李志新,楊照光,溫定筠,孫亞明,高立超

(1.國網(wǎng)甘肅省電力培訓(xùn)中心技能培訓(xùn)部，甘肅蘭州730000；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)中心，甘肅蘭州730000)

SF6氣體絕緣電氣設(shè)備局部放電超聲波檢測(cè)與應(yīng)用

李志新1,楊照光2,溫定筠2,孫亞明2,高立超2

(1.國網(wǎng)甘肅省電力培訓(xùn)中心技能培訓(xùn)部，甘肅蘭州730000；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)中心，甘肅蘭州730000)

針對(duì)SF6氣體絕緣類的電氣設(shè)備常見的局部放電故障類型進(jìn)行了總結(jié)和歸類，提出使用超聲波法進(jìn)行此類設(shè)備的故障檢測(cè)與診斷，同時(shí)闡述了使用超聲波法進(jìn)行電氣設(shè)備故障診斷的檢測(cè)原理，給出了對(duì)此類設(shè)備典型的放電故障的超聲波法檢測(cè)的圖譜；同時(shí)給出了使用超聲波法對(duì)SF6氣體絕緣類電氣設(shè)備的故障檢測(cè)的應(yīng)用實(shí)例。結(jié)果表明：使用超聲波法檢測(cè)SF6氣體絕緣類電氣設(shè)備，能夠較靈敏地檢測(cè)出電暈放電、懸浮放電及自由金屬顆粒等缺陷，此方法在電氣設(shè)備出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)及帶電檢測(cè)方面具有廣泛的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。

超聲波；氣體絕緣；局部放電；故障檢測(cè)

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，大量SF6氣體絕緣類設(shè)備(如GIS、斷路器)在不同電壓等級(jí)的變電站中投運(yùn)。由于此類電氣設(shè)備的內(nèi)部空間極為有限，工作場(chǎng)強(qiáng)很高，且絕緣裕度相對(duì)較小，設(shè)備內(nèi)部一旦出現(xiàn)絕緣缺陷，極易造成設(shè)備故障，引起的停電時(shí)間較長(zhǎng)，檢修費(fèi)用也很高，國內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了數(shù)起較為嚴(yán)重的GIS事故。過去那種認(rèn)為GIS設(shè)備免維護(hù)的觀點(diǎn)已不被認(rèn)同，CIGRE調(diào)查表明，50%以上的GIS故障是可預(yù)先發(fā)現(xiàn)的[1～3]。在GIS、SF6氣體絕緣的斷路器的交接試驗(yàn)中，監(jiān)視局部放電信號(hào)以及對(duì)運(yùn)行中的此類設(shè)備進(jìn)行定期局部放電檢測(cè)，均是保障其安全運(yùn)行的有效手段[4，5]。

1 電力設(shè)備缺陷分類

局部放電超聲波檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于組合電器、電纜終端(中間接頭)、變壓器等設(shè)備[6]。根據(jù)設(shè)備缺陷的不同，局部放電超聲波檢測(cè)技術(shù)在進(jìn)行缺陷分析與診斷時(shí)，可將設(shè)備缺陷分為局放缺陷、電暈缺陷、自由金屬微粒缺陷[7，8]。

(1)局放缺陷

該類缺陷主要由設(shè)備內(nèi)部部件松動(dòng)引起的懸浮電極(既不接地又不接高壓的金屬材料)、絕緣內(nèi)部氣隙、絕緣表面污穢等引起的設(shè)備內(nèi)部非貫穿性放電現(xiàn)象，該類缺陷與工頻電場(chǎng)具有明顯的相關(guān)性，是引起設(shè)備絕緣擊穿的主要威脅，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。

(2)電暈缺陷

該類缺陷主要由設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)體毛刺、外殼毛刺等引起，主要表現(xiàn)為導(dǎo)體對(duì)周圍介質(zhì)(如SF6)的一種單極放電現(xiàn)象，該類缺陷對(duì)設(shè)備的危害較小，但在過電壓作用下仍舊會(huì)存在設(shè)備擊穿隱患，應(yīng)根據(jù)信號(hào)幅值大小予以關(guān)注。

(3)自由金屬微粒缺陷

該類缺陷主要存在于GIS中，主要由設(shè)備安裝過程或開關(guān)動(dòng)作過程產(chǎn)生的金屬碎屑而引起。隨著設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)的周期性變化，該類金屬微粒表現(xiàn)為隨機(jī)性移動(dòng)或跳動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)微粒在高壓導(dǎo)體和低壓外殼之間跳動(dòng)幅度加大時(shí)，則存在設(shè)備擊穿危險(xiǎn)，應(yīng)予以重視。

2 超聲波局部放電檢測(cè)的特性分析

電力設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生局部放電信號(hào)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生超聲波，超聲波信號(hào)有橫波、縱波和表面波三種傳播形式，在SF6氣體中只有縱波可以傳播，而在帶電導(dǎo)體、絕緣子和金屬殼體等固體中傳播的除縱波外還有橫波?？v波在氣體、固體中衰減很大，橫波在固體中衰減小。在傳播過程中，由介質(zhì)吸收效應(yīng)導(dǎo)致的高頻分量衰減、不同介質(zhì)傳播速率的差異以及邊界處產(chǎn)生的折、反射，都會(huì)對(duì)接收到的脈沖信號(hào)產(chǎn)生影響[9]。因此檢測(cè)的有效性和靈敏性不僅取決于局部放電的類型和能量大小，還取決于聲信號(hào)在不同介質(zhì)的傳播特性和具體的傳播路徑。但現(xiàn)場(chǎng)存在的電暈聲、設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)及其他噪聲可能會(huì)影響著其檢測(cè)效果，因此，選擇合理的檢測(cè)頻帶，提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比，是超聲波法的關(guān)鍵所在[10，11]，此外在評(píng)估設(shè)備狀態(tài)特別是確定缺陷部位時(shí)，需要綜合考慮這些因素并結(jié)合GIS的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[12，13]。

3 典型缺陷譜圖分析與診斷

超聲波局部放電檢測(cè)典型缺陷圖譜[14～16]見圖1～4。

圖1 背景噪聲典型譜圖

圖2 局放缺陷典型譜圖

圖3 電暈缺陷典型譜圖

圖4 自由金屬微粒缺陷典型譜圖

超聲波局部放電檢測(cè)典型缺陷圖譜特征見表1。

表1 典型缺陷圖譜特征

4 超聲波局部放電檢測(cè)實(shí)例與分析

4.1 110kV GIS設(shè)備內(nèi)部故障超聲波檢測(cè)

超聲波局放檢測(cè)110 kV GIS設(shè)備內(nèi)部碎屑，在對(duì)某330 kV變電站110 kV GIS設(shè)備進(jìn)行交流耐壓及超聲波局部放電檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)Ⅰ段母線C相第14號(hào)檢測(cè)點(diǎn)局部放電檢測(cè)數(shù)據(jù)偏大，14號(hào)檢測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 14號(hào)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

在對(duì)14號(hào)測(cè)點(diǎn)氣室進(jìn)行局部放電檢測(cè)的過程中，A點(diǎn)有效值為15.0 mV，峰值為60.0 mV，用橡膠錘對(duì)殼體敲擊后，A點(diǎn)有效值和峰值有明顯增長(zhǎng)現(xiàn)象(有效值為20.0 mV，峰值為106.0 mV)，同時(shí)B點(diǎn)敲擊后有效值和峰值也有明顯增長(zhǎng)現(xiàn)象，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 超聲波局放檢測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)罐體敲擊后圖5中的B點(diǎn)信號(hào)明顯增大，表明罐體內(nèi)底部也存在聲源。由于信號(hào)最大點(diǎn)附近無絕緣支撐件，且距盆式絕緣子較遠(yuǎn)(約有80 cm)，分析認(rèn)為罐體壁上存在顆粒雜質(zhì)或尖端毛刺。

隨后對(duì)氣室進(jìn)行了解體檢查，發(fā)現(xiàn)緊靠14號(hào)測(cè)點(diǎn)的手孔蓋內(nèi)有雜質(zhì)堆積，同時(shí)罐體內(nèi)底部也存在雜質(zhì)，如圖6和圖7所示。

圖6 解體后手孔內(nèi)部圖

圖7 解體后罐體內(nèi)底部圖

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析,手孔蓋和罐體內(nèi)堆積碎屑為吸附劑殼體表面加熱后脫落的氧化物。隨即對(duì)吸附劑殼體表面和此段氣室罐體內(nèi)部進(jìn)行清理，處理完畢后再次進(jìn)行局部放電檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)正常。

4.2 330 kV 斷路器設(shè)備內(nèi)部故障超聲波檢測(cè)

某330 kV變電站斷路器A相返廠解體，斷路器型號(hào)：GL316額定電流40 000 A。解體前對(duì)此斷路器進(jìn)行投交流耐壓試驗(yàn)及局部放電試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)合格，局部放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常。經(jīng)開罐檢查發(fā)現(xiàn)罐式斷路器內(nèi)部存在雜質(zhì)，交流耐壓試驗(yàn)帶局部放電試驗(yàn)，采用挪威AIA-1超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試之前，先進(jìn)行背景噪聲測(cè)量(手持探頭在罐體附近的空中測(cè)量)。測(cè)試背景噪聲的有效值/峰值為0.27/1.03 mV，電壓升至285 kV后，將傳感器放置在待測(cè)點(diǎn)上，傳感器在使用之前應(yīng)均勻涂抹專用硅膠，測(cè)量之時(shí)保持靜止?fàn)顟B(tài)。觀察連續(xù)模式圖譜，與背景噪聲圖譜比較，如信號(hào)增長(zhǎng)明顯，由判據(jù)來區(qū)分故障類型，確定之后顆粒故障需結(jié)合脈沖模式進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)估，毛刺和電位懸浮引起的放電需結(jié)合相位模式再具體區(qū)別判定。根據(jù)聲音在氣室傳遞衰減的特性，結(jié)合斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)判斷故障部位。

此斷路器為罐式開關(guān)視為一個(gè)氣室，重點(diǎn)檢查屏蔽罩、離子吸收器和絕緣支撐部件，一般在以上部位選取2～3點(diǎn)測(cè)量。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)斷路器局部放電的連續(xù)模式數(shù)值為0.38/2.3 mV大于背景值，同時(shí)根據(jù)相位模式對(duì)放電類型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)峰值不穩(wěn)定，頻率1、頻率2都有相應(yīng)變化。根據(jù)局放試驗(yàn)波形結(jié)果顯示，初步判斷為開關(guān)內(nèi)部有弱放電現(xiàn)象。對(duì)該斷路器進(jìn)行了開罐檢查，發(fā)現(xiàn)開關(guān)內(nèi)部有少許臟污和灰塵，對(duì)該開關(guān)進(jìn)行處理后再次測(cè)量弱放電現(xiàn)象消失，測(cè)試數(shù)值為背景值，解體后的內(nèi)部臟污圖片如圖8所示。

圖8 解體后罐體內(nèi)部臟污圖

根據(jù)斷路器實(shí)際發(fā)生的問題，判斷有可能是斷路器現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)氣室的清理不到位，使得雜物混入罐體內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)使用超聲波法檢測(cè)SF6絕緣類電氣設(shè)備能有效檢測(cè)出局放缺陷，此檢測(cè)方法不僅可以用在設(shè)備耐壓試驗(yàn)時(shí)檢測(cè)局放，又可以用在帶電檢測(cè)，應(yīng)用廣泛。

(2)斷路器、SF6等氣體絕緣類電氣設(shè)備交接試驗(yàn)時(shí)，由于交流耐壓試驗(yàn)只能發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣件損傷、距離不足等嚴(yán)重缺陷，而潛在的內(nèi)部雜質(zhì)、氣泡等局部放電缺陷不易發(fā)現(xiàn)，因此在交流耐壓同時(shí)進(jìn)行超聲波局放測(cè)量，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)此類缺陷是十分必要的。

(3)超聲波法能有效檢測(cè)出自由顆粒、電暈放電、懸浮電位產(chǎn)生的局部放電。

(4)在對(duì)GIS進(jìn)行帶電檢測(cè)時(shí)，應(yīng)同時(shí)使用多種方法，因?yàn)椴煌姆椒ㄓ胁煌挠行z測(cè)范圍。對(duì)于GIS、斷路器等SF6氣體絕緣類電氣設(shè)備進(jìn)行局放檢測(cè)時(shí)，應(yīng)注意采用多種檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行相互驗(yàn)證，特高頻法和氣體成份分析是局放檢測(cè)一種有益的補(bǔ)充。

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Testing and Application of SF6Gas Insulated Electrical Equipment Used Ultrasonic for Partial Discharge

Li Zhixin1,Yang Zhaoguang2,Wen Dingjun2,Sun Yaming2,Gao Lichao2

(1. State Grid Gansu Training Center Skills Training Department, Lanzhou 730000, China;2. State Grid GansuElectric Power Research Institute Equipment Condition Assessment Center, Lanzhou 730000, China)

Common types of partial discharge are summarized and categorized about SF6gas-insulated electrical equipments in this paper, and ultrasonic is proposed to use for fault detection and diagnosis of such equipments. The principle of detection using ultrasonic for testing fault diagnosis of electrical equipments is explained and patterns of typical discharge obtained by ultrasonic are given in this paper. The fault detection examples used ultrasonic for SF6gas insulated electrical equipments are given, and the results demonstrate that detection used ultrasonic for SF6gas-insulated electrical equipments can detect sensitively corona discharge, suspended discharge and freed metallic particles and other faults. So this approach will have broad application prospects and values in delivery test, hand-over test and live electrical equipments.

ultrasonic；gas-insulated partial discharge；fault detection；electric equipments

2014-09-16。

李志新(1983-)，女，工程師，主要從事電氣設(shè)備故障檢測(cè)與診斷技術(shù)研究與教學(xué),E-mail：lizhixin0917@163.com。

TM835

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.01.005