山西省電力公司長治供電公司 謝云飛 宋淑紅 王紅巖 李紅喜 齊振忠

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超聲波局放檢測技術在GIS狀態(tài)檢修中的應用

山西省電力公司長治供電公司 謝云飛 宋淑紅 王紅巖 李紅喜 齊振忠

【摘要】隨著狀態(tài)檢修技術的深入開展，帶電檢測因為不停電，可以提前發(fā)現(xiàn)電氣設備中的局部放電缺陷而成為狀態(tài)檢修的重中之重。GIS設備制造及安裝工藝控制不良，會造成GIS設備內(nèi)部局部放電的產(chǎn)生，長期運行會破壞設備的絕緣性能，引發(fā)設備故障。GIS設備封閉性高，現(xiàn)場電磁干擾大成為困擾GIS設備帶電檢測的難題，超聲波局放檢測技術以其不受電磁干擾，靈敏度高等優(yōu)點，在GIS帶電局放檢測中得到廣泛的應用。本文介紹了GIS中典型的局放類型、超聲波法的原理及應用方法，并通過實例說明該方法在GIS狀態(tài)檢修中的有效性。

【關鍵詞】超聲波局放檢測技術；GIS設備；狀態(tài)檢修；帶電檢測

引言

氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）因占地面積小、可靠性高、維護量?。?］等特點，在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應用。長治地處山區(qū)，因此，GIS電氣設備在長治電網(wǎng)得到廣泛的應用，其中長治電網(wǎng)110kV及以上電壓等級變電站中，GIS變電站所占比例為16%，并且在逐年增加。隨著狀態(tài)檢修的實施，超聲波局部放電檢測作為GIS設備帶電測試項目之一，對于發(fā)現(xiàn)GIS潛伏性故障、評估設備狀態(tài)及預防事故發(fā)生，維護GIS設備安全運行有重要的意義。

GIS電氣設備封閉性高，常規(guī)的停電例行試驗很難發(fā)現(xiàn)期內(nèi)部發(fā)生的局部放電缺陷，對GIS設備的狀態(tài)評估造成很大的困難。超聲波局放檢測是檢測GIS設備局放檢測的有效手段之一，可有效發(fā)現(xiàn)GIS設備內(nèi)部發(fā)生的局放缺陷。

1　超聲波局放檢測原理及特點

1.1超聲波局放的原理

GIS電氣設備內(nèi)部發(fā)生局部放電信號時，由于局部發(fā)電是一種脈沖放電，會在電氣設備內(nèi)部伴隨產(chǎn)生一系列的光、電、熱、聲和機械振動等物理現(xiàn)象化學變化。這些物理現(xiàn)象和化學變化就為檢測電氣設備內(nèi)部絕緣狀態(tài)提供了各種檢測信號。

電氣設備內(nèi)部發(fā)生局部放電時會產(chǎn)生沖擊的振動和聲音，它是一種脈沖形式的壓力波，含有各種頻率分量，頻帶很寬，為101～107數(shù)量級范圍［2］。聲音超過20kHz為超聲波。超聲波就是利用局放時產(chǎn)生的超聲信號來探測電氣設備內(nèi)部的局部放電和放電程度的。超聲波在SF6氣體中傳播方式為縱波，聲波在氣體中傳播的衰減跟頻率有關，頻率越高，衰減越大。當超聲波頻率在40kHz時，在SF6氣體衰減程度為26.0dB/m，這就是說，當超聲波在SF6氣體每傳播1米，超聲波信號即降為原來的0.25%，基本就衰減完了。因此，超聲波測量時兩個測點的距離不可超過1米，否則就有漏檢的可能。另一方面，正因為超聲波在SF6氣體中衰減很大，就很容易定位GIS設備內(nèi)部的局部放電點。

1.2超聲波局部放電的頻譜特征

超聲波局放對是一種對放電中產(chǎn)生的聲波信號的檢測，它與電氣設備的電氣回路無任何直接的聯(lián)系，不受電氣方面的干擾，但是對現(xiàn)場環(huán)境噪聲和機械振動比較敏感，檢測時盡量排除這些干擾。利用實驗室模擬和現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，超聲波局放主要對下面3種類型［3-4］局部放電有較高的檢測靈敏度。

（1）電暈放電。電暈放電主要是導體和外殼上的毛刺等引起的，這主要與電氣設備的制造、安裝等工藝有關，該種放電一般情況下危害不大，但在電氣設備的操作過電壓和雷達過電壓下也能造成絕緣的擊穿，應根據(jù)信號的大小和發(fā)展進行關注。

這類局部放電的超聲波圖譜表現(xiàn)為連續(xù)模式下有較高的有效值和周期峰值，50Hz相關性較強；在相位模式下有一簇大信號和一簇小信號，甚至只有一簇信號。當毛刺尖端位于導體上時，這樣就構成了棒板放電模型，這樣的局部放電主要當導體為負電位最高時引起的，因此圖譜特征表現(xiàn)為-270°附近有一簇信號集中。類似的，我們可以得到當毛刺位于殼體上時在90°附近有一簇大信號集中。利用其相位特征我們即可判斷毛刺的具體位置。

（2）自由金屬顆粒放電。這類放電主要是由加工、安裝過程中殘存在設備內(nèi)部的金屬碎屑引起的，在電場力作用下，它在GIS腔體內(nèi)部會發(fā)生移動。金屬顆粒分為單顆粒和多顆粒形式。金屬顆粒的危害性與金屬微粒在電場作用下的移動時間和移動距離有關，移動距離大和時間長的危害性也比較大。

金屬顆粒的超聲波局部放電圖譜在連續(xù)模式下有效值和周期幅值較大，同樣會有50Hz和100Hz相關性，但相關性沒有確定的關系；在相位模式下也沒有特別的相位關系；但在飛行圖譜下會有明顯的三角駝峰的頻譜特征。其中飛行圖譜的橫軸代表金屬顆粒的飛行時間，縱軸代表金屬顆粒的飛行幅值，飛行時間越長和飛行幅值越大，說明金屬顆粒的危害就越大。但當金屬顆粒多于一個時，頻譜特征就會更為復雜，但是連續(xù)模式下的基本特征都是具備的，試驗人員對多金屬顆粒的局部放電應加強注意和分析。

（3）懸浮電位放電。設備內(nèi)部某些金屬部件因加工、安裝工藝不良或者電動力的長期作用下導致松動和接觸不良，處于高壓導體和接地導體之間，形成電位懸浮，形成局部放電。

懸浮放電超聲波局部放電圖譜在連續(xù)模式下有很高的有效值和周期峰值，且100Hz相關性較高。這是由于放電模型為板-板模型，因此一個周期內(nèi)會有兩次放電，分別在正半周和負半周的電壓最大值附近。在相位模式下會有兩個波峰，且幅值較大。在波形圖譜模式下和相位模式下的頻譜特征相似。

2　超聲波局放檢測儀及現(xiàn)場檢測

2.1超聲波局部放電檢測儀的組成

超聲波局部放電檢測儀按原理可以分為兩大類，一種是美國制造的以特征指數(shù)為基礎的檢測儀，另一種是以相位相關性為基礎的挪威制造的AIA超聲波局部放電檢測儀。長治供電公司應用的是華乘電氣生產(chǎn)的PDS-T90局部放電綜合檢測儀，它可以同時檢測特高頻、超聲波、暫態(tài)地電壓和高頻電流信號。其中超聲波檢測模式是以相位相關性為理論基礎的。超聲波檢測系統(tǒng)分為主機、接觸式超聲傳感器、自檢器、耦合劑和相位同步器。它的超聲波檢測頻帶為20kHz～300kHz，共分為4種檢測模式：AE幅值（連續(xù)模式）、AE相位圖譜、AE飛行圖譜、AE波形圖譜。

2.2超聲波局部放電現(xiàn)場檢測

超聲波局部放電現(xiàn)場檢測主要分為測點布置和實施檢測兩大步驟。測點布置的原則是兩個測點間的距離不超過1米，測點應該布置在GIS設備外殼的側下方，在GIS設備的斷路器、隔離開關、接地開關、避雷器、電流互感器、電壓互感器、進線套管、T型連接、L型連接處均應布置測點。開始檢測時，應先用自檢器對超聲波局放檢測儀進行自檢，當自檢通過后，方可實施檢測。檢測應該先進行背景噪聲檢測，背景噪聲較大時應先找到原因進行初步排除。雖然超聲波檢測對電氣干擾不敏感，但現(xiàn)場的機械振動和熒光燈的鎮(zhèn)流器對超聲波局放檢測有較大的干擾。每個測點的檢測時間至少在15s以上，這樣保證有間隙性放電不會被遺漏。當有異常信號時應加長測量時間和多種模式進行測量，測點的布置也應該增加一定的數(shù)量，以便進行局放位置的定位。

3　應用實例

長治供電公司某220kV變電站220k備用254東隔離開關B相有異常超聲波信號，為了找到信號最大位置，首先選取備用254東隔離開關筒壁上圓周方向布置測點4個，測點布置如圖1所示。由4個測點的超聲波局放圖譜可以看出，超聲波信號最大值在測點3附近，偏向測點4的方向。隨后，測試人員在測點3周圍布置測點，測得信號在點3至點5之間的區(qū)域均較大，位置如圖2，其中點5超聲信號圖譜見圖3。測試人員用橡皮錘敲擊測點3處的外殼后發(fā)現(xiàn)，超聲波信號沒有明顯的變化。

圖1　備用254東隔離開關B相測點布置示意圖

圖2　備用254東隔離開關B相最大超聲信號區(qū)域

圖3　最大異常超聲信號點5圖譜

220kV備用254東隔離開關B相的超聲波圖譜與A、C相（超聲局放與背景值一致）進行對比確實存在異常。連續(xù)模式下有穩(wěn)定的信號幅值，且100Hz相關性較大，另外由于該氣室在測點3與測得5之間的周線方向均呈現(xiàn)較大超聲信號，說明可能為該氣室內(nèi)的導體部位存在異常，根據(jù)該氣室超聲波局放信號最大部位的特點初步判斷為B相靜觸頭部位存在懸浮放電或松動引起的振動；從飛行模式看，超聲信號不具有明顯的特征；相位和波形模式下信號相位平緩，不具有放電相位突變波幅，結合耳機聽到的嗡嗡聲和特高頻頻譜圖初步判斷為該隔離開關靜觸頭部件存在松動引起的振動。再結合圖4所示的隔離開關內(nèi)部結構圖，超聲信號最大位置正處于該備用隔離開關靜觸頭處，但是由于254間隔為備用間隔，隔離開關處于斷開位置，因此初步診斷為隔離開關靜觸頭部位有異常，可能為靜觸頭屏蔽環(huán)或其他部件松動引起的振動。另外，該氣室下側絕緣子進行特高頻局放檢測發(fā)現(xiàn)無明顯放電圖譜，如圖5所示，對該氣室內(nèi)SF6氣體濕度檢測為137μL/L，氣體成分檢測H2S和SO2均為0μL/L，均在合格范圍內(nèi)。這從另一面佐證了該氣室還未形成明顯的局部放電，雖然還未形成懸浮放電，但應該對該位置進行重點局放檢測，縮短檢測周期，根據(jù)聲信號增長趨勢和局放檢測數(shù)據(jù)制定采取的措施。

圖4　備用254東隔離開關B相內(nèi)部結構圖

圖5　備用254東隔離開關B相特高頻局放檢測圖

4　小結

隨著狀態(tài)檢修的開展，超聲波局放檢測技術逐步成為獲取GIS設備狀態(tài)信息的重要手段之一，對于檢測決策的提出有很大的參考價值。它抗電氣干擾能力強，分辨缺陷類型準確可靠，定位精確，非常適于現(xiàn)場檢測，因此在各供電企業(yè)得到廣泛應用。但是超聲波局放檢測并不能發(fā)現(xiàn)所有類型的局放缺陷，尤其是對GIS設備的絕緣中空穴放電不能有效診斷，對于這類GIS設備的缺陷需要其他輔助手段進行鑒別，如利用特高頻局放檢測和GIS設備中特征氣體的檢測進一步佐證超聲波局放檢測的診斷結果。

參考文獻

［1］陳昱同，齊振忠，郭麗.超聲波局放檢測技術在GIS狀態(tài)檢修中的應用［J］.山西電力，2013（6）：31-33.

作者簡介：

謝云飛（1983-），男，河北邢臺人，畢業(yè)于華北電力大學高電壓與絕緣技術專業(yè)，碩士研究生，工程師，從事電氣試驗，帶電檢測工作。