500 kV HGIS內(nèi)部絕緣缺陷的帶電檢測(cè)與綜合診斷

劉佳鑫，唐佳能，郎業(yè)興，韋德福，劉奉橋

（1.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；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

試驗(yàn)與研究

500 kV HGIS內(nèi)部絕緣缺陷的帶電檢測(cè)與綜合診斷

劉佳鑫1，唐佳能1，郎業(yè)興1，韋德福1，劉奉橋2

（1.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；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

結(jié)合一起500 kV變電站HGIS內(nèi)部絕緣件缺陷實(shí)例，通過(guò)運(yùn)用特高頻與超聲波聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)及氣體組分測(cè)試等多種帶電檢測(cè)手段進(jìn)行缺陷定位與分析，得出設(shè)備內(nèi)部支撐絕緣子存在氣隙放電的結(jié)論，通過(guò)設(shè)備解體檢查得到了驗(yàn)證，并針對(duì)此類(lèi)缺陷提出了相應(yīng)的反事故措施。

HGIS；局部放電；聲電聯(lián)合；帶電檢測(cè)；故障診斷

GIS設(shè)備因其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、不受外界環(huán)境影響、運(yùn)行安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單和檢修周期長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，已成為變電站的重要組成部分［1－3］。

運(yùn)行中GIS內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)較高，因此制造及運(yùn)輸過(guò)程中遺留的微小隱患極有可能在運(yùn)行中導(dǎo)致故障，造成大面積、長(zhǎng)時(shí)間停電，產(chǎn)生高昂的維修費(fèi)用［4］。由于GIS采用金屬全封閉結(jié)構(gòu)，無(wú)法直接觀察其內(nèi)部缺陷狀況，不利于故障部位的診斷和檢修工作的開(kāi)展［5］。因此，采用有效的在線檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備潛在安全隱患，確定缺陷部位并判別缺陷原因，對(duì)減少檢修時(shí)間、減小影響面積、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為關(guān)鍵。

目前，GIS設(shè)備的帶電檢測(cè)工作已廣泛開(kāi)展，主要包括SF6氣體成分、超聲波、特高頻局部放電測(cè)試、紅外測(cè)溫等檢測(cè)項(xiàng)目，綜合運(yùn)用各種檢測(cè)手段進(jìn)行診斷分析，以做到提早發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備的潛伏性缺陷［6］。

1 異常故障現(xiàn)象

為確保高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，2016年1月，國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司對(duì)所轄的500 kV變電站內(nèi)GIS設(shè)備開(kāi)展迎峰度冬專(zhuān)項(xiàng)帶電檢測(cè)。檢測(cè)人員對(duì)某500 kV變電站進(jìn)行局部放電檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)1號(hào)主變一次Ⅱ母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)A相氣室內(nèi)存在異常放電信號(hào)。故障設(shè)備為L(zhǎng)W13A－550型HGIS，2010年12月生產(chǎn)，故障氣室位置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)照片

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析

由于GIS內(nèi)部缺陷通常會(huì)改變其電場(chǎng)強(qiáng)度分布［7］，產(chǎn)生脈沖式的局部放電，同時(shí)會(huì)在缺陷周?chē)臻g產(chǎn)生光、聲、電、熱等物理現(xiàn)象和化學(xué)變化，為在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部絕緣狀態(tài)提供檢測(cè)信號(hào)［8－10］。

2.1 特高頻局放檢測(cè)

特高頻法是通過(guò)檢測(cè)GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的電磁波信號(hào)來(lái)檢測(cè)局部放電［11］。該型號(hào)HGIS設(shè)備盆式絕緣子為全金屬屏蔽，且無(wú)澆注孔，因此，只能在接地隔離開(kāi)關(guān)外露絕緣件處進(jìn)行特高頻局部放電檢測(cè)［12］，具體檢測(cè)位置如圖2所示。

圖2 特高頻局放檢測(cè)位置示意圖

采用便攜式特高頻局放檢測(cè)儀在圖2所示檢測(cè)位置進(jìn)行局放檢測(cè)，檢測(cè)圖譜如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，檢測(cè)位置1和位置2均能檢測(cè)到明顯的特高頻局放信號(hào)，根據(jù)PRPS和PRPD圖譜顯示，信號(hào)幅值較分散，且重復(fù)性較差，但放電相位較穩(wěn)定，正負(fù)半周期各有1簇脈沖信號(hào)聚集。在檢測(cè)位置1處檢測(cè)到的放電脈沖幅值最大為52 dB，檢測(cè)位置2的最大值為58 dB。選取該間隔B、C兩相相同位置及相鄰間隔A相其他位置進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，均未發(fā)現(xiàn)異常特高頻局放信號(hào)。

圖3 采用便攜式特高頻局放檢測(cè)儀的檢測(cè)圖譜

為進(jìn)一步分析確認(rèn)，采用診斷型局放測(cè)試儀對(duì)檢測(cè)位置2的異常局放信號(hào)進(jìn)行綜合診斷分析，檢測(cè)圖譜如圖4所示。測(cè)試圖譜顯示，該信號(hào)放電次數(shù)較少，重復(fù)性低，幅值較分散，但放電相位較穩(wěn)定，且與專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，懸浮電極或表面污穢放電概率較大。

圖4 采用診斷型特高頻局放檢測(cè)儀檢測(cè)圖譜

2.2 超聲波局放檢測(cè)

GIS發(fā)生局部放電產(chǎn)生的超聲波脈沖將通過(guò)氣體傳遞到設(shè)備外殼［13］。利用壓電式超聲傳感器可收集局放產(chǎn)生的超聲波脈沖信號(hào)，通過(guò)分析判斷局放缺陷類(lèi)型。

超聲波局放檢測(cè)點(diǎn)1至檢測(cè)點(diǎn)5位于該氣室右側(cè)端蓋上，如圖5所示。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)超聲信號(hào)峰值，側(cè)端蓋邊緣位置超聲信號(hào)較背景信號(hào)有明顯增長(zhǎng)，其中測(cè)點(diǎn)4異常信號(hào)幅度最大，圖譜如圖6所示。連續(xù)模式下，測(cè)點(diǎn)4峰值最大可達(dá)2.3 mV，具有明顯相位相關(guān)性，且100 Hz相關(guān)性大于50 Hz相關(guān)性。相位模式下，檢測(cè)圖譜在1個(gè)周期內(nèi)有2簇脈沖信號(hào)聚集，多聚集在第一、三象限內(nèi)，且幅值基本相當(dāng)，信號(hào)有規(guī)律重復(fù)。通過(guò)改變超聲局放檢測(cè)頻帶范圍，將上限截止頻率由100 kHz降低到50 kHz，信號(hào)幅值并未發(fā)生明顯變化。

由于相別標(biāo)示貼對(duì)超聲信號(hào)的傳播有衰減作用，因此，標(biāo)示貼上測(cè)點(diǎn)5超聲信號(hào)非常小。選取該間隔B、C兩相相同位置及相鄰間隔A相其他位置進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與背景信號(hào)一致，無(wú)異常信號(hào)。

圖5 氣室端蓋超聲波局放測(cè)試位置示意圖

圖6 氣室端蓋測(cè)點(diǎn)4超聲波局放測(cè)試圖譜

2.3 分解物檢測(cè)

與局部放電檢測(cè)相比，SF6氣體分解物檢測(cè)方法具有受外界環(huán)境干擾小、靈敏度高、準(zhǔn)確性高等優(yōu)勢(shì)，成為運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的有效手段［14］。研究結(jié)果表明：SF6電氣設(shè)備故障時(shí)產(chǎn)生的分解產(chǎn)物主要為SO2、HF和H2S等，當(dāng)故障部位涉及到固體絕緣材料（絕緣盆子或支撐絕緣子）時(shí)，易產(chǎn)生特征分解產(chǎn)物H2S［15］。

2016年1月14日和19日，2次用SF6氣體成分分析儀測(cè)量該氣室內(nèi)氣體成分，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。1月14日SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)發(fā)現(xiàn)A相氣室存在少量H2S特征氣體，1月19日復(fù)測(cè)，H2S氣體濃度下降，同時(shí)檢出微量SO2特征氣體，同間隔其他相均未檢測(cè)到特征氣體。

圖7 Ⅱ母線隔離開(kāi)關(guān)各相SF6氣體分解物檢測(cè)結(jié)果

2.4 聲電聯(lián)合局放定位

采用高速示波器對(duì)該氣室進(jìn)行聲電聯(lián)合局部放電定位檢測(cè)。將特高頻傳感器放置于檢測(cè)位置2，超聲傳感器放置于右側(cè)端蓋左側(cè)位置（測(cè)點(diǎn)4），特高頻與超聲波傳感器檢測(cè)信號(hào)的多周期圖譜如圖8所示。根據(jù)周期性信號(hào)，特高頻信號(hào)每周期出現(xiàn)1～2簇，幅值較大，重復(fù)性較高。超聲波信號(hào)每周期出現(xiàn)2簇，2簇信號(hào)幅值基本相當(dāng)，對(duì)稱(chēng)性較好。

圖8 聲電聯(lián)合檢測(cè)多周期圖譜

將超聲傳感器1放于側(cè)端蓋左下方，超聲傳感器2放于氣室正面緊貼側(cè)端蓋法蘭側(cè)下方，如圖9所示，2個(gè)傳感器間距約為10 cm。高速示波器檢測(cè)信號(hào)顯示藍(lán)色信號(hào)（超聲傳感器1的接收信號(hào)）超前紅色信號(hào)（超聲傳感器2的接收信號(hào)）約100 μs。已知聲波在SF6氣體中傳播速度為133 m／s，折算成傳播距離約為1.3 cm，即傳感器1接收信號(hào)的傳播路徑比傳感器2長(zhǎng)約1.3 cm。判斷異常信號(hào)源位于氣室右側(cè)，貼近端蓋部位。

2.5 故障原因分析

a.特高頻局放信號(hào)放電幅值分散性較大，信號(hào)最大值為58 dB，放電時(shí)間間隔不穩(wěn)定，放電次數(shù)較少，但放電相位較穩(wěn)定，正負(fù)半周期各有1簇，具備絕緣內(nèi)部缺陷放電特征。

圖9 聲電聯(lián)合局放定位檢測(cè)圖譜

b.超聲波局放信號(hào)幅值較弱，但100 Hz相關(guān)性明顯，信號(hào)最強(qiáng)點(diǎn)位于氣室右側(cè)端蓋邊緣位置，相位圖譜顯示1個(gè)工頻周期內(nèi)有2簇信號(hào)，集中于第一、三象限。改變上限截止頻率，信號(hào)幅值無(wú)明顯減小，可以判斷放電源不在殼體上，應(yīng)在中心導(dǎo)體或部件上。

c.通過(guò)分析氣體組分，結(jié)合紅外熱像檢測(cè)無(wú)異常，可排除內(nèi)部發(fā)熱的可能。由于產(chǎn)生H2S，因此，設(shè)備內(nèi)部可能產(chǎn)生涉及固體絕緣材料的放電現(xiàn)象，即絕緣沿面放電或內(nèi)部氣隙放電。

d.根據(jù)聲電聯(lián)合定位結(jié)果，假設(shè)2個(gè)超聲傳感器之間與局放源之間滿(mǎn)足直角三角形位置關(guān)系，2個(gè)超聲傳感器間距為一直角邊長(zhǎng)10 cm，超聲傳感器1與局放源間距為另一直角邊長(zhǎng)約45 cm（設(shè)備側(cè)端蓋直徑約90 cm），計(jì)算得到局放源與超聲傳感器2的距離為46.1 cm，即超聲傳感器2的信號(hào)傳播路徑比超聲傳感器1長(zhǎng)1.1 cm，與聲電聯(lián)合定位圖譜得到的2個(gè)超聲傳感器傳播距離差基本相符。

根據(jù)以上分析結(jié)果及設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖判斷局放源可能位于氣室右側(cè)支撐絕緣子靠端蓋部位，局放原因可能為絕緣件表面污穢或內(nèi)部氣隙在電場(chǎng)作用下發(fā)生放電，缺陷位置如圖10所示。

3 檢查結(jié)果

3.1 解體檢查

該氣室經(jīng)解體檢查并未發(fā)現(xiàn)明顯異常，現(xiàn)場(chǎng)更換局放異常的隔離開(kāi)關(guān)絕緣零件（見(jiàn)圖10）后，恢復(fù)正常運(yùn)行，且復(fù)測(cè)未發(fā)現(xiàn)任何異常局放信號(hào)。

圖10 缺陷設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 返廠試驗(yàn)

對(duì)相關(guān)的絕緣件返廠進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，制造廠和用戶(hù)方共同見(jiàn)證了試驗(yàn)過(guò)程，驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括外觀檢查、查閱生產(chǎn)記錄、X射線探傷、工頻耐壓、局放試驗(yàn)。

外觀檢查：檢查發(fā)現(xiàn)靠近Φ200 mm端面?zhèn)缺砻嬗?條黑色印記，如圖11（a）所示。

查閱生產(chǎn)記錄：該零件在車(chē)間例行電性能試驗(yàn)原始記錄顯示耐壓1 min和局放值2.0 pC，結(jié)果均合格。

返廠電性能試驗(yàn)：耐壓試驗(yàn)合格，局放試驗(yàn)13 pC不合格，如圖11（b）所示。

X射線探傷試驗(yàn)：進(jìn)行X射線觀測(cè)，因該零件在X射線成像不明顯，未觀測(cè)到任何異常，如圖11（c）所示。

3.3 解剖分析

在外觀有黑色印記處剖開(kāi)斷面，發(fā)現(xiàn)零件嵌件端部出現(xiàn)黑色痕跡，初步判定為產(chǎn)生局部放電位置，如圖11（d）所示。對(duì)該零件斷面進(jìn)行切割，取樣，測(cè)量密度和熱變形溫度，測(cè)量結(jié)果均在要求值范圍內(nèi)，由此可判定該零件生產(chǎn)澆注工藝過(guò)程控制正常。

圖11 缺陷絕緣件返廠試驗(yàn)及解剖處理情況

通過(guò)試驗(yàn)與分析，解剖處存在缺陷才會(huì)產(chǎn)生局部放電信號(hào)?？紤]到缺陷設(shè)備運(yùn)行已5年未發(fā)現(xiàn)異常，結(jié)合原始試驗(yàn)記錄和絕緣件返廠試驗(yàn)，分析表明，該絕緣件在產(chǎn)品總裝過(guò)程中由于某螺釘受力不均或力矩大于工藝要求，雖然產(chǎn)品總裝完成后各項(xiàng)試驗(yàn)均正常通過(guò)，但設(shè)備運(yùn)行中該絕緣件在電場(chǎng)電磁波長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作用下，逐漸發(fā)展為較強(qiáng)烈的局部放電現(xiàn)象。

3.4 反事故措施

盡管GIS設(shè)備在出廠過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中，已經(jīng)過(guò)嚴(yán)格把控，但設(shè)備后期維護(hù)同樣重要。大部分絕緣故障是由細(xì)微缺陷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展、積累、擴(kuò)大，最終導(dǎo)致絕緣擊穿的，因此，運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)巡視，利用帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，充分掌握GIS運(yùn)行狀態(tài)，提早發(fā)現(xiàn)并排除潛在隱患，維護(hù)設(shè)備安全運(yùn)行。并應(yīng)大力研究GIS故障檢測(cè)新技術(shù)，推廣新方法，提高診斷精度，提升排查效率，縮短檢修時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一起500 kV HGIS內(nèi)部絕緣缺陷的檢測(cè)分析與處理，發(fā)現(xiàn)其缺陷原因是內(nèi)部絕緣件在產(chǎn)品總裝過(guò)程中由于某螺釘受力不均或力矩大于工藝要求，導(dǎo)致該絕緣件在電場(chǎng)電磁波長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作用下，產(chǎn)生較強(qiáng)烈的局部放電現(xiàn)象。利用多種檢測(cè)手段綜合分析，通過(guò)聲電聯(lián)合局放檢測(cè)精確定位缺陷位置，并經(jīng)解體后驗(yàn)證結(jié)論的正確性。

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Live Detection and Comprehensive Diagnosis for Internal Insulation Defect of 500 kV HGIS

LIU Jia?xin1，TANG Jia?neng1，LANG Ye?xing1，WEI De?fu1，LIU Feng?qiao2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Taiyuan University of Technolgy，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Combining with an example of internal insulation defect of 500 kV HGIS，UHF and ultrasonic joint detection technique and gas composition testing are carried out for defect positioning and analysis.The conclusion is that there is bubble discharge in an internal supporting insulator，which is verified by disintegration.The anti?accident measures are put forward.

HGIS；Partial discharge；Joint testing of UHF and AE；Live detection；Fault diagnosis

TM855

A

1004－7913（2016）09－0011－05

劉佳鑫（1985—），男，高級(jí)工程師，從事高壓開(kāi)關(guān)試驗(yàn)及帶電檢測(cè)技術(shù)相關(guān)研究工作。

2016－06－20）