基于超聲波檢測技術(shù)的GIS內(nèi)部自由顆粒缺陷分析

岳 美，楊秀龍，許景華，孫 明，黃文心

（國網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司，山東 日照 276826）

0 引言

氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）設(shè)備因其占地小、環(huán)境友好的特點(diǎn)在變電站中得到廣泛應(yīng)用，但在GIS 內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的局部放電影響設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，停電檢修往往需要多個(gè)氣室設(shè)備配合停電，影響范圍和處理難度較大。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，GIS 設(shè)備局部放電中異物放電占比最高［1］，主要原因?yàn)镚IS 內(nèi)存在金屬異物或其他雜質(zhì)。GIS 內(nèi)異物為設(shè)備投運(yùn)前遺留或設(shè)備運(yùn)行操作過程中產(chǎn)生，加強(qiáng)GIS 設(shè)備投運(yùn)前和運(yùn)行中的局部放電檢測對(duì)預(yù)防設(shè)備故障發(fā)生尤其重要。

超聲波局部放電檢測能夠捕捉設(shè)備內(nèi)部缺陷時(shí)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，通過與其他聲、電、光、化學(xué)檢測技術(shù)綜合應(yīng)用［2-5］能夠有效發(fā)現(xiàn)GIS 設(shè)備內(nèi)部缺陷。超聲波局部放電檢測抗電磁干擾能力強(qiáng)，檢測圖譜能夠體現(xiàn)設(shè)備自由顆粒特征，對(duì)異物顆粒導(dǎo)致的放電比較敏感，在GIS設(shè)備局部放電檢測中應(yīng)用廣泛。

針對(duì)某220 kV變電站新擴(kuò)建設(shè)備超聲波局部放電檢測情況，通過物理分析、圖譜對(duì)比判斷局部放電情況，經(jīng)解體檢查確定分析的準(zhǔn)確性，避免設(shè)備投運(yùn)后故障發(fā)生。

1 超聲波局部放電檢測技術(shù)

1.1 檢測原理

GIS設(shè)備內(nèi)部存在絕緣缺陷或異物顆粒時(shí)，氣室內(nèi)局部場強(qiáng)發(fā)生畸變［6-7］，嚴(yán)重時(shí)會(huì)誘發(fā)沿面閃絡(luò)或其他設(shè)備故障。局部場強(qiáng)畸變引起設(shè)備局部放電時(shí)，放電點(diǎn)分子間劇烈碰撞并在瞬間形成超聲波脈沖，一部分脈沖信號(hào)通過SF6氣體傳到外殼，一部分通過導(dǎo)體、絕緣子等傳到外殼，通過貼緊在外殼上的壓敏傳感器接收外殼上的超聲波信號(hào)，經(jīng)處理終端對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行分析。

1.2 檢測流程和難點(diǎn)

超聲波局部放電檢測儀接收設(shè)備內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，檢測的信號(hào)與放電源不存在直接電氣聯(lián)系，因此抗電磁干擾能力較強(qiáng)。與電磁波相比，超聲波信號(hào)傳輸速度慢，便于放電點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。但超聲波在介質(zhì)傳播過程中信號(hào)衰減較快，在現(xiàn)場檢測過程中，要周密選取檢測點(diǎn)和間隔距離，以免漏測放電點(diǎn)；同時(shí)與檢測GIS 設(shè)備內(nèi)超聲波信號(hào)相比，外部干擾源信號(hào)更容易傳至傳感器，超聲波局部放電檢測過程中要充分排除干擾，以免外部干擾源信號(hào)過強(qiáng)時(shí)覆蓋局部放電信號(hào)。超聲波局部放電檢測現(xiàn)場應(yīng)用基本流程如圖1所示。

圖1 檢測流程

2 GIS設(shè)備缺陷分析應(yīng)用

2.1 缺陷分析過程

某變電站新擴(kuò)建GIS 設(shè)備交接試驗(yàn)，通過串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)合格后，對(duì)220 kV待用一212 間隔A 相設(shè)備施加160 kV、頻率98.8 Hz電壓進(jìn)行局部放電檢測，檢測發(fā)現(xiàn)212-3 開關(guān)A 相氣室超聲波信號(hào)異常，特高頻及SF6分解產(chǎn)物檢測正常，檢測過程異常信號(hào)間歇性出現(xiàn)，聲音不穩(wěn)定且出現(xiàn)多次變化。對(duì)該間隔進(jìn)行3 次長時(shí)間的持續(xù)檢測，各次檢測信號(hào)幅值最大位置如圖2 所示，集中位于-3開關(guān)與-D5接地開關(guān)之間，見圖2中紅圈處。

圖2 檢測位置

第1 次檢測時(shí)，聲音為明顯類似顆粒放電聲音，放電信號(hào)不穩(wěn)定存在明顯間歇現(xiàn)象，位置如圖2 中①所示；第2 次檢測時(shí)，聲音為明顯振動(dòng)聲響，位置如圖2中②所示，位置降低；第3次檢測時(shí)，再次出現(xiàn)明顯放電聲音，位置如圖2 中③所示。各次檢測信號(hào)幅值如表1所示。位置①的檢測圖譜如圖3—圖5所示，位置③檢測飛行圖譜如圖6所示。

表1 檢測數(shù)據(jù) 單位：mV

圖3 第1次檢測超聲波幅值

圖4 第1次檢測超聲波飛行圖

圖5 第1次檢測超聲波波形

圖6 第3次檢測超聲波飛行圖

由表1和圖3可知，該氣室超聲波周期最大值明顯大于背景值，將儀器檢測頻率從50 Hz逐檔位調(diào)整至100 Hz，周期最大值無明顯變化，頻率成分1 和頻率成分2均為0，3次檢測均表現(xiàn)相同的幅值特征。

圖4 和圖6 均顯示出典型的三角駝峰狀自由顆粒放電圖譜，兩次幅值最大位置不同，說明顆粒在腔體存在明顯移動(dòng)。從顆粒跳動(dòng)超聲波信號(hào)的幅值、飛行時(shí)間可知，兩次測得的跳動(dòng)信號(hào)幅值最大值均在10 mV 左右，根據(jù)以往相同電壓等級(jí)自由顆粒放電檢測幅值判斷，腔體內(nèi)異物顆粒撞擊殼體的動(dòng)量較大，但兩次信號(hào)飛行時(shí)間均較小，說明顆粒受電場力驅(qū)動(dòng)自由移動(dòng)到高場強(qiáng)區(qū)域能力較小。

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和檢測過程繪制氣室內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)如圖7 所示，GIS 罐體內(nèi)異物顆粒當(dāng)設(shè)備未通電時(shí)，其處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)設(shè)備通電后，由于靜電感應(yīng)效應(yīng)，異物顆粒會(huì)帶電荷，與外殼及其他部分碰撞也會(huì)帶有電荷，當(dāng)場強(qiáng)逐漸增加，庫侖力等電場力在重力相反方向上的分量大于重力時(shí)，顆粒從氣室底部浮起，隨著電場力的變化發(fā)生跳躍，并與殼體發(fā)生碰撞，由于該氣室下方盆式絕緣子為水平布置，由3 次檢測結(jié)果可知，異物顆粒落在絕緣盆上的概率較大，由于顆粒運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，有導(dǎo)致設(shè)備沿面閃絡(luò)的可能性，因此需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查處理。

圖7 顆粒運(yùn)動(dòng)

2.2 缺陷處理情況

為避免設(shè)備帶病投運(yùn)，檢修人員協(xié)同廠家技術(shù)人員對(duì)220 kV 待用一212-3 開關(guān)A 相氣室進(jìn)行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)開關(guān)氣室下部盆式絕緣子上存在一個(gè)白色樹脂環(huán)狀異物，如圖8、圖9 所示，該間隔GIS 為廠內(nèi)裝配并整間隔運(yùn)輸至變電站現(xiàn)場，白色樹脂環(huán)狀異物非開關(guān)氣室內(nèi)設(shè)備附件，分析該異物為設(shè)備在廠內(nèi)裝配時(shí)遺留。隨后對(duì)氣室徹底清理后，再進(jìn)行局部放電檢測復(fù)測，超聲波和特高頻局部放電檢測未見異常。

該組合電器在駐廠監(jiān)造時(shí)已對(duì)斷路器、開關(guān)200次磨合和清理情況進(jìn)行抽驗(yàn)，并檢查裝配記錄合格。從3 次帶電檢測情況分析，此次異物由氣室上部掉落到下部盆式絕緣子上。在廠內(nèi)裝配、磨合試驗(yàn)清理后應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行徹底檢查，檢查部位不僅是下部盆式絕緣子或殼體，應(yīng)同時(shí)使用內(nèi)窺鏡對(duì)設(shè)備進(jìn)行徹底檢查。設(shè)備廠內(nèi)預(yù)裝后應(yīng)加強(qiáng)局部放電檢測，減少同類缺陷發(fā)生。

圖8 220 kV待用一212-3開關(guān)A相氣室內(nèi)異物

圖9 異物取出

3 結(jié)語

超聲波局部放電檢測可以有效發(fā)現(xiàn)GIS 設(shè)備內(nèi)部的異物放電等缺陷，對(duì)GIS 內(nèi)非金屬異物也具有一定敏感性，交接試驗(yàn)非50 Hz試驗(yàn)頻率進(jìn)行局部放電檢測時(shí)對(duì)顆粒放電類型判斷影響較小，但對(duì)其他放電類型判斷有一定影響，測試時(shí)需要結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)電壓頻率選擇相應(yīng)的測試頻率，對(duì)測試頻率分量、2倍測試頻率分量的相關(guān)性進(jìn)行判斷，應(yīng)注意結(jié)合設(shè)備具體結(jié)構(gòu)對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)注意超聲波、特高頻等不同檢測方式的聯(lián)合應(yīng)用，保證測試結(jié)果的全面性，并加強(qiáng)送電后工頻運(yùn)行電壓下設(shè)備局部放電檢測。