一起220 kV電壓互感器超聲波局部放電缺陷分析

董洪達(dá), 黃 濤, 馮世濤, 楊代勇, 張賽鵬, 矯立新, 葛志成, 陳冠遇

(1. 國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021；2. 國網(wǎng)長春供電公司，長春 130021)

近年來，氣體絕緣封閉組合電器(GIS)設(shè)備以其結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠性高、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。為維護(hù)設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行，GIS設(shè)備的缺陷檢測十分重要[1-3]。傳統(tǒng)的檢測方法在局部放電類缺陷檢測時，存在測量頻率低、頻帶窄、容易受外界干擾信號影響的缺點(diǎn)，難以發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行時內(nèi)部的潛伏性缺陷，且僅用在預(yù)防性試驗與交接試驗中，無法對運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行有效檢測；而超聲波局部放電檢測具備抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、定位準(zhǔn)確、缺陷類型識別清晰等特點(diǎn)[4-5]，更適于檢測設(shè)備運(yùn)行過程中的內(nèi)部缺陷，消除設(shè)備隱患，評估設(shè)備狀態(tài)[6-9]。

在某500 kV變電站的帶電檢測過程中，超聲波局部放電檢測發(fā)現(xiàn)一起220 kV電壓互感器內(nèi)部缺陷。本文以此為例，根據(jù)超聲波信號傳輸特點(diǎn)，提出超聲波局部放電缺陷診斷流程，利用不同方法，對該缺陷的發(fā)現(xiàn)、定位、定性等方面逐步進(jìn)行分析；并結(jié)合該電壓互感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終確定缺陷位置與缺陷產(chǎn)生原因，提出相應(yīng)檢修策略。

1 電壓互感器設(shè)備超聲波局部放電測試

某500 kV變電站220 kV GIS設(shè)備，220 kV 5號乙母線電壓互感器JDQXH-220，2014年8月出廠，2015年4月26日投運(yùn)，在檢出超聲波局部放電異常信號之前，電壓互感器運(yùn)行正常。該電壓互感器本體包括盆式絕緣子、導(dǎo)電管、器身、罐體。其中，器身由高壓繞組、低壓繞組、鐵心、屏蔽層和夾件組成。

1.1 超聲波局部放電檢測過程

2016年10月13日，在某500 kV變電站帶電檢測過程中，發(fā)現(xiàn)220 kV 5號乙母線電壓互感器間隔B相電壓互感器氣室存在超聲波局部放電異常信號。

超聲波信號在SF6氣體中有明顯的衰減現(xiàn)象，衰減值為26 dB/m。在局部放電檢測時，若存在局部放電信號，不同測試點(diǎn)的測試值會有較大差異[10-12]，可以采用幅值比較法對局部放電源進(jìn)行初步定位；不同頻帶的超聲波信號在SF6氣體中也有不同程度的衰減情況，可以通過改變儀器的測試頻帶來判斷局部放電源是否位于設(shè)備內(nèi)部；經(jīng)過初步判斷后，采用精確定位方法布置測試傳感器，可以對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位；然后比較三相同位置超聲波信號的圖譜特征，即可判斷缺陷類型，最后結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)，確認(rèn)該局部放電缺陷的位置和產(chǎn)生原因。通過對上述檢測過程進(jìn)行梳理，得到超聲波局部放電診斷流程(見圖1)。

現(xiàn)場檢測分析按照診斷流程依次開展，為準(zhǔn)確判斷缺陷情況，選取不同型號儀器(M、N)同時進(jìn)行檢測。

圖1 超聲波局部放電檢測流程

1.2 幅值比較法測試

根據(jù)診斷流程，首先采用幅值比較法進(jìn)行檢測，測試時超聲波局部放電測試點(diǎn)間距保持在1 m以內(nèi)，適當(dāng)密集。背景測試點(diǎn)選取附近金屬架構(gòu)，在該間隔B相電壓互感器氣室罐體上、中、下分別對稱(即罐體正面、背面)選取測試點(diǎn)1～6，對異常信號較強(qiáng)的罐體底部著重測試，分別在底部圓心測試點(diǎn)7、圓周上均勻分布選取測試點(diǎn)8～12。

通過對不同測試點(diǎn)幅值圖譜的比較，找到超聲波局部放電異常信號最大值點(diǎn)B12，并對A、C兩相同位置進(jìn)行測試，測試點(diǎn)幅值數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，在對B相電壓互感器氣室進(jìn)行超聲波局部放電測試中，測試點(diǎn)B12異常信號最強(qiáng)，而A、C兩相的相同位置無異常信號，說明該局部放電信號源僅存在于B相氣室。

表1 超聲波局部放電測試點(diǎn)幅值數(shù)據(jù) mV

隨后通過改變檢測頻帶方式判斷局部放電信號源位于殼體還是內(nèi)部，將儀器N的測量頻率從100 kHz減小到50 kHz，B12處異常信號水平無明顯變化，說明局部放電信號源不在該氣室殼體上，應(yīng)為內(nèi)部缺陷。

1.3 平面分位法測試

為找出局部放電信號源的具體位置，在幅值比較法的基礎(chǔ)上，采用平面分位法進(jìn)行精確定位。平面分位法原理見圖2，當(dāng)局部放電源發(fā)射局部放電脈沖時，該脈沖向空間各個方向傳播，由于超聲波信號在SF6氣體中衰減明顯，信號在平面X上傳播時，D1、D22點(diǎn)與局部放電源距離相等，2點(diǎn)檢測到的超聲波信號在幅值和時延上應(yīng)當(dāng)一致[13-15]。由此可見，利用D1、D22點(diǎn)超聲波信號一致的特點(diǎn)，即可得出局部放電源應(yīng)在D1、D2連線的垂直平分面上，以此類推，當(dāng)分別在三個平面上檢測局部放電信號時，就可以找出信號源的位置。

圖2 平面分位法原理圖

在采用幅值比較法時，已檢測到B相電壓互感器氣室罐體底部B12處異常信號最強(qiáng)，在此處建立直角坐標(biāo)系，用平面分位法進(jìn)行精確定位，測試點(diǎn)分布見圖3。

圖3 平面分位法測點(diǎn)分布

在平面xoy上，選取測試點(diǎn)，使得兩個測試點(diǎn)處的超聲波信號在幅值和時延上一致，得到兩點(diǎn)J1、J2，則局部放電源應(yīng)在J1J2的垂直平分面a上。在平面xoy與a的交線上，按照同樣方式找到信號一致的兩個測試點(diǎn)K1、K2，得到K1K2的垂直平分面b，則局部放電源應(yīng)在平面a與b的交線l1上。由于交線l1位于B相電壓互感器氣室罐體的內(nèi)部，在該氣室罐體表面選取交線l1的平行線l2，在平行線l2上找到對應(yīng)的兩個測試點(diǎn)S1、S2，得到S1S2的垂直平分面c，則局部放電源應(yīng)在平面c與交線l1的交點(diǎn)S上，采用平面分位法得到局部放電源位于交點(diǎn)S處。

測試點(diǎn)對應(yīng)超聲波信號波形見圖4，由于每次選取的兩個測試點(diǎn)與局部放電源的距離近似相等(通過不斷調(diào)整兩測試點(diǎn)的位置，同時觀察比較信號波形基本一致來得到)，所以圖4中每一對測點(diǎn)的幅值和時延均基本保持一致，但由于在現(xiàn)場測試過程中，傳感器尺寸較大，且大于兩測試點(diǎn)到局部放電源的距離之差，因此局部放電信號在兩個測試點(diǎn)處的幅值和時延上仍有一定偏差。

圖4 測試點(diǎn)超聲波信號波形

2 缺陷特征與原因分析

由上述2種定位結(jié)果可知，該超聲波局部放電信號源位于B相電壓互感器氣室內(nèi)部點(diǎn)S處，屬于內(nèi)部缺陷。根據(jù)幅值比較法的檢測結(jié)果，測試點(diǎn)B12處的有效值和周期峰值最大，分別超出背景值10.51 mV、43.87 mV。B12處的頻率成分均為100 Hz，且已達(dá)到3.7 mV；時域波形中一個工頻周期內(nèi)出現(xiàn)兩簇脈沖信號，且信號強(qiáng)度一致；相位圖譜信號均勻分布，呈豎條形?？梢姡摮暡ň植糠烹姰惓Ｐ盘枅D譜符合振動特征。

對于電壓互感器而言，磁致伸縮效應(yīng)也可能出現(xiàn)具有振動特征的圖譜，但通常在三相同時存在，且幅值數(shù)據(jù)僅在幾毫伏級別。而對于被測電壓互感器，由表1可知，A、C相幅值數(shù)據(jù)與背景值幾乎一致，僅B相幅值明顯升高，且有效值、周期峰值均較大，說明該異常信號并不是由磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致的，而屬于機(jī)械振動。

隨后對該電壓互感器B相氣室進(jìn)行特高頻局部放電和SF6分解物檢測，檢測結(jié)果均未見異常，說明該氣室的機(jī)械振動并未引起局部放電。

根據(jù)上述定位結(jié)果，該超聲局部放電信號源應(yīng)位于電壓互感器B相氣室內(nèi)部，距離該氣室罐體底部法蘭外沿約5 cm，底部法蘭平面約10 cm處，此處為鐵心與夾件連接處，由此可知，該超聲波局部放電信號應(yīng)為夾件連接處松動，在電動力的作用下發(fā)生機(jī)械振動導(dǎo)致的。

該超聲波局部放電信號源并未引起局部放電，未對設(shè)備的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，但若缺陷持續(xù)發(fā)展，可能會引起懸浮放電等情況，應(yīng)對該氣室進(jìn)行跟蹤檢測，結(jié)合停電機(jī)會進(jìn)行解體檢修，并驗證超聲波局部放電缺陷的分析結(jié)果。

3 結(jié)論

本文針對某500 kV變電站一起220 kV電壓互感器局部放電缺陷，提出了超聲波局部放電診斷流程，進(jìn)行了檢測與診斷工作，得出如下結(jié)論。

a.采用2種超聲波局部放電檢測方法將局部放電信號源定位到了該電壓互感器B相氣室內(nèi)部，距離該氣室罐體底部法蘭外沿約5 cm，底部法蘭平面約10 cm處。

b.該缺陷原因為電壓互感器B相氣室內(nèi)部鐵心與夾件連接處存在松動，在電動力的作用下發(fā)生機(jī)械振動。

通過對該案例的診斷與分析，驗證了超聲波局部放電診斷流程和定位分析方法的準(zhǔn)確性，在以后的檢測過程中，應(yīng)采用文中檢測流程和定位方法進(jìn)行綜合分析，以保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。