胡偉濤

（河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070）

氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear，GIS）由于占地面積少、受外界環(huán)境影響小、運行安全可靠和維護簡單等優(yōu)點被廣泛應用于高壓輸變電領域［1］.但在GIS的制造和裝配過程中，往往由于工藝、現(xiàn)場清潔度低等問題使GIS內部留下一些小的缺陷，如金屬微粒、絕緣氣隙等，這些微小的缺陷在GIS運行過程中可能會引起局部放電，并最終引起絕緣擊穿事故［2］.隨著電氣設備狀態(tài)檢修的實施，設備例行停電基準周期為3年，因此，為預防GIS設備的絕緣故障［3］，保障電力系統(tǒng)的安全運行，對運行中的GIS進行局部放電檢測就顯得日益重要.

目前，國內外多采用特高頻（UHF）法和超聲法進行局部放電檢測及定位［4-7］.UHF法由于原理簡單、靈敏度高的優(yōu)點得到廣泛的應用，但它難以實現(xiàn)設備缺陷的準確定位.特別是當缺陷位于絕緣子附近時，難以準確確定其所在的氣室，這就增加了檢修維護的復雜性.超聲波定位法雖然靈敏度較好，定位準確度高，但其有效范圍較小，現(xiàn)場應用時工作量較為繁重.因此，如何有效結合兩者的優(yōu)點，提高局部放電檢測水平，成為近年來現(xiàn)場維護人員關注的焦點.文獻［4，8-9］介紹了UHF法和超聲波法在現(xiàn)場局部放電檢測的應用，并分別采用2種方法進行檢測，而且結合兩者優(yōu)點同時采用2種方法進行檢測.

筆者通過分析現(xiàn)有GIS局部放電檢測技術的優(yōu)缺點，采用能同時采集特高頻信號和超聲波信號的檢測系統(tǒng)對局部放電進行試驗研究.

1 聲電聯(lián)合檢測方法的原理

聲電聯(lián)合檢測技術是同時采用UHF法與超聲波法對GIS設備進行檢測，通過檢測信號的相關性及時間差，排除外界干擾，提高局部放電檢測水平及缺陷類型識別的準確性，有利于及早發(fā)現(xiàn)可能存在的潛伏性缺陷，確保設備安全穩(wěn)定運行.如果被測設備上沒有能夠輻射出電磁波信號的絕緣縫隙，例如使用內置的或帶有金屬環(huán)的盆式絕緣子（澆筑孔金屬屏蔽不能打開），則只能使用超聲波法逐點進行檢測.聲電聯(lián)合檢測方法的具體步驟如下.

1）如果電和聲信號都存在，則根據(jù)盆式絕緣子的位置使用特高頻法確定電信號來自哪個GIS腔體，同時使用超聲法進行精確定位.如果兩者都定位到同一個GIS腔體且信號具有相關性，則可明確判斷該腔體內部存在放電故障，結合SF6氣體分解物檢測結果判斷局部放電的危害程度.

2）如果只測量到特高頻電磁波信號而沒有超聲波信號，則首先應通過改變傳感器的位置擺放和方向，找到接收信號最強的部位，判斷信號是否來自周圍的電氣設備或者存在未知的干擾源.如果發(fā)現(xiàn)只有當UHF傳感器貼近某個盆式絕緣子時測得的信號最強，離開盆式絕緣子后將明顯減弱，則基本可判斷該腔體內存在放電性缺陷，且有可能發(fā)生在中心導體或盆式絕緣子上，因為超聲波法對此類缺陷的檢測靈敏度通常較低.

3）如果超聲波法測量到聲信號而特高頻法沒有測量到電磁波信號，則首先應使用超聲法逐點檢測，找到接收信號最大的部位，然后再根據(jù)所測信號的圖譜特征及對應GIS的內部結構，判斷信號是否由電磁振動引起，或者設備內部存在自由移動的顆粒等缺陷.

4）如果特高頻和超聲信號均沒有檢測到異常信號，則可判斷設備不存在明顯放電.

2 聲電聯(lián)合檢測技術的試驗研究

GIS設備局部放電檢測方法有效性的對比試驗研究不能脫離實際設備的運行情況.如簡單地以同軸圓柱體進行模擬，試驗結果與實際情況可能會有較大差別，因此，筆者以實際126kVGIS實物構建各種模擬試驗，結構示意如圖1所示.

圖1 模擬實驗系統(tǒng)Figure 1 Simulation system

在試驗GIS設備中設置好典型缺陷，密封完好后，首先使氣室達到足夠的真空度，用真空泵將設置局部放電典型缺陷的氣室抽真空，將氣室內的空氣、水分、雜質抽出氣室，其中壓力保持在100Pa，時間不小于4h；如果不用N2置換氣室內的雜質，抽真空的時間應不少于16h.然后注入0.48MPa額定壓力的SF6氣體，靜置24h后，進行微水檢測，確保微水含量合格，且每次模擬試驗的微水含量基本相同，排除微水含量對局部放電的影響.

模擬試驗加壓前，首先利用特高頻法的自動選頻技術，選擇信噪比最高的中心頻率，并采用50MHz的窄帶頻段進行檢測，確保傳感器能檢測到有效的局部放電信號，確定中心頻率后，進行不加壓時的背景干擾測試，一般為-90dBm左右，如果背景干擾較大，應查找干擾源并排除，以免導致較大誤差，影響測量結果.

2.1 GIS內部的尖端

在中心導體上固定一段導線，模擬內部尖端放電，尖刺距離外殼約30mm，尖刺曲率半徑約1mm.特高頻法的中心頻率為1 100MHz，不加電壓下背景噪音為-89.5dBm，尖端放電模型如圖2所示.

圖2 GIS內部尖端放電的試驗模型Figure 2 Partial discharge experimental model of state-of-the-art test in GIS internal

當電壓升到27kV、局部放電量為12pC時，超聲波通道檢測到微弱局部放電信號，特高頻通道沒有檢測到局部放電信號；電壓升到47kV時，超聲波通道檢測到明顯局部放電信號，特高頻通道檢測到微弱局部放電信號，如表1所示.超聲波通道檢測的典型圖譜如圖3所示.

從表1的檢測數(shù)據(jù)和圖3的典型圖譜特征可判斷，對于靠近GIS殼體上的金屬尖刺放電，由于放電所產生的超聲波信號不需通過SF6氣體介質就可方便地傳遞到殼體，且超聲波傳感器可靠近放電部位進行檢測，故此時超聲波法比特高頻法的檢測靈敏度略高.

表1 模擬內部尖端放電檢測數(shù)據(jù)Table 1 Data of state-of-the-art test in GIS internal partial discharge

圖3 超聲波法檢測尖端放電的典型圖譜Figure 3 Detected partial discharge spectrum of point discharge by ultrasonic method

2.2 GIS外殼內壁的自由金屬顆粒

在GIS外殼內壁散落少許金屬顆粒，模擬自由金屬顆粒放電.特高頻法的中心頻率為1 075MHz，不加電壓下背景噪音為-90.5dBm.外殼內壁自由金屬顆粒放電模型如圖4所示.

當電壓升到30kV、局部放電量為6pC時，超聲波通道和特高頻通道均檢測到微弱局部放電信號；電壓升到50kV時，2個通道均檢測到較強的放電信號，如表2所示.特高頻通道檢測的典型圖譜如圖5所示.

從表2的檢測數(shù)據(jù)和圖5的典型圖譜特征可判斷，GIS內壁金屬顆粒在電場作用下產生微弱局部放電信號時，使用超聲波及特高頻法都能夠檢測出放電信號，但如果超聲波傳感器遠離放電部位，則會明顯降低其檢測靈敏度.

圖4 GIS外殼內壁自由金屬顆粒局部放電的試驗模型Figure 4 Partial discharge experimental model of free metal particles in GIS shell wall

表2 模擬內壁自由金屬顆粒放電檢測數(shù)據(jù)Table 2 Data of free metal particles in GIS shell wall partial discharge

圖5 特高頻法檢測GIS內壁自由金屬顆粒的典型放電圖譜Figure 5 Detected partial discharge spectrum of GIS inner wall of the free metal particles by UHF

2.3 GIS內部絕緣子上的金屬顆粒

GIS內部絕緣子上散落少許金屬顆粒，為避免自由金屬顆粒放電燒蝕絕緣子，將自由金屬顆粒放置在與絕緣子同種材料的墊塊上.特高頻法的中心頻率為1 075MHz，不加電壓下背景噪音為-90.5 dBm.內部絕緣子上自由金屬顆粒局部放電模型如圖6所示.

圖6 GIS內部絕緣子上自由金屬顆粒局部放電的試驗模型Figure 6 Partial discharge experimental model of free metallic particles in GIS insulators

當電壓升到5kV、局部放電量為15pC時，超聲波通道只檢測到微弱局部放電信號，特高頻通道檢測到較強的局部放電信號；電壓升到30kV時，超聲波通道仍然檢測不到明顯的局部放電信號，特高頻通道檢測到很強的放電信號，如表3所示.特高頻通道檢測的典型圖譜如圖7所示.

從表3的檢測數(shù)據(jù)和圖7的典型圖譜特征可判斷，對于絕緣子上自由金屬顆粒模型出現(xiàn)微弱局部放電信號時，由于金屬顆粒向高壓導體快速移動，造成了起始局部放電量較大.但是現(xiàn)場測量時，部分較小金屬顆粒已經完成了移動過程，附著在金屬導體之上，而較大的金屬顆粒尚未移動，因此超聲法測量自由金屬顆粒放電較為困難，此時特高頻法檢測比超聲波法較為靈敏.

表3 模擬內部絕緣子上自由金屬顆粒放電檢測數(shù)據(jù)Table 3 Data of free metallic particles in GIS insulators partial discharge

圖7 特高頻法檢測絕緣子上自由金屬顆粒的典型放電圖譜Figure 7 Detected partial discharge spectrum of free metal particles on the insulator by UHF

2.4 GIS內部高壓導體單點接觸不良

將1只10mm螺母放置于絕緣子墊塊上，距離金屬導體約1mm，用于模擬GIS內部高壓導體單點接觸不良時GIS的局部放電情況.特高頻法的中心頻率為1 100MHz，不加電壓下背景噪音為-89.5dBm.高壓導體單點接觸不良時的局部放電試驗模型如圖8所示.

圖8 高壓導體單點接觸不良局部放電的試驗模型Figure 8 Test model of the high-voltage conductor for a single point of contact with non-performing partial discharge

當電壓升到22kV、局部放電量為750pC時，2個通道均檢測到明顯的局部放電信號；當電壓升到34kV時，2個通道均檢測到很強的局部放電信號，如表4所示.特高頻通道檢測的典型圖譜如圖9所示.

從表4的檢測數(shù)據(jù)和圖9的典型圖譜特征可判斷，GIS內部高壓導體單點接觸不良故障放電時，起始局部放電信號很強，而且放電量與外施電壓高低幾乎無關，通過超聲波法和特高頻法都可檢測到明顯的放電信號，但特高頻法檢測到的典型圖譜具有明顯的局部放電特征.

表4 模擬高壓導體單點接觸不良局部放電檢測數(shù)據(jù)Table 4 A single point data of contact with non-performing partial discharge

圖9 特高頻檢測單點接觸不良局部放電圖譜Figure 9 Detected partial discharge spectrum of a single point contact with non-performing by UHF

2.5 GIS內部高壓導體多點接觸不良

將2只10mm螺母放置于絕緣子墊塊之上，距離金屬導體約10mm，用于模擬GIS內部高壓導體多點接觸不良時GIS的局部放電情況.特高頻法的中心頻率為1 100MHz，不加電壓下背景噪音為-89.5dBm.GIS內部多點接觸不良時的試驗模型如圖10所示.

當電壓升到55kV、局部放電量為1 200pC時，超聲波通道和特高頻通道均檢測到很強的局部放電信號；電壓升到65kV時，2個通道均檢測到較強的放電信號，如表5所示.但特高頻通道檢測到的典型圖譜具有明顯的放電特征，如圖11所示.

從表5的檢測數(shù)據(jù)和圖11的典型圖譜特征可判斷，GIS內部高壓導體單點接觸不良故障放電時，起始局部放電信號很強，而且放電量與外施電壓高低幾乎無關，通過超聲波法和特高頻法都可檢測到明顯的放電信號，但是特高頻法檢測到的典型圖譜具有明顯的局部放電特征.

圖10 GIS內部多點接觸不良試驗模型Figure 10 Poor contact of the GIS internal test model

表5 模擬高壓導體多點接觸不良局部放電檢測數(shù)據(jù)Table 5 Poor contact data of the analog high-voltage conductor partial discharge

2.6 檢測靈敏度

通過對GIS幾種典型缺陷的模擬試驗研究及相關文獻的分析得出，超聲波法對中心導體上尖端放電及固體絕緣內部放電靈敏度很低，而特高頻法對此類缺陷的靈敏度較高；同樣，特高頻法對內部松動或振動的靈敏度很低，超聲波法的靈敏度很高.聲電聯(lián)合檢測技術集中了2種檢測方法的優(yōu)點，因此，對常見的缺陷類型都具有較高的檢測靈敏度［2，10-11］.3種檢測局部放電的靈敏度如表6所示.

表6 檢測局部放電靈敏度Table 6 Detection of partial discharge sensitivity

3 現(xiàn)場檢測實例及分析

圖12，13是對220kVGIS進行局部放電檢測時聲電信號的變化趨勢.從圖12，13中可見特高頻信號（圖12）和超聲波信號（圖13）同時出現(xiàn)、同時消失，具有非常好的相關性，據(jù)此，可徹底排除外部干擾的可能性及內部元器件松動缺陷，準確地判斷為放電缺陷，并且通過計算聲電信號到達檢測部位的時間差，或依據(jù)超聲法檢測到的信號強弱程度可大致確定放電源的部位.

圖12 特高頻法檢測圖譜Figure 12 Detect spectrums by UHF

圖13 超聲波法檢測圖譜Figure 13 Detect spectrums by ultrasonic method

從圖14數(shù)據(jù)分析圖譜可以得出，局部放電信號幅度非常穩(wěn)定且較為一致；信號相位較為固定，PRPD譜圖具有明顯的“懸浮”特征，且正負半周對稱出現(xiàn)；特高頻信號很強，同時檢測到超聲波信號；可以排除外界干擾，診斷為懸浮放電.

專業(yè)人員將缺陷上報，并邀請專家進行診斷測試，診斷結果為罐體內部存在懸浮放電，同時肯定聲電聯(lián)合檢測技術檢測局部放電的有效性，并制定了缺陷預控措施，申請停電處理.停電解體后發(fā)現(xiàn)罐體底部有少許金屬顆粒及其他雜質，如圖15所示.清除金屬顆粒及雜質，停電例行試驗合格后，進行交流耐壓試驗，試驗通過，在耐壓時和投運后進行局部放電檢測，均未檢測到放電信號.

圖14 數(shù)據(jù)分析圖譜Figure 14 Data analysis spectrum

圖15 現(xiàn)場解體后罐體內積有雜質Figure 15 Impurities in the tank body after the disintegration of the site

4 結語

1）應用聲電聯(lián)合法檢測局部放電，充分發(fā)揮各自檢測方法的優(yōu)點，避免各自的不足，可對GIS設備內部局部放電準確檢測.聲電聯(lián)合檢測技術通過檢測信號的相關性及時間差，排除外界干擾，通過模擬試驗及現(xiàn)場普測，結果表明，聲電聯(lián)合檢測技術對GIS設備典型缺陷檢測靈敏度高，為準確評估設備健康狀況提供科學依據(jù).

2）特高頻法采用選頻技術，自動選取信噪比最高的頻段，避開外界干擾，提高局部放電檢測的有效性.

3）在GIS出廠試驗、交接驗收、投運后開展局部放電檢測，對于例行停電、帶電檢測項目是有益的補充，采用聲電聯(lián)合檢測技術能及早、有效發(fā)現(xiàn)GIS設備可能存在的潛伏性缺陷（如殼體上尖端缺陷等），掌握GIS設備絕緣性能狀況.

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