超聲波、特高頻局部放電聯(lián)合定位方法的應(yīng)用研究

郝海燕， 向 聰

(1.咸陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院， 陜西 咸陽 712000；2.西安西拓電氣股份有限公司， 陜西 西安 710049)

超聲波、特高頻局部放電聯(lián)合定位方法的應(yīng)用研究

郝海燕1， 向 聰2

(1.咸陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院， 陜西 咸陽 712000；2.西安西拓電氣股份有限公司， 陜西 西安 710049)

將GIS設(shè)備帶電檢測方法和故障定位技術(shù)相結(jié)合,通過500 kV GIS設(shè)備內(nèi)部局部放電定位實(shí)例，驗(yàn)證了超聲波法和特高頻法聯(lián)合定位的可行性、適用性?，F(xiàn)場應(yīng)用情況表明，兩種方法相結(jié)合，能對GIS設(shè)備缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位，為GIS設(shè)備安全運(yùn)行提供有力保障。

超聲波； 特高頻； GIS； 局放定位

隨著國家特高輸電戰(zhàn)略的逐步實(shí)施和建設(shè)智能電網(wǎng)計(jì)劃的不斷完善，GIS(Gas Insulated Switchgear)設(shè)備在整個(gè)電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越多。但在GIS制造、運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝、調(diào)試過程中存在著一些絕緣性缺陷。這些缺陷在GIS運(yùn)行過程中可能會引發(fā)絕緣故障，甚至造成嚴(yán)重的系統(tǒng)事故[1]。GIS設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能否快速準(zhǔn)確地對缺陷進(jìn)行定位，是決定GIS檢修效率的關(guān)鍵。因此，GIS局部放電定位技術(shù)在現(xiàn)場檢修維護(hù)中受到了廣泛關(guān)注。現(xiàn)場實(shí)踐表明，超聲波和特高頻檢測法相結(jié)合的聯(lián)合定位方法，有效地彌補(bǔ)了單一診斷方法的不足之處，能及時(shí)有效地避免GIS設(shè)備在運(yùn)行中發(fā)生事故，保證了電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電力設(shè)備局部放電定位方法

1.1 超聲波局部放電定位方法

電力設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生局部放電信號時(shí)，會產(chǎn)生沖擊的振動及聲音?？梢酝ㄟ^超聲波(Acoustic Emission，AE)法在設(shè)備腔體外壁上安裝超聲波傳感器來測量局部放電信號。超聲波法與傳統(tǒng)方法比較，對自由顆粒放電很靈敏，定位準(zhǔn)確度高。但由于超聲信號在GIS環(huán)氧樹脂絕緣材料中的衰減較大，對于盆式絕緣子上的顆粒放電和盆式絕緣子內(nèi)部氣泡引起的放電很難檢測到[2]。超聲波局部放電定位方法通常有幅值法和頻率法。

1.2 特高頻局部放電定位方法

特高頻(Ultra high frequency，UHF)局部放電檢測法基本原理是通過特高頻傳感器對電力設(shè)備中局部放電時(shí)產(chǎn)生的特高頻電磁波(300 MHz≤f≤3 GHz)信號進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)對GIS等設(shè)備進(jìn)行局部放電檢測。

當(dāng)GIS設(shè)備出現(xiàn)局放缺陷時(shí)，放電類型的準(zhǔn)確定位能夠極大的方便缺陷部位元件的查找及放電類型的診斷，提高檢修工作的效率。然而，局放源的定位往往會受現(xiàn)場檢測環(huán)境的影響。所以，局放源的定位通常是和現(xiàn)場干擾源的排除緊密結(jié)合[5]。特高頻局放定位的方法通常有幅值比較法、時(shí)差法等。

1.3 超聲波和特高頻局部放電定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)

超聲波局放定位具有靈敏度高、定位方便、抗電磁干擾能力強(qiáng)和適應(yīng)范圍廣等優(yōu)勢，但對于GIS內(nèi)部缺陷(如GIS盆式絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷)存在不靈敏、檢測范圍小等不足之處。特高頻局放定位具有檢測靈敏度高、抗電暈干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)局放源定位和便于識別絕緣缺陷類型等優(yōu)點(diǎn)，但存在易受環(huán)境中特高頻電磁波干擾的影響、對全封閉的電力設(shè)備無法檢測等問題。因此，現(xiàn)場檢測中將超聲波和特高頻局放定位相結(jié)合，發(fā)揮各自技術(shù)手段的優(yōu)勢，將會大大提高GIS設(shè)備故障定位的準(zhǔn)確性和高效性。

2 超聲波和特高頻局部放電聯(lián)合定位方法

2.1 檢測方法

(1)使用特高頻局放儀對GIS設(shè)備進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到異常信號時(shí)，距離放電源最近的傳感器將會接收到最強(qiáng)的局放信號。同時(shí)對GIS進(jìn)行多點(diǎn)檢測，傳感器收到信號最強(qiáng)最大的測點(diǎn)可能最接近局放源的位置。通過能量衰減法，可以將局部放電信號確定在某一段氣室內(nèi)。

(2)將超聲波傳感器貼在已確定的這段GIS氣室外殼上，沿殼體軸向移動超聲波傳感器，尋找超聲波信號幅值的最大點(diǎn)。

圖1 超聲波和特高頻聯(lián)合定位示意圖

(3)在信號最大值點(diǎn)沿切面徑向繞殼體一周移動超聲波傳感器，尋找超聲波信號最大位置。在此過程中，可通過檢測區(qū)域信號大小，以及在檢測區(qū)域內(nèi)信號變化情況，判斷局放源在外殼附近還是位于導(dǎo)體附近[3-4]。一般來說，檢測區(qū)域小，信號變化明顯的，為外殼局放信號；檢測區(qū)域大，信號變化不明顯的，為導(dǎo)體局放信號。

(4)通過頻率法驗(yàn)證局放缺陷的位置。根據(jù)SF6氣體對高頻信號的衰減特性，通過改變檢測帶寬，觀察信號幅值變化來判斷放電源的位置。檢測帶寬由10～100 kHz改為10～50 kHz時(shí)，信號變化明顯的，局放源多位于殼體上；信號變化不明顯，局放源多位于導(dǎo)體上[3-4]。圖1為檢測示意圖。

(5)根據(jù)各種局放缺陷的放電特征，判斷缺陷的放電類型，詳見表1、表2。

表1 電超聲波局放缺陷判據(jù)

2.2 適用范圍

超聲波和特高頻局放聯(lián)合定位法既可以對GIS設(shè)備、充SF6式罐式斷路器和開關(guān)柜的局放檢測，也可對變壓器及電纜終端等設(shè)備進(jìn)行檢測。現(xiàn)場檢測時(shí)，可根據(jù)被檢設(shè)備的實(shí)際情況而確定。目前超聲波和特高頻聯(lián)合定位技術(shù)在GIS缺陷診斷中應(yīng)用最為廣泛，診斷標(biāo)準(zhǔn)也比價(jià)完善。由于實(shí)際使用中，特高頻檢測法有一定局限性，僅能對有外置UHF傳感器和無金屬法蘭屏蔽的GIS設(shè)備進(jìn)行檢測，對有金屬屏蔽和全封閉電力設(shè)備無法實(shí)施該方法。因此，超聲波和特高頻聯(lián)合定位技術(shù)多用于GIS設(shè)備的缺陷診斷中。

2.3 局放缺陷判據(jù)

通過超聲波和特高頻聯(lián)合定位法確定出故障所在位置后，按照表1、表2所列判據(jù)對局放缺陷類型進(jìn)行判斷。

表2 典型缺陷局放圖譜分析

3 電力設(shè)備局部放電檢測現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 特高頻局部放電檢測儀應(yīng)用

2016年7月，檢測人員使用特高頻局部放電檢測儀對500 kV GIS設(shè)備進(jìn)行帶電巡檢工作。該500 kV變電站一次設(shè)備主接線采用3/2接線方式，檢測中在500 kV GIS設(shè)備Ⅰ母母線A相某盆式絕緣子處發(fā)現(xiàn)疑似局放信號，隨后檢測人員對局部放電信號進(jìn)行定位。

由于500 kV GIS設(shè)備盆式絕緣子采用金屬法蘭結(jié)構(gòu)，因此檢測信號僅能通過盆式絕緣子上預(yù)留的澆筑孔傳出。澆筑孔形狀為矩形，長約8 cm，寬約4 cm。檢測時(shí)需將澆筑孔上的蓋板打開，將特高頻傳感器緊貼于盆式絕緣子的預(yù)留口上采集信號。Ⅰ母母線A相故障定位示意圖如圖2所示。

圖2 故障定位示意圖

Ⅰ母母線A相分支異常信號段有3個(gè)盆式絕緣子，測試位置如圖2所示的a、b、c標(biāo)記位置。其中a、b、c絕緣子處特高頻局部放電檢測儀的脈沖序列相位分布圖譜(Phase Resolved Pulse Sequence，PRPS)和局部放電相位圖譜(PhaseResolved Partial Discharge，PRPD)如圖3—4所示，根據(jù)能量衰減法可以大致確定局放源位于哪段母線內(nèi)。

(a) PRPS圖譜 (b) PRPD圖譜 圖3 a絕緣子處PRPS和PRPD圖譜

(a) PRPS圖譜 (b) PRPD圖譜 圖4 b絕緣子處PRPS和PRPD圖譜

(a) PRPS圖譜 (b) PRPD圖譜 圖5 c絕緣子處PRPS和PRPD圖譜

由測試結(jié)果可知，放電信號在工頻相位的正、負(fù)半周均有，且具有一定對稱性，放電信號幅值很大且相鄰放電信號時(shí)間間隔基本一致，放電次數(shù)較少，放電重復(fù)率較低。PRPS圖譜具有“內(nèi)八字”或“外八字”分布特征，PRPD圖譜放電信號主要集中在90°和270°附近。綜上分析，異常局放信號與懸浮電位放電信號相吻合[6-9]。

b絕緣子處信號最強(qiáng)，c絕緣子處信號次之，a絕緣子處信號最弱。從結(jié)構(gòu)圖2中可以看出，在a與b之間檢測時(shí)，信號在a絕緣子處有衰減，局放源可能位于b絕緣子附近；b絕緣子處比c絕緣子處信號強(qiáng)，b與c之間信號衰減很小，且c絕緣子處比a處信號強(qiáng)，可以排除局放源位于a、b之間的可能。由此可以判斷信號來自b、c盆式絕緣之間。

3.2 超聲波局部放電定位儀的應(yīng)用

針對上述區(qū)域檢測人員使用超聲波局部放電定位儀進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)位于b、c盆式絕緣子之間GIS母線內(nèi)置特高頻傳感器處超聲波局放儀檢測出異常信號，且信號幅值最大。超聲波檢測圖譜如圖6所示。

(a) 連續(xù)模式 (b) 相位模式 圖6 超聲波檢測圖譜

由檢測結(jié)果可知，異常部位連續(xù)模式下，圖譜中有效值為1.9 mV，最大值為9.6 mV，50 Hz相關(guān)性為0.26 mV，100 Hz相關(guān)性為0.24 mV；異常部位相位模式下，一個(gè)周期內(nèi)有兩簇信號聚集，信號主要聚集在90°與270°附近，100 Hz相關(guān)性明顯，呈現(xiàn)出典型懸浮電位放電圖譜。由以上分析可知，超聲波局放儀檢測到的圖譜信息與懸浮電位放電特征相一致[3，10-12]。

綜上分析，檢測到異常局部放電信號為懸浮電位放電產(chǎn)生。經(jīng)驗(yàn)表明，懸浮電位放電一般發(fā)生在斷路器氣室的屏蔽松動，PT和CT氣室絕緣支撐松動或偏移，母線氣室絕緣支撐松動或偏離，氣室連接部位接插件偏離或螺栓松動等。

3.3 綜合診斷分析及處理

根據(jù)檢測結(jié)果及此段GIS母線結(jié)構(gòu)圖可以判斷局放信號可能來自內(nèi)置特高頻傳感器?，F(xiàn)場檢測人員在運(yùn)行人員的監(jiān)護(hù)下打開位于b、c盆式絕緣子之間特高頻傳感器蓋板，聽見內(nèi)部明顯異常放電聲，與現(xiàn)場定位結(jié)果吻合。故障定位如圖7所示。

圖7 懸浮電位放電位置

現(xiàn)場檢測人員將情況反饋給相關(guān)部門，隨后相關(guān)部門結(jié)合檢修計(jì)劃對此故障進(jìn)行處理。處理后再次對GIS設(shè)備進(jìn)行復(fù)測，檢測結(jié)果正常，放電現(xiàn)象消失。

4 結(jié) 語

通過500 kV GIS設(shè)備內(nèi)部局部放電定位實(shí)例，驗(yàn)證了超聲波法和特高頻法聯(lián)合定位的可行性、適用性。利用超聲波和特高頻聯(lián)合定位法，將大大提高對GIS設(shè)備內(nèi)部缺陷識別準(zhǔn)確度，為今后GIS設(shè)備維護(hù)和安全運(yùn)行提供有力保障。

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[責(zé)任編輯：謝 平]

Application of ultrasonic and ultra high frequency positioning method

HAO Hai-yan1, XIANG Cong2

(1.Department of Physics and Electronics Engineering, Xianyang Normal College, Xianyang 712000, China;2.Xi’an West Electrical Co., LTD, Xi’an 710049, China)

This paper introduces the live detection method and fault location related technology of GIS equipment, and combines two detection methods. Through the example of partial discharge location in 500 kV GIS equipment, the feasibility and applicability of the combination of ultrasonic method and UHF method are verified. The field application shows that the combination of two methods can accurately locate the defects of GIS equipment, and provide a strong guarantee for the safe operation of GIS equipment.

ultrasonic wave; high frequency; GIS; partial discharge location

TM855

A

2096-3998(2017)05-0031-06

2016-12-07

2017-08-05

咸陽師范學(xué)院校級科研項(xiàng)目(XSYK17009)

郝海燕(1974—)，女，陜西省渭南市人，咸陽師范學(xué)院講師，碩士，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂啤⒏唠妷号c絕緣技術(shù)。