代 暉，熊 攀，周電波，楊 帆，薛志航，何宇航，姚 曉

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司瀘州供電公司，四川 瀘州 646000；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

作為狀態(tài)檢修的重要支撐手段，氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)局部放電帶電檢測(cè)已在電網(wǎng)全面深入開(kāi)展，發(fā)現(xiàn)了大量設(shè)備內(nèi)部潛伏性缺陷，提升了設(shè)備運(yùn)行可靠性。從大量實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況看，在GIS各類(lèi)局部放電中，固體絕緣放電缺陷檢測(cè)和診斷難度最大。其中，澆筑工藝不良、運(yùn)行受力不均引起的支撐絕緣子內(nèi)部放電缺陷，因激發(fā)的超聲波信號(hào)衰減嚴(yán)重，很難被檢測(cè)到，因此無(wú)法通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的幅值定位法確定缺陷位置；而在檢修期間，因缺陷位于絕緣子內(nèi)部，肉眼不可見(jiàn)，也為最終的診斷確認(rèn)和檢修消缺帶來(lái)了困難[1-3]。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外各高校、科研院所和企業(yè)持續(xù)開(kāi)展GIS固體絕緣局部放電檢測(cè)和診斷技術(shù)的研究。目前，在特征量提取、模式識(shí)別和監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面取得了相當(dāng)?shù)难芯砍晒?，部分成果已逐步?yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，有效提升了GIS固體絕緣局部放電缺陷的檢出率[4-7]。然而，從大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況和設(shè)備檢修案例分析來(lái)看，仍有相當(dāng)數(shù)量的固體絕緣放電缺陷未能被準(zhǔn)確檢測(cè)及定位，或者被檢測(cè)以及定位后，由于缺乏檢查手段未能最終對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，從而影響了檢修消缺。上述情況表明，GIS固體絕緣現(xiàn)場(chǎng)局部放電檢測(cè)技術(shù)還有諸多需要提升的地方[8-12]。

為提升GIS支撐絕緣子內(nèi)部放電缺陷現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水平，更好地指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)維檢修，下面將特高頻局部放電檢測(cè)法、多通道信號(hào)時(shí)延定位法和X射線(xiàn)成像檢測(cè)法進(jìn)行結(jié)合并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)應(yīng)用效果的評(píng)估表明該綜合診斷方法提升了GIS支撐絕緣子局部放電檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性。

1 GIS帶電檢測(cè)方法

1.1 特高頻局部放電帶電檢測(cè)法

GIS支撐絕緣子內(nèi)部存在氣隙或者裂紋，由于缺陷位置局部場(chǎng)強(qiáng)增加到一定程度會(huì)引起局部絕緣擊穿，每一次擊穿放電都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)陡脈沖電流，激發(fā)出頻率在特高頻頻段(300 MHz～3 GHz)的電磁波信號(hào)。該特高頻電磁波信號(hào)在GIS內(nèi)傳播，經(jīng)盆式絕緣子、隔離開(kāi)關(guān)/接地開(kāi)關(guān)觀察窗等非金屬屏蔽部位泄漏到GIS外部。利用特高頻傳感器在非金屬屏蔽部位接收局部放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)后，通過(guò)信號(hào)特征判斷缺陷類(lèi)型、診斷缺陷情況，即為特高頻局部放電帶電檢測(cè)法。

1.2 多通道信號(hào)時(shí)延定位法

GIS支撐絕緣子內(nèi)部放電激發(fā)的超聲波信號(hào)在傳播中經(jīng)歷多層界面衰減，很難傳輸至金屬殼體被超聲波傳感器檢測(cè)到，而由于特高頻傳感器僅能在非金屬屏蔽部位接收電磁波信號(hào)，無(wú)法像超聲波傳感器一樣直接在缺陷部位進(jìn)行檢測(cè)，因此，對(duì)于GIS支撐絕緣子內(nèi)部放電，無(wú)法通過(guò)幅值定位法找到缺陷位置，只能通過(guò)多通道信號(hào)時(shí)延定位法進(jìn)行缺陷精確定位。

多通道時(shí)延定位法通過(guò)多個(gè)不同位置的特高頻傳感器接收局部放電電磁波信號(hào)，讀取信號(hào)到達(dá)各傳感器的時(shí)延，經(jīng)過(guò)定位算法計(jì)算來(lái)確定局部放電源的位置。對(duì)于GIS這種獨(dú)特的管道結(jié)構(gòu)而言，使用時(shí)延定位方法時(shí)可將其視為線(xiàn)形結(jié)構(gòu)，在一維或二維空間內(nèi)進(jìn)行定位計(jì)算，在理想情況下，僅需2個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)同時(shí)接收信號(hào)，并采用式(1)進(jìn)行計(jì)算即可得到放電源位置[13]。時(shí)延定位方法硬件方面需要采樣率最低為5 GS/s、帶寬最低為500 MHz的高性能4通道示波器。

(1)

式中：c為電磁波在GIS內(nèi)部SF6氣體中的等效傳播速度，約為3×108m/s；L為兩個(gè)特高頻傳感器間的距離；Δt為信號(hào)到達(dá)兩個(gè)特高頻傳感器的時(shí)間差；x為局部放電源到達(dá)某個(gè)特高頻傳感器的距離。

1.3 X射線(xiàn)成像檢測(cè)法

X射線(xiàn)有很強(qiáng)的穿透性，在對(duì)著物體照射后，一部分射線(xiàn)能量被物體吸收，還有一部分射線(xiàn)能量因散射被消耗，故最終穿透物體的X射線(xiàn)強(qiáng)度有一定程度的減弱。單色窄束射線(xiàn)衰減規(guī)律如式(2)所示。

I=I0e-μT

(2)

式中：I0為照射到物體前的X射線(xiàn)強(qiáng)度；I為穿透物體后的X射線(xiàn)強(qiáng)度；μ為X射線(xiàn)的衰減系數(shù)；T為吸收體等效厚度，cm。

基于上述原理，可以實(shí)現(xiàn)X射線(xiàn)成像檢測(cè)。對(duì)被檢物體完成X射線(xiàn)成像檢測(cè)后，把膠片放到觀光燈上觀察透射光線(xiàn)，可看到由對(duì)比度(膠片上相鄰區(qū)域的黑度差)構(gòu)成的不同形狀的影像，據(jù)此可觀察到被檢物體內(nèi)部情況。

隨著相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，比膠片成像技術(shù)更加靈活、準(zhǔn)確的DR直接數(shù)字成像技術(shù)被逐步用于電力設(shè)備檢測(cè)。X射線(xiàn)DR直接數(shù)字成像技術(shù)將大量的新型X射線(xiàn)探測(cè)元根據(jù)需要以陣列方式組合到一起，再結(jié)合相應(yīng)的信號(hào)、圖像處理單元形成整套檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從X射線(xiàn)發(fā)射、穿透射線(xiàn)接收到信號(hào)處理、圖像優(yōu)化的全過(guò)程。相比傳統(tǒng)的X射線(xiàn)檢測(cè)機(jī)，DR直接數(shù)字成像X射線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)便于攜帶、使用靈活、射線(xiàn)能量強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展GIS成像檢測(cè)能夠通過(guò)信號(hào)數(shù)字化處理獲得更理想的圖片。

2 GIS支撐絕緣子內(nèi)部放電缺陷現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

以某110 kV變電站110 kV GIS 為例(該GIS為河南平高電氣股份有限公司生產(chǎn)的ZF5-110型GIS)，開(kāi)展特高頻局部放電帶電期間檢測(cè)，在I母多個(gè)盆式絕緣子位置檢測(cè)異常信號(hào)。檢測(cè)儀器顯示，異常信號(hào)幅值可達(dá)65 dB，呈現(xiàn)顯著的100 Hz頻率相關(guān)性，初步分析具有局部放電信號(hào)特征，如圖1所示。

圖1 實(shí)測(cè)支撐絕緣子內(nèi)部放電特高頻PRPS圖譜1

2.1 信號(hào)圖譜特征分析

在盆式絕緣子位置測(cè)得異常特高頻脈沖信號(hào)的情況下，首先分析信號(hào)是設(shè)備內(nèi)局部放電信號(hào)還是設(shè)備外干擾信號(hào)。將傳感器離開(kāi)盆式絕緣子放置于外部空間，不斷移動(dòng)傳感器觀察不同位置檢測(cè)到的異常信號(hào)幅值，若盆式絕緣子處檢測(cè)到的信號(hào)幅值大于外部空間所有位置檢測(cè)到的異常信號(hào)幅值，則初步判斷異常信號(hào)來(lái)自于GIS內(nèi)部；否則，異常信號(hào)有可能來(lái)自GIS外部，而在外部空間中檢測(cè)到的異常信號(hào)幅值最大位置，可由此繼續(xù)檢測(cè)找到外部干擾方向乃至位置。以所檢測(cè)的110 kV GIS為例，特高頻傳感器在盆式絕緣子位置檢測(cè)到的異常信號(hào)幅值始終大于在外部空間中檢測(cè)到的信號(hào)幅值，因此判斷異常信號(hào)來(lái)自GIS內(nèi)部。在初步判斷異常信號(hào)來(lái)自GIS內(nèi)部的情況下，對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行特征分析，判斷缺陷類(lèi)型。

該110 kV GIS盆式絕緣子部位用不同設(shè)備檢測(cè)的特高頻PRPS(phase resolved pulse sequence)圖譜如圖1和圖2所示，可見(jiàn)異常信號(hào)普遍呈顯著的100 Hz頻率相關(guān)性(即一個(gè)工頻周期出現(xiàn)2簇放電脈沖)，具有懸浮電位放電或固體絕緣放電特征。對(duì)圖1所對(duì)應(yīng)的放電缺陷，用示波器對(duì)其進(jìn)行信號(hào)檢波，如圖3所示，可見(jiàn)信號(hào)在一個(gè)工頻周期內(nèi)出現(xiàn)至少2個(gè)幅值較大的脈沖，但脈沖幅值、間隔時(shí)間均有差異，體現(xiàn)出一定的極性，初步判斷為固體絕緣內(nèi)部氣隙放電特征。正負(fù)半周放電脈沖幅值、個(gè)數(shù)和時(shí)間間隔是否具有對(duì)稱(chēng)性等取決于支撐絕緣子內(nèi)部氣隙、裂紋情況以及缺陷發(fā)展階段、放電嚴(yán)重程度。

圖2 實(shí)測(cè)支撐絕緣子內(nèi)部放電特高頻PRPS圖譜2

圖3 實(shí)測(cè)支撐絕緣子內(nèi)部放電特高頻檢波圖譜

2.2 支撐絕緣子缺陷精確定位

以如圖1所示異常信號(hào)對(duì)應(yīng)的I母存在局部放電缺陷的110 kV GIS為例，通過(guò)時(shí)延定位法對(duì)GIS內(nèi)部放電缺陷進(jìn)行精確定位，為確保定位的準(zhǔn)確性，在軸向和圓周方向分別進(jìn)行定位計(jì)算。

如圖4所示為多個(gè)特高頻測(cè)點(diǎn)布置，首先在軸向確定缺陷位置。如圖5所示為圖4中3個(gè)特高頻傳感器采集到的異常信號(hào)波頭，特高頻信號(hào)到達(dá)測(cè)點(diǎn)1的時(shí)間領(lǐng)先于到達(dá)測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3，表明缺陷最接近測(cè)點(diǎn)1，測(cè)點(diǎn)1信號(hào)領(lǐng)先測(cè)點(diǎn)2約1 ns，測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2距離約75 cm，利用式(1)進(jìn)行計(jì)算，得到缺陷位于測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2之間；從設(shè)備結(jié)構(gòu)看，缺陷只可能位于3個(gè)特高頻測(cè)點(diǎn)下方的母線(xiàn)上，計(jì)算得到，放電源距離測(cè)點(diǎn)1約22.5 cm，距離測(cè)點(diǎn)2約52.5 cm。

圖4 軸向定位特高頻測(cè)點(diǎn)布置

圖5 軸向定位三通道信號(hào)時(shí)域波形

如圖6所示，在圖4測(cè)點(diǎn)1所在盆式絕緣子布置2個(gè)特高頻傳感器，對(duì)缺陷進(jìn)行圓周方向定位。圖7為圖6中2個(gè)特高頻傳感器采集到的異常信號(hào)波頭，特高頻信號(hào)到達(dá)測(cè)點(diǎn)1的時(shí)間略微領(lǐng)先于到達(dá)測(cè)點(diǎn)2，表明缺陷更接近測(cè)點(diǎn)1。測(cè)點(diǎn)1信號(hào)領(lǐng)先測(cè)點(diǎn)2約0.4 ns，測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2距離約50 cm，利用式(1)進(jìn)行計(jì)算，忽略母線(xiàn)與盆式絕緣子高度差，得到缺陷位于測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2之間，距離測(cè)點(diǎn)1約19 cm，距離測(cè)點(diǎn)2約31 cm。

圖6 圓周方向定位特高頻測(cè)點(diǎn)布置

圖7 圓周方向定位兩通道信號(hào)時(shí)域波形

綜合軸向定位和圓周方向定位結(jié)果，局部放電缺陷位于母線(xiàn)上，具體位置在圓圈所示的手孔上，如圖8所示。綜合設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，因缺陷部位無(wú)接頭和屏蔽罩，排除因接觸不良導(dǎo)致的懸浮電位放電缺陷；由于存在支撐絕緣子，初步分析為支撐絕緣子局部放電缺陷。

圖8 軸向缺陷所在位置

3 GIS支撐絕緣子X(jué)射線(xiàn)成像檢測(cè)

根據(jù)特高頻局部放電帶電檢測(cè)和精確定位結(jié)果，對(duì)GIS進(jìn)行解體檢修，取下檢測(cè)到異常信號(hào)的支撐絕緣子。對(duì)于存在內(nèi)部放電的支撐絕緣子，從外表無(wú)法檢查到放電痕跡，考慮到多通道信號(hào)時(shí)延定位有可能因?yàn)樾盘?hào)折反射和疊加等因素導(dǎo)致定位結(jié)果存在一定誤差，現(xiàn)場(chǎng)解體檢修必須要確定存在缺陷的支撐絕緣子得以更換，設(shè)備才能重新投入運(yùn)行。在此情況下，必須在變電站現(xiàn)場(chǎng)以最快速度確認(rèn)支撐絕緣子內(nèi)部狀況，而利用X射線(xiàn)DR直接數(shù)字成像技術(shù)對(duì)支撐絕緣子進(jìn)行無(wú)損透視檢測(cè)是便捷、高效且相對(duì)準(zhǔn)確的方法。以所述存在局部放電缺陷的支撐絕緣子為例，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)X射線(xiàn)成像檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置包含X射線(xiàn)發(fā)射機(jī)和成像板，被檢測(cè)支撐絕緣子放置于X射線(xiàn)發(fā)射機(jī)和成像板之間(靠近成像板)進(jìn)行檢測(cè)，如圖9所示。檢測(cè)完畢后可在數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中對(duì)圖像進(jìn)行優(yōu)化。如圖10所示，經(jīng)X射線(xiàn)成像檢測(cè)，存在局部放電缺陷的支撐絕緣子內(nèi)部可見(jiàn)一道斜向貫穿性裂紋。結(jié)合同時(shí)期、同廠(chǎng)家、同類(lèi)型支撐絕緣子多次出現(xiàn)內(nèi)部氣隙、裂紋缺陷這一情況，分析是生產(chǎn)期間澆注工藝不良所致。據(jù)此，驗(yàn)證了帶電檢測(cè)和精確定位結(jié)果，找到并更換了缺陷支撐絕緣子，設(shè)備經(jīng)規(guī)定試驗(yàn)后重新投入運(yùn)行，缺陷消除。

圖9 支撐絕緣子現(xiàn)場(chǎng)X射線(xiàn)成像檢測(cè)

圖10 缺陷支撐絕緣子X(jué)射線(xiàn)成像檢測(cè)圖片

4 結(jié) 論

上面對(duì)基于特高頻法和X射線(xiàn)檢測(cè)法的GIS支撐絕緣子內(nèi)部放電缺陷綜合診斷方法進(jìn)行了分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，通過(guò)特高頻法檢測(cè)及定位存在內(nèi)部放電缺陷的支撐絕緣子，再通過(guò)X射線(xiàn)成像檢測(cè)確定支撐絕緣子缺陷情況，提升了運(yùn)維檢修效率。

1)支撐絕緣子內(nèi)部放電缺陷激發(fā)的特高頻信號(hào)普遍呈顯著的100 Hz頻率相關(guān)性，放電脈沖幅值、個(gè)數(shù)和時(shí)間間隔取決于支撐絕緣子內(nèi)部氣隙、裂紋情況以及缺陷發(fā)展階段、放電嚴(yán)重程度。

2)GIS支撐絕緣子數(shù)量集中，為提升定位準(zhǔn)確性，應(yīng)在軸向和圓周方向均進(jìn)行放電源定位計(jì)算。

3)X射線(xiàn)成像檢測(cè)用于透視電力設(shè)備、電氣材料內(nèi)部具有較好的效果，既可用于缺陷確認(rèn)診斷，還可以為家族性機(jī)械缺陷、材料缺陷排查提供可靠檢測(cè)手段，其中，對(duì)于絕緣件內(nèi)部氣隙、裂紋和罐體內(nèi)部異物等缺陷，具有良好的檢測(cè)效果和檢測(cè)準(zhǔn)確性。