帶電檢測(cè)技術(shù)在GIS缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

吳水鋒，齊 飛，黎治宇，范 敏

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

帶電檢測(cè)技術(shù)在GIS缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

吳水鋒，齊 飛，黎治宇，范 敏

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

介紹了目前常用的GIS帶電檢測(cè)技術(shù)手段及檢測(cè)方法，給出了一種精確缺陷定位方法。結(jié)合利用帶電檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)的500 kV HGIS設(shè)備潛伏性缺陷的典型案例，對(duì)特高頻及超聲波檢測(cè)、氣體成分分析、紅外熱像檢測(cè)、聲電聯(lián)合定位技術(shù)等帶電檢測(cè)技術(shù)手段的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)解體驗(yàn)證了綜合檢測(cè)手段的有效性和檢測(cè)結(jié)果的正確性。

帶電檢測(cè)；特高頻；超聲波；氣體成分分析；紅外檢測(cè)；聲電聯(lián)合定位

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱GIS)由于其占地面積小，滅弧能力強(qiáng)，運(yùn)行可靠、檢修周期長(zhǎng)且不受環(huán)境污染和高海拔影響等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而GIS設(shè)備由于在設(shè)計(jì)、裝配、安裝、長(zhǎng)期運(yùn)行等原因，可能出現(xiàn)各種缺陷，其缺陷性質(zhì)大致有放電、過(guò)熱以及振動(dòng)等。如任由這些缺陷發(fā)展，可能會(huì)影響GIS設(shè)備的運(yùn)行安全，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備損壞〔1〕。

GIS設(shè)備停電試驗(yàn)雖然能夠發(fā)現(xiàn)部分缺陷，但停電試驗(yàn)電壓較低，難以反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的真實(shí)狀況；并且高壓設(shè)備的絕緣劣化是一個(gè)長(zhǎng)期累積和發(fā)展的過(guò)程，停電試驗(yàn)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)該類潛伏性缺陷〔2〕。GIS設(shè)備帶電檢測(cè)技術(shù)能夠在不停電的情況下，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部局部放電及其它缺陷信號(hào)，判斷GIS內(nèi)部缺陷信息及其嚴(yán)重程度，實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位〔3-4〕，對(duì)故障提出預(yù)警，從而可以實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃的安排檢修，減少設(shè)備損壞和事故發(fā)生。

1 常用局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)述

目前，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常采用的GIS局部放電帶電檢測(cè)方法主要有特高頻局部放電帶電檢測(cè)、超聲波局部放電帶電檢測(cè)、SF6氣體成分分析、紅外熱成像檢測(cè)。

1.1 特高頻局部放電帶電檢測(cè)

當(dāng)GIS設(shè)備內(nèi)部存在局部放電時(shí)，擊穿過(guò)程很快，將產(chǎn)生很陡的脈沖電流，其上升時(shí)間小于1 ns〔5〕，并激發(fā)出頻率高達(dá)300～3 000 MHz的特高頻電磁波信號(hào)。GIS的同軸結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)良好的波導(dǎo)，特高頻電磁波信號(hào)在其內(nèi)部傳播時(shí)衰減很小，在經(jīng)過(guò)盆式絕緣子等非金屬連接部位時(shí)，特高頻電磁波信號(hào)會(huì)向外傳播〔6-7〕。

特高頻局部放電帶電檢測(cè)就是根據(jù)局部放電所激發(fā)的電磁波的這些特性，利用內(nèi)置或外置的特高頻傳感器來(lái)接收電磁波信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行分析，從而判斷缺陷類型和進(jìn)行缺陷定位。

1.2 超聲波局部放電帶電檢測(cè)

當(dāng)GIS設(shè)備內(nèi)部存在放電或振動(dòng)缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊的聲波或振動(dòng)，以球面波的形式向外傳播，把頻率在20～100 kHz的聲波稱為超聲波〔8〕，超聲波信號(hào)通過(guò)殼體向外傳播，

超聲波局部放電帶電檢測(cè)就是通過(guò)放置在GIS殼體上的壓敏傳感器接收傳播到殼體上的超聲波信號(hào)，再通過(guò)對(duì)聲信號(hào)的分析判斷來(lái)診斷GIS內(nèi)部是否發(fā)生了局部放電或異常振動(dòng)缺陷〔9-10〕，并實(shí)現(xiàn)放電或異常振動(dòng)缺陷的定位。

1.3 氣體成分分析

當(dāng)GIS設(shè)備內(nèi)部存在放電或過(guò)熱缺陷時(shí)，放電及過(guò)熱產(chǎn)生的能量會(huì)導(dǎo)致SF6氣體發(fā)生分解，產(chǎn)生SO2，H2S，CO等分解產(chǎn)物，不同的缺陷類型其分解產(chǎn)物有一定差別，通過(guò)采用SF6氣體分解產(chǎn)物分析設(shè)備對(duì)SF6氣體進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)診斷GIS設(shè)備內(nèi)部放電或過(guò)熱缺陷〔11〕。

1.4 紅外熱像檢測(cè)技術(shù)

任何物體由于其自身分子的運(yùn)動(dòng)，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場(chǎng)，俗稱“熱像”。電力設(shè)備故障發(fā)熱時(shí)也會(huì)發(fā)射紅外線，并形成熱像。紅外熱像檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)吸收這種紅外輻射能量，測(cè)出電力設(shè)備表面的溫度及溫度場(chǎng)的分布，從而判斷設(shè)備發(fā)熱情況。

1.5 缺陷定位技術(shù)

缺陷定位技術(shù)主要包括幅值定位和時(shí)延定位。幅值定位主要是利用特高頻及超聲波信號(hào)的衰減作用，距離放電源越近的傳感器檢測(cè)到的信號(hào)越強(qiáng)，但由于特高頻信號(hào)在GIS腔體中衰減較小，因此采用特高頻幅值定位時(shí)定位精度較差，往往只能將缺陷定位到某一個(gè)間隔或氣室。時(shí)延定位技術(shù)是根據(jù)所測(cè)信號(hào)的時(shí)間差與被測(cè)信號(hào)的傳播速度的乘積來(lái)計(jì)算放電源到傳感器的距離，時(shí)延定位又可分為電電聯(lián)合定位、聲聲聯(lián)合定位以及聲電聯(lián)合定位技術(shù)，當(dāng)能同時(shí)檢測(cè)到特高頻及超聲波信號(hào)時(shí)，可采用聲電聯(lián)合定位法進(jìn)行放電源定位。

聲電聯(lián)合定位示意圖如圖1所示，將超聲波傳感器放置于距離放電源較近且與放電源同氣室的GIS外殼上，特高頻傳感器置于放電源氣室的盆式絕緣子上，同時(shí)采集局放源的超聲波信號(hào)及特高頻電磁波信號(hào)。由于特高頻電磁波信號(hào)在SF6氣體中的傳播速度較快，接近光速(約為0.3 m/ns)，超聲波在SF6氣體中的傳播速度相對(duì)于電磁波較慢(約等于140 m/s)〔12〕，因此可以將特高頻檢測(cè)到信號(hào)的時(shí)刻作為信號(hào)的起始時(shí)刻，則超聲波信號(hào)起始沿與特高頻信號(hào)的時(shí)間差Δt可認(rèn)為超聲波信號(hào)從放電源傳播到超聲波傳感器的時(shí)間，該時(shí)間差與超聲波信號(hào)在SF6氣體中傳播速度的乘積即為放電源到超聲波傳感器的距離，計(jì)算公式如式(1)所示。

式中 v為超聲波在SF6氣體中的傳播速度。

圖1 聲電聯(lián)合定位示意圖

2 GIS帶電檢測(cè)缺陷實(shí)例分析

2.1 缺陷類型分析

某500 kV變電站檢測(cè)人員在對(duì)500 kV HGIS開(kāi)展帶電檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該站50211 C相氣室特高頻及超聲波信號(hào)異常，檢測(cè)到特高頻檢測(cè)圖譜如圖2所示，超聲波檢測(cè)圖譜如圖3所示。

檢測(cè)人員隨后開(kāi)展了氣體成分分析檢測(cè)，50211隔離開(kāi)關(guān)ABC三相氣室SF6氣體成分分析數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 檢測(cè)結(jié)果μL/L

圖2 特高頻檢測(cè)圖譜

圖3 超聲波檢測(cè)圖譜

對(duì)50211隔離開(kāi)關(guān)C相氣室開(kāi)展紅外熱像檢測(cè)，無(wú)異常，檢測(cè)圖譜如圖4所示。

圖4 50211隔離開(kāi)關(guān)C相氣室紅外熱像圖譜

根據(jù)特高頻檢測(cè)圖譜，PRPS圖譜在一個(gè)工頻周期內(nèi)有兩簇明顯集聚，PRPD圖譜在一個(gè)工頻周期內(nèi)有兩簇信號(hào)，并呈“內(nèi)八字”(見(jiàn)圖2)；根據(jù)測(cè)得的超聲波飛行時(shí)間圖譜(見(jiàn)圖3(b))不具有“三角駝峰”特征，飛行圖的顆粒飛行時(shí)間小于20 ms，可以排除自由顆粒在電場(chǎng)作用下遷移放電的可能；根據(jù)連續(xù)圖譜，100 Hz相關(guān)性明顯，相位圖譜顯示一個(gè)工頻周期內(nèi)有兩簇信號(hào)(見(jiàn)圖3)，特高頻及超聲圖譜均具有懸浮電位放電特征。

由表1可知，C相氣室存在微量的SO2特征氣體，同間隔其他相均未檢測(cè)到SO2特征氣體，紅外熱像檢測(cè)無(wú)異常，可以排除發(fā)熱的可能，該氣室內(nèi)存在放電。綜合分析可以判斷該氣室內(nèi)部缺陷為懸浮電位放電缺陷

2.2 缺陷定位分析

采用超聲波幅值定位，測(cè)點(diǎn)分布如圖5，測(cè)點(diǎn)7位于測(cè)點(diǎn)3正對(duì)面位置。

圖5 超聲波幅值定位測(cè)點(diǎn)分布圖

各測(cè)點(diǎn)超聲波測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 各檢測(cè)點(diǎn)超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)mV

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)幅值分布可知，測(cè)點(diǎn)6信號(hào)幅值最大，初步判斷該點(diǎn)距局放源最近。對(duì)測(cè)點(diǎn)6圓周方向進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)分布如圖6所示，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6 測(cè)點(diǎn)6圓周方向測(cè)點(diǎn)分布

表3 測(cè)點(diǎn)6圓周方向各測(cè)點(diǎn)信號(hào)幅值mV

測(cè)點(diǎn)6圓周方向上各測(cè)點(diǎn)信號(hào)幅值變化不大，基本可排除缺陷位于測(cè)點(diǎn)6所處位置殼體的可能。

采用聲電聯(lián)合定位技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，超聲傳感器一和二分別位于圖5中測(cè)點(diǎn)6和測(cè)點(diǎn)5處。檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

由圖7聲電聯(lián)合定位結(jié)果可知，測(cè)點(diǎn)6超聲信號(hào)超前于測(cè)點(diǎn)5，特高頻信號(hào)與超聲傳感器一信號(hào)起始沿時(shí)間差Δt約為600 μs，使用公式(1)計(jì)算可知放電源距離測(cè)點(diǎn)6為8.4 cm左右。

圖7 聲電聯(lián)合定位結(jié)果

出線套管及升高座內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。由圖8可知，套管屏蔽筒與其支撐絕緣件連接部位位于測(cè)點(diǎn)6所處水平面，并且該連接部位與升高座殼體距離為9 cm左右。因此，綜合分析可以判斷，缺陷位置位于套管屏蔽筒與其支撐絕緣件的連接部位。缺陷原因可能為出線套管屏蔽筒和其支撐絕緣子的固定螺栓松動(dòng)，在電場(chǎng)作用下，發(fā)生懸浮電位放電。

圖8 50211氣室出線套管及升高座內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 解體檢查

12月3日，對(duì)該出線套管及升高座進(jìn)行了解體分析，拆除升高座后發(fā)現(xiàn)其筒壁內(nèi)有大量放電殘留物。拆除屏蔽罩端蓋后發(fā)現(xiàn)其與支撐絕緣件連接處緊固螺栓對(duì)應(yīng)位置有6處放電痕跡。緊固螺栓及墊片表面有明顯放電痕跡，已無(wú)金屬光澤。

2.4 解體情況分析

1)根據(jù)升高座內(nèi)部放電殘留物及放電痕跡判斷，該相出線套管運(yùn)行中內(nèi)部存在局部放電，放電位置位于屏蔽筒端部螺栓固定處，與帶電檢測(cè)定位分析結(jié)果一致。

2)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖譜特征和解體后發(fā)現(xiàn)的放電痕跡及位置，該放電是由于屏蔽筒與其支撐絕緣件之間的固定螺栓松動(dòng)造成的多處懸浮電位放電。

3)該套管屏蔽筒通過(guò)8顆螺栓固定在支撐絕緣件上，屏蔽筒全部重量由支撐絕緣件承擔(dān)，應(yīng)力較為集中；現(xiàn)場(chǎng)檢查所有螺栓均未采取有效防松措施，且裝配時(shí)力矩不足，投運(yùn)后在重力、電場(chǎng)力等作用下極易發(fā)生松動(dòng)。

2.5 處理后復(fù)測(cè)情況

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)缺陷氣室進(jìn)行了處理，檢修后耐壓及帶電檢測(cè)結(jié)果正常，未發(fā)現(xiàn)局部放電信號(hào)。

3 結(jié)論及建議

1)采用帶電檢測(cè)技術(shù)能夠有效的發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備存在潛伏性缺陷，有效指導(dǎo)檢修決策及方案制定，提前檢修處理，避免設(shè)備故障的發(fā)生。

2)采用缺陷定位技術(shù)能夠準(zhǔn)確的確定缺陷的部位，但在進(jìn)行缺陷定位時(shí)應(yīng)將定位結(jié)果與設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)相結(jié)合，進(jìn)行綜合分析。

3)加強(qiáng)GIS設(shè)備工藝控制，嚴(yán)格把控設(shè)備入網(wǎng)質(zhì)量，從源頭上杜絕設(shè)備事故的發(fā)生。

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Typical application of energized test technique in GIS

WU Shuifeng，QI Fei，LI Zhiyu，F(xiàn)AN Min
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper introduces charged detection techniques and testing methods in GIS，as well as the method of defect localization.Combined with the typical case of 500 kV HGIS the paper analyzes charged detection techniques of UHF and ultrasonic testing，gas composition analysis，infrared temperature measurement and electro acoustic positioning technology.The effectiveness of the integrated test method and the correctness of the test results have been verified through disintegration.

charged detection；ultra high frequency(UHF)；acoustic emission(AE)；gas composition analysis；infrared temperature measurement；electro acoustic positioning

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0076-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.020

2015-12-29 改回日期:2016-02-24