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(cè)技術(shù)在GIS狀態(tài)檢修中的應(yīng)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(shù)的深入開展，帶電檢測(cè)因?yàn)椴煌ｋ?，可以提前發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備中的局部放電缺陷而成為狀態(tài)檢修的重中之重。GIS設(shè)備制造及安裝工藝控制不良，會(huì)造成GIS設(shè)備內(nèi)部局部放電的產(chǎn)生，長期運(yùn)行會(huì)破壞設(shè)備的絕緣性能，引發(fā)設(shè)備故障。GIS設(shè)備封閉性高，現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾大成為困擾GIS設(shè)備帶電檢測(cè)的難題，超聲波局放檢測(cè)技術(shù)以其不受電磁干擾，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在GIS帶電局放檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。本文介紹了GIS中典型的局放類型、超聲波法的原理及應(yīng)用方法，并通過實(shí)例說明該方法在GIS狀態(tài)檢修中的有效性。

【關(guān)鍵詞】超聲波局放檢測(cè)技術(shù)；GIS設(shè)備；狀態(tài)檢修；帶電檢測(cè)

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(hù)量?。?］等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。長治地處山區(qū)，因此，GIS電氣設(shè)備在長治電網(wǎng)得到廣泛的應(yīng)用，其中長治電網(wǎng)110kV及以上電壓等級(jí)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(shí)施，超聲波局部放電檢測(cè)作為GIS設(shè)備帶電測(cè)試項(xiàng)目之一，對(duì)于發(fā)現(xiàn)GIS潛伏性故障、評(píng)估設(shè)備狀態(tài)及預(yù)防事故發(fā)生，維護(hù)GIS設(shè)備安全運(yùn)行有重要的意義。

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

1　超聲波局放檢測(cè)原理及特點(diǎn)

1.1超聲波局放的原理

GIS電氣設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電信號(hào)時(shí)，由于局部發(fā)電是一種脈沖放電，會(huì)在電氣設(shè)備內(nèi)部伴隨產(chǎn)生一系列的光、電、熱、聲和機(jī)械振動(dòng)等物理現(xiàn)象化學(xué)變化。這些物理現(xiàn)象和化學(xué)變化就為檢測(cè)電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣狀態(tài)提供了各種檢測(cè)信號(hào)。

電氣設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊的振動(dòng)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(jí)范圍［2］。聲音超過20kHz為超聲波。超聲波就是利用局放時(shí)產(chǎn)生的超聲信號(hào)來探測(cè)電氣設(shè)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(guān)，頻率越高，衰減越大。當(dāng)超聲波頻率在40kHz時(shí)，在SF6氣體衰減程度為26.0dB/m，這就是說，當(dāng)超聲波在SF6氣體每傳播1米，超聲波信號(hào)即降為原來的0.25%，基本就衰減完了。因此，超聲波測(cè)量時(shí)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離不可超過1米，否則就有漏檢的可能。另一方面，正因?yàn)槌暡ㄔ赟F6氣體中衰減很大，就很容易定位GIS設(shè)備內(nèi)部的局部放電點(diǎn)。

1.2超聲波局部放電的頻譜特征

超聲波局放對(duì)是一種對(duì)放電中產(chǎn)生的聲波信號(hào)的檢測(cè)，它與電氣設(shè)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲和機(jī)械振動(dòng)比較敏感，檢測(cè)時(shí)盡量排除這些干擾。利用實(shí)驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，超聲波局放主要對(duì)下面3種類型［3-4］局部放電有較高的檢測(cè)靈敏度。

（1）電暈放電。電暈放電主要是導(dǎo)體和外殼上的毛刺等引起的，這主要與電氣設(shè)備的制造、安裝等工藝有關(guān)，該種放電一般情況下危害不大，但在電氣設(shè)備的操作過電壓和雷達(dá)過電壓下也能造成絕緣的擊穿，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的大小和發(fā)展進(jìn)行關(guān)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(guān)性較強(qiáng)；在相位模式下有一簇大信號(hào)和一簇小信號(hào)，甚至只有一簇信號(hào)。當(dāng)毛刺尖端位于導(dǎo)體上時(shí)，這樣就構(gòu)成了棒板放電模型，這樣的局部放電主要當(dāng)導(dǎo)體為負(fù)電位最高時(shí)引起的，因此圖譜特征表現(xiàn)為-270°附近有一簇信號(hào)集中。類似的，我們可以得到當(dāng)毛刺位于殼體上時(shí)在90°附近有一簇大信號(hào)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(shè)備內(nèi)部的金屬碎屑引起的，在電場(chǎng)力作用下，它在GIS腔體內(nèi)部會(huì)發(fā)生移動(dòng)。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(chǎng)作用下的移動(dòng)時(shí)間和移動(dòng)距離有關(guān)，移動(dòng)距離大和時(shí)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(huì)有50Hz和100Hz相關(guān)性，但相關(guān)性沒有確定的關(guān)系；在相位模式下也沒有特別的相位關(guān)系；但在飛行圖譜下會(huì)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(shí)間，縱軸代表金屬顆粒的飛行幅值，飛行時(shí)間越長和飛行幅值越大，說明金屬顆粒的危害就越大。但當(dāng)金屬顆粒多于一個(gè)時(shí)，頻譜特征就會(huì)更為復(fù)雜，但是連續(xù)模式下的基本特征都是具備的，試驗(yàn)人員對(duì)多金屬顆粒的局部放電應(yīng)加強(qiáng)注意和分析。

（3）懸浮電位放電。設(shè)備內(nèi)部某些金屬部件因加工、安裝工藝不良或者電動(dòng)力的長期作用下導(dǎo)致松動(dòng)和接觸不良，處于高壓導(dǎo)體和接地導(dǎo)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(guān)性較高。這是由于放電模型為板-板模型，因此一個(gè)周期內(nèi)會(huì)有兩次放電，分別在正半周和負(fù)半周的電壓最大值附近。在相位模式下會(huì)有兩個(gè)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(cè)儀及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1超聲波局部放電檢測(cè)儀的組成

超聲波局部放電檢測(cè)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(chǔ)的檢測(cè)儀，另一種是以相位相關(guān)性為基礎(chǔ)的挪威制造的AIA超聲波局部放電檢測(cè)儀。長治供電公司應(yīng)用的是華乘電氣生產(chǎn)的PDS-T90局部放電綜合檢測(cè)儀，它可以同時(shí)檢測(cè)特高頻、超聲波、暫態(tài)地電壓和高頻電流信號(hào)。其中超聲波檢測(cè)模式是以相位相關(guān)性為理論基礎(chǔ)的。超聲波檢測(cè)系統(tǒng)分為主機(jī)、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(cè)頻帶為20kHz～300kHz，共分為4種檢測(cè)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(chǎng)檢測(cè)

超聲波局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要分為測(cè)點(diǎn)布置和實(shí)施檢測(cè)兩大步驟。測(cè)點(diǎn)布置的原則是兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間的距離不超過1米，測(cè)點(diǎn)應(yīng)該布置在GIS設(shè)備外殼的側(cè)下方，在GIS設(shè)備的斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、避雷器、電流互感器、電壓互感器、進(jìn)線套管、T型連接、L型連接處均應(yīng)布置測(cè)點(diǎn)。開始檢測(cè)時(shí)，應(yīng)先用自檢器對(duì)超聲波局放檢測(cè)儀進(jìn)行自檢，當(dāng)自檢通過后，方可實(shí)施檢測(cè)。檢測(cè)應(yīng)該先進(jìn)行背景噪聲檢測(cè)，背景噪聲較大時(shí)應(yīng)先找到原因進(jìn)行初步排除。雖然超聲波檢測(cè)對(duì)電氣干擾不敏感，但現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械振動(dòng)和熒光燈的鎮(zhèn)流器對(duì)超聲波局放檢測(cè)有較大的干擾。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)時(shí)間至少在15s以上，這樣保證有間隙性放電不會(huì)被遺漏。當(dāng)有異常信號(hào)時(shí)應(yīng)加長測(cè)量時(shí)間和多種模式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)的布置也應(yīng)該增加一定的數(shù)量，以便進(jìn)行局放位置的定位。

3　應(yīng)用實(shí)例

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

圖1　備用254東隔離開關(guān)B相測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖2　備用254東隔離開關(guān)B相最大超聲信號(hào)區(qū)域

圖3　最大異常超聲信號(hào)點(diǎn)5圖譜

220kV備用254東隔離開關(guān)B相的超聲波圖譜與A、C相（超聲局放與背景值一致）進(jìn)行對(duì)比確實(shí)存在異常。連續(xù)模式下有穩(wěn)定的信號(hào)幅值，且100Hz相關(guān)性較大，另外由于該氣室在測(cè)點(diǎn)3與測(cè)得5之間的周線方向均呈現(xiàn)較大超聲信號(hào)，說明可能為該氣室內(nèi)的導(dǎo)體部位存在異常，根據(jù)該氣室超聲波局放信號(hào)最大部位的特點(diǎn)初步判斷為B相靜觸頭部位存在懸浮放電或松動(dòng)引起的振動(dòng)；從飛行模式看，超聲信號(hào)不具有明顯的特征；相位和波形模式下信號(hào)相位平緩，不具有放電相位突變波幅，結(jié)合耳機(jī)聽到的嗡嗡聲和特高頻頻譜圖初步判斷為該隔離開關(guān)靜觸頭部件存在松動(dòng)引起的振動(dòng)。再結(jié)合圖4所示的隔離開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，超聲信號(hào)最大位置正處于該備用隔離開關(guān)靜觸頭處，但是由于254間隔為備用間隔，隔離開關(guān)處于斷開位置，因此初步診斷為隔離開關(guān)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(dòng)引起的振動(dòng)。另外，該氣室下側(cè)絕緣子進(jìn)行特高頻局放檢測(cè)發(fā)現(xiàn)無明顯放電圖譜，如圖5所示，對(duì)該氣室內(nèi)SF6氣體濕度檢測(cè)為137μL/L，氣體成分檢測(cè)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(yīng)該對(duì)該位置進(jìn)行重點(diǎn)局放檢測(cè)，縮短檢測(cè)周期，根據(jù)聲信號(hào)增長趨勢(shì)和局放檢測(cè)數(shù)據(jù)制定采取的措施。

圖4　備用254東隔離開關(guān)B相內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖5　備用254東隔離開關(guān)B相特高頻局放檢測(cè)圖

4　小結(jié)

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

參考文獻(xiàn)

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

作者簡(jiǎn)介：

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