位置“1”的下部，當(dāng)操作從“1”位置向“2”位置方向移動(dòng)時(shí)，監(jiān)測(cè)值的異常結(jié)果逐步減小。對(duì)A相的位置1和位置2處分別測(cè)試后的波形測(cè)量值見(jiàn)圖6，其中紅色為取自構(gòu)架的背景波形，白色為測(cè)試信號(hào)。

圖6 短路器A相測(cè)試結(jié)果

分析測(cè)試結(jié)果可知：信號(hào)圖譜幅值高且穩(wěn)定，信號(hào)與50 Hz相關(guān)性弱，與100 Hz相關(guān)性強(qiáng)，每個(gè)周波內(nèi)峰值脈沖連續(xù)、不規(guī)則；同一水平帶上，位置1的幅值明顯高于位置2，信號(hào)最大值出現(xiàn)在位置1的下半部，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中斷路器本體上半部信號(hào)幅值均小于下半部。在罐式斷路器內(nèi)部，局部放電產(chǎn)生的電脈沖和部件松動(dòng)引起的機(jī)械振動(dòng)均能產(chǎn)生幅值異常的超聲信號(hào)，為確定故障類(lèi)型，對(duì)該斷路器進(jìn)行了SF6氣體分解物測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 斷路器A相SF6氣體分解物測(cè)試結(jié)果

故障斷路器SF6氣體分解物測(cè)試結(jié)果正常，表明該斷路器內(nèi)部未經(jīng)受電弧放電，綜合超聲局放圖譜特征，初步認(rèn)為操作斷路器是機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致零件松動(dòng)?；谠摦惓２坏湫?，且為了線路運(yùn)行的安全，決定對(duì)該相斷路器進(jìn)行拆解、檢查分析。

3.3 解體檢查

經(jīng)商討，設(shè)備運(yùn)行單位和設(shè)備廠家對(duì)該斷路器進(jìn)行了解體檢查，主要檢查罐體內(nèi)各零部件狀態(tài)及螺絲緊固力矩，包括導(dǎo)電桿、觸頭連接、積塵板、絕緣棒及罐體內(nèi)清潔情況。發(fā)現(xiàn)積塵板表面有極少的顆粒物，螺栓緊固良好，力矩合格，未發(fā)現(xiàn)異常松動(dòng)現(xiàn)象。在拆卸積塵板的固定螺釘前，輕拍積塵板，隱隱聽(tīng)到有輕微震顫聲。經(jīng)過(guò)仔細(xì)拍打研究，認(rèn)為該聲音是由積塵板發(fā)出，可能是積塵板與罐體內(nèi)的安裝臺(tái)階邊緣輕微刮擦所致（圖7中紅色圈為出現(xiàn)震顫碰撞的積塵板位置）。

圖7 積塵板解體檢查照片

檢查結(jié)束后，對(duì)罐體內(nèi)部使用吸塵器進(jìn)行吸塵，并對(duì)零部件進(jìn)行清潔；然后安裝、調(diào)整、緊固積塵板，再次進(jìn)行輕敲試驗(yàn)，震顫聲消失；最后，更換吸附劑和密封圈后恢復(fù)、安裝端蓋。

分析結(jié)果為該故障斷路器超聲信號(hào)異常為積塵板與罐體內(nèi)的安裝臺(tái)階邊緣輕微刮擦所致。

4 結(jié)論

a.可在GIS運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，對(duì)實(shí)施狀態(tài)檢修具有極其重要的意義。

b.超聲波檢測(cè)主要采用20 kHz以上頻帶，可不受外部噪聲的干擾。但檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)注意避免敲打被測(cè)設(shè)備，防止外界振動(dòng)信號(hào)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。

c.使用超聲波局放檢測(cè)可通過(guò)測(cè)得的連續(xù)波形、相位波形、原始波形對(duì)GIS內(nèi)部典型絕緣缺陷進(jìn)行識(shí)別。

d.通過(guò)本次故障表明超聲波局放檢測(cè)還應(yīng)輔以化學(xué)法等其他方法聯(lián)合確定故障性質(zhì)。

e.雖然超聲放電信號(hào)通過(guò)絕緣介質(zhì)衰減較嚴(yán)重，靈敏度較差、定量分析較困難，但現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)踐表明，當(dāng)處于某一發(fā)展階段的缺陷主要反應(yīng)為振動(dòng)信號(hào)時(shí)，超聲波檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)缺陷具有一定優(yōu)勢(shì)，且能夠較精確地進(jìn)行故障定位。

f.作為一種方便的帶電檢測(cè)手段，超聲波局放檢測(cè)能有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部存在的問(wèn)題，是一種實(shí)用性高的非電量檢測(cè)方法。

g.鑒于該缺陷為制造安裝工藝引起的，建議運(yùn)維檢修部門(mén)在GIS設(shè)備交接試驗(yàn)時(shí)即進(jìn)行超聲檢測(cè)，以便及早發(fā)現(xiàn)此類(lèi)缺陷，且應(yīng)及時(shí)對(duì)同型號(hào)、同廠家的斷路器重點(diǎn)進(jìn)行超聲檢測(cè)，檢查是否還有此類(lèi)缺陷存在，并及時(shí)處理。

［1］ 李景祿.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)與狀態(tài)診斷［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［2］ 杜貴和，王正風(fēng).電力系統(tǒng)元件經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)的統(tǒng)一［J］.東北電力技術(shù)，2013，34（8）：15-18.

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The Ultrasonic Charged Partial Discharge Test Method and Fault Analysis of GIS Equipment

ZHU Yi1，WU Jian?jun2，LIU Xu1，LI Bo1，WANG Shi?min1，ZHOU Gui?ping3
（1.State Grid Jinzhou Power Supply Company，Jinzhou，Liaoning 121000，China；2.State Grid of Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

GIS ultrasonic PD technique is one of the testing method of charged GIS equipment testing of partial discharge.Detection and analysis of defects can identify the fault position and fault properties，improve the level of fault diagnosis of GIS equipment.To en?sure safe，reliable and stable operation of power system，it introduces the principles，methods and typical spectra and judgment of ul?trasonic charged partial discharge test.By auxiliary examination method and spectrum diagnosis，it analysed abnormal reasons of a 220 kV tank SF6breaker ultrasonic PD and confirmed the fault location by the disintegration test.

GIS；Ultrasonic partial discharge；Typical spectra；Data analysis

TM595

A

1004-7913（2015）01-0033-04

朱 毅（1976—），男，高級(jí)技師，主要從事電力試驗(yàn)及相關(guān)技術(shù)管理工作。

2014-09-10）