魏翀， 熊俊， 楊森

(1.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海　200240; 2廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院，廣東 廣州　510410)

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GIS局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)分析與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

魏翀1， 熊俊2， 楊森2

(1.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海200240; 2廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院，廣東 廣州510410)

局部放電帶電檢測(cè)是診斷GIS絕緣狀態(tài)最有效的方式之一。在分析特高頻法和超聲波法各自優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的聲電聯(lián)合檢測(cè)法。在一起220 kV GIS現(xiàn)場(chǎng)案例中，運(yùn)用方法對(duì)GIS內(nèi)部缺陷進(jìn)行了快速、準(zhǔn)確的定位。隨后的停電解體驗(yàn)證了檢測(cè)結(jié)果的正確性，為GIS局放帶電測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

GIS；局部放電；帶電檢測(cè)；聲電聯(lián)合；故障定位

0　引　言

封閉式氣體絕緣組合電器(GIS)具有占地面積小、可靠性高、受外界環(huán)境影響小、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[1-2]。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)制造、安裝調(diào)試過程中可能存在GIS內(nèi)部絕緣表面臟污、尖刺、自由粒子、固體絕緣內(nèi)部缺陷等。任由這些缺陷在運(yùn)行過程中不斷發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故。另外，GIS具有封閉式的結(jié)構(gòu)特性，故障后的檢修需要較長(zhǎng)的時(shí)間并耗費(fèi)大量的人力物力。

對(duì)GIS進(jìn)行局部放電帶電檢測(cè)是評(píng)估GIS運(yùn)行狀態(tài)的重要手段?？梢蕴崆鞍l(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部潛在的故障或缺陷，保證其安全可靠運(yùn)行。帶電檢測(cè)是短時(shí)間帶電的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，具有靈活度高、經(jīng)濟(jì)性好、系統(tǒng)維護(hù)工作量小的優(yōu)勢(shì)，適合我國(guó)當(dāng)前電力生產(chǎn)模式和經(jīng)營(yíng)模式。然而目前大部分GIS帶電檢測(cè)案例只是采用單一檢測(cè)方法或先后采用特高頻法和超聲波法對(duì)GIS進(jìn)行檢測(cè)[3-5]。本文在辨析超聲波法和特高頻法各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，制定了一種聲電聯(lián)合的GIS局部放電檢測(cè)方法，并給出了利用該方法檢測(cè)220 kV GIS設(shè)備內(nèi)部故障的實(shí)例?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)證明該方法具有效率高、定位準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。

1　GIS局部放電主要帶電檢測(cè)方法

1.1特高頻法(UHF)

特高頻法對(duì)伴隨局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)(300 MHz≤f≤3 GHz)進(jìn)行檢測(cè)，抵抗現(xiàn)場(chǎng)電暈干擾能力較強(qiáng)。GIS的同軸結(jié)構(gòu)是一種良好的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，特高頻電磁波在其內(nèi)部傳播過程中衰減較小，可以傳播到較遠(yuǎn)的距離[6]。而GIS設(shè)備多處位置都裝有盆式絕緣子，這些環(huán)氧材料的絕緣子可以透射特高頻電磁波信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)表明，利用在放電點(diǎn)附近的多個(gè)盆子都可以檢測(cè)到不同程度的特高頻信號(hào)的特點(diǎn)，可大大提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的效率。

圖1　上升沿起點(diǎn)難以確定的特高頻信號(hào)

特高頻法采用時(shí)差定位法實(shí)現(xiàn)GIS局部放電源的定位。即通過計(jì)算兩個(gè)或多個(gè)不同位置的特高頻傳感器接收信號(hào)的時(shí)延來確定放電源的位置。根據(jù)費(fèi)碼最短光程原理，兩路信號(hào)間的到達(dá)時(shí)延應(yīng)為其各自波形上升沿起點(diǎn)的時(shí)間差[7]。電磁波以光速在GIS中傳播，時(shí)延的計(jì)算精度對(duì)該方法的定位精度影響很大，每1 ns的時(shí)延誤差將會(huì)帶來空間上0.3 m的定位誤差。當(dāng)信號(hào)的起始脈沖較小而背景噪聲較大或信噪比很低時(shí)，特高頻信號(hào)的上升沿起點(diǎn)往往很難確定，如圖1所示信號(hào)。該信號(hào)為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)僅通過檢測(cè)人員的人工判斷，將無(wú)法準(zhǔn)確的定位放電源，造成定位點(diǎn)與實(shí)際放電點(diǎn)之間的距離偏差較大。因此在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，只使用特高頻法難以實(shí)現(xiàn)局部放電的精確定位，定位的有效范圍往往限制在1～2個(gè)氣室內(nèi)。

1.2超聲波法

超聲波法通過對(duì)GIS腔體外壁安裝超聲波傳感器檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)。超聲波傳感器與電力設(shè)備的電氣回路無(wú)任何聯(lián)系，抗電磁干擾能力較強(qiáng)但容易受到機(jī)械干擾[8]。相比特高頻法，超聲波法的測(cè)量位置不受盆子限制，測(cè)量方案靈活多變。但超聲波法存在以下問題：信號(hào)的有效范圍較小，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明每隔0.5 m～1 m需要布置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)；操作不便，外置式超聲傳感器需要通過粘結(jié)劑貼在殼體表面。如果采用超聲波法對(duì)變電站中所有GIS間隔進(jìn)行普測(cè)，所需的現(xiàn)場(chǎng)工作量繁重且容易漏測(cè)。

超聲波法對(duì)局部放電源定位的方法分幅值法和時(shí)差法兩種。幅值法是根據(jù)超聲波信號(hào)的衰減特性，利用其峰值或有效值的大小定位，一般離信號(hào)源越近，信號(hào)越大。但由于波的擴(kuò)散、反射和熱傳導(dǎo)均可造成衰減，且超聲波在不同媒介中傳播的衰減強(qiáng)弱不同，該方法只可實(shí)現(xiàn)初步定位。時(shí)差法是根據(jù)傳感器的空間坐標(biāo)和超聲傳感器到達(dá)傳感器的時(shí)差，通過聯(lián)立球面方程或雙曲面方程計(jì)算空間坐標(biāo)。但由于GIS各個(gè)氣室的結(jié)構(gòu)、尺寸不同，傳感器的空間坐標(biāo)難以確定，使得在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)受到一定的制約。

1.3聲電聯(lián)合檢測(cè)法

聲電聯(lián)合檢測(cè)法同時(shí)對(duì)局部放電源產(chǎn)生的超聲信號(hào)和特高頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。如表1所示，利用兩者互補(bǔ)的特性，使其相比于單一超聲法和特高頻法有更強(qiáng)的抗干擾能力，并能提高定位精度。

該方法首先利用特高頻法有效測(cè)量范圍大的特點(diǎn)，高效率的對(duì)GIS間隔整體狀況進(jìn)行巡檢。對(duì)存在疑似信號(hào)的區(qū)域再采用特高頻法和超聲法聯(lián)合進(jìn)行定位分析。根據(jù)GIS的同軸結(jié)構(gòu)，利用了平分面法確定放電點(diǎn)所在平面。由于電磁波信號(hào)的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于超聲信號(hào)的速度，以特高頻信號(hào)作為基準(zhǔn)，超聲信號(hào)對(duì)基準(zhǔn)的延遲時(shí)間乘以超聲信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度即為超聲傳感器與放電點(diǎn)間的直線距離。以此實(shí)現(xiàn)了放電點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)步驟如下：

(1) 將外置式特高頻傳感器a、b分別貼在可測(cè)得異常信號(hào)的盆式絕緣子上。若局放點(diǎn)位于如圖2所示位置，則特高頻傳感器b測(cè)得信號(hào)超前特高頻傳感器a測(cè)得信號(hào)?？沙醪脚卸ň址旁次恢锰幱趥鞲衅鱞兩側(cè)的氣室，即氣室B或氣室C。

圖2　聲電聯(lián)合法確定局放點(diǎn)位置示意圖

(2) 特高頻傳感器b位置不變，將兩個(gè)超聲傳感器分別貼在絕緣子兩側(cè)氣室(如圖2中1、2位置)。利用超聲波在GIS常用材料介質(zhì)中衰減較大的特性，比較兩位置測(cè)得超聲信號(hào)的幅值。如圖2所示情況，則2號(hào)位置的超聲傳感器幅值較大，將放電位置進(jìn)一步縮小在氣室B。

(3) 以外置式特高頻傳感器b測(cè)得信號(hào)作為時(shí)間基點(diǎn)，保持一個(gè)超聲傳感器在2位置不變，在氣室B外壁上移動(dòng)另外一個(gè)超聲傳感器。根據(jù)平分面法，使得兩路超聲信號(hào)的到時(shí)間基點(diǎn)的時(shí)延相同(如圖2中2、3位置)。則放電點(diǎn)位置在兩超聲傳感器的垂直平分面上。

(4) 將一個(gè)超聲傳感器移動(dòng)到該垂直平分面與GIS外壁的交線上任意一點(diǎn)(可選圖2中4位置)。讀取該位置下超聲信號(hào)與時(shí)間基點(diǎn)間的時(shí)延，利用超聲波的傳播速度，確定放電點(diǎn)的具體位置。

表1　兩種檢測(cè)方法特點(diǎn)對(duì)比表

注：特高頻法抵抗低頻電暈干擾能力較強(qiáng)，但容易受到特高頻范圍內(nèi)電磁干擾的影響。

2　現(xiàn)場(chǎng)案例分析

采用上海交通大學(xué)自行研制的JD—S100局放帶電檢測(cè)系統(tǒng)在某500 kV變電站內(nèi)220 kV GIS多個(gè)部位檢測(cè)到典型的局部放電異常信號(hào)。根據(jù)信號(hào)幅值的強(qiáng)弱和時(shí)延的大小確定了局部放電產(chǎn)生的間隔，該間隔主要包括斷路器、刀閘、電流互感器、絕緣盆子等。通過聲電聯(lián)合檢測(cè)法確定放電點(diǎn)位于220 kV GIS上方刀閘A相的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2.1檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

在220 kV GIS上方刀閘A相附近測(cè)得的典型特高頻及超聲信號(hào)如圖3所示。通道2表示特高頻傳感器a測(cè)得信號(hào)，通道3表示超聲傳感器測(cè)得信號(hào)，通道4表示特高頻傳感器b測(cè)得信號(hào)。其中，特高頻傳感器b貼在A相刀閘氣室的盆式絕緣子上，特高頻傳感器a指向外部，用來檢測(cè)背景。

圖3　220 kV GIS上方刀閘A相典型測(cè)試信號(hào)

特高頻傳感器b檢測(cè)信號(hào)峰峰值達(dá)到5.41 V，而檢測(cè)背景的特高頻傳感器a的峰峰值僅為2.88 V。特高頻信號(hào)每個(gè)工頻周期內(nèi)存在2個(gè)局放脈沖，脈沖之間相角差穩(wěn)定在180°。超聲波信號(hào)的幅值較大，峰峰值達(dá)到1.77 V，并具有明顯的工頻相關(guān)性。測(cè)得的特高頻與超聲脈沖信號(hào)之間一一對(duì)應(yīng)，脈沖個(gè)數(shù)較少、幅值較大、存在間歇性與懸浮電極放電的特征相符，應(yīng)為懸浮電極類放電[9]。兩種檢測(cè)方法相互佐證，可以有效的避免外部干擾對(duì)單一檢測(cè)技術(shù)的影響，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

為了確定放電源的位置，首先將兩特高頻傳感器分別貼于A相刀閘兩側(cè)的兩個(gè)盆式絕緣子上，測(cè)得典型的信號(hào)如圖4所示。通道4為在A相刀閘靠近出線側(cè)盆式絕緣子上測(cè)得的信號(hào)，該信號(hào)超前另一路特高頻信號(hào)。放電點(diǎn)位置靠近A相刀閘靠近出線側(cè)盆式絕緣子，完成了初步定位。

圖4　A相刀閘兩側(cè)絕緣子測(cè)得的特高頻信號(hào)

圖5　聲電聯(lián)合法定位測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

利用聲電聯(lián)合法對(duì)放電點(diǎn)進(jìn)行精確定位。以特高頻信號(hào)作為參考，同時(shí)采用兩路超聲傳感器進(jìn)行時(shí)延定位分析。如圖5所示，將特高頻傳感器固定在A相刀閘靠近出線的盆式絕緣子上，將超聲傳感器a粘貼在刀閘的上端，超聲傳感器b貼在刀閘的下端。

圖6　聲電聯(lián)合法定位測(cè)試結(jié)果

聲電聯(lián)合法測(cè)得的典型信號(hào)如圖6所示。通道1為超聲傳感器a測(cè)得信號(hào)，通道3為超聲傳感器b測(cè)得信號(hào)，通道4為特高頻傳感器測(cè)得信號(hào)。超聲傳感器a測(cè)得信號(hào)在時(shí)間上超前超聲傳感器b測(cè)得信號(hào)，即放電源應(yīng)該靠近刀閘的上端。根據(jù)平分面法，通過多次移動(dòng)兩個(gè)超聲傳感器進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定放電點(diǎn)靠近刀閘A相頂部。

由于聲電聯(lián)合定位法以電信號(hào)和超聲波信號(hào)之間的時(shí)間差作為故障點(diǎn)到超聲波傳感器的時(shí)間，以等值聲速乘以傳播時(shí)間就是故障點(diǎn)到達(dá)超聲波傳感器的距離。當(dāng)超聲傳感器貼近刀閘A相頂部時(shí)，特高頻脈沖與超聲脈沖之間的時(shí)間差Δt約100 μs，參見圖6。如按照SF6中超聲波的傳播速率來計(jì)算，放電源與超聲傳感器之間的距離約為16 mm。考慮到GIS外殼有一定的厚度，該放電源應(yīng)該臨近GIS外殼。當(dāng)局部放電源靠近GIS外殼時(shí)，產(chǎn)生的電磁波傳播路徑為沿GIS外殼內(nèi)表面繞向傳播路徑而非直線路徑[10]。沿直線傳播的特高頻信號(hào)到達(dá)時(shí)間應(yīng)早于圖6通道4測(cè)得信號(hào)到達(dá)時(shí)間，故障點(diǎn)與外殼內(nèi)壁的距離應(yīng)略大于16 mm。

2.2檢測(cè)結(jié)果判斷

圖7　放電源位置定位

綜上所述，刀閘A相放電源應(yīng)位于如圖7所示的位置，考慮到該處實(shí)際安裝的是刀閘的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此放電現(xiàn)象應(yīng)是由于刀閘的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的；此外由于放電類型為懸浮電極放電，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)該存在連接部件松動(dòng)的情況。

2.3解體檢查

圖8　刀閘解體后照片

對(duì)異常220 kV GIS進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)停電解體，GIS的內(nèi)部情況如圖8所示。在刀閘的絕緣桿與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接處發(fā)現(xiàn)明顯的放電痕跡，放電點(diǎn)四周有大量灰色粉末。

該故障是由于絕緣桿與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接部位接觸不良或經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的震動(dòng)出現(xiàn)松動(dòng)，造成連接部位形成非接觸狀態(tài)。進(jìn)而造成懸浮電位并產(chǎn)生局部放電，長(zhǎng)時(shí)間的放電引起金屬件的電腐蝕進(jìn)而又加劇放電產(chǎn)生惡性循環(huán)。驗(yàn)證了本文提出的聲電聯(lián)合法檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

3　結(jié)束語(yǔ)

局部放電帶電檢測(cè)能在不斷電、不改變運(yùn)行狀態(tài)的情況下了解GIS的設(shè)備工況。便于電力公司有針對(duì)性的指導(dǎo)檢修工作。采用單一檢測(cè)方法或先后采用特高頻法和超聲波法對(duì)GIS進(jìn)行檢測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)仍存在較多不足。筆者在辨析特高頻法和超聲波法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合一起220 kV GIS刀閘局部放電異常的帶電檢測(cè)案例，給出了聲電聯(lián)合法的檢測(cè)步驟、現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)信號(hào)波形和后續(xù)設(shè)備的解體照片?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況表明，聲電聯(lián)合法檢測(cè)具有效率高，靈敏度強(qiáng)，定位準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。

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Analysis and Field Application of Live Detection of Partial GIS Discharge

WEI Chong1, XIONG Jun2, YANG Sen2

(1. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Electric Power Test and Research Institute, Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510410, China)

Live detection of partial discharge is one of the most effective methods for GIS insulation diagnosis. After analyzing the advantages and disadvantages of UHF method and ultrasonic method, this paper presents an approach combining both methods for field application. In a 220kV GIS on site, internal defects in the GIS are located quickly and preciously in the new method. The following service interruption and disintegration verifies the correctness of the detection results, thus providing valuable experience for live detection of partial GIS discharge.

GIS;partial discharge; live detection; combination of UHF and ultrasonic methods,;fault location

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.032

TM711

A

1000-3886(2016)02-0106-03

魏翀 (1991-)，男，安徽合肥人，碩士生，主要從事輸變電設(shè)備局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)的研究。熊俊 (1983-)，男，江西宜豐人，高級(jí)工程師，主要從事高壓設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)管理、狀態(tài)檢測(cè)新技術(shù)應(yīng)用與推廣工作。楊森(1989-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，助理工程師，長(zhǎng)期從事高壓設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)新技術(shù)應(yīng)用工作。

定稿日期: 2015-12-04