張家口供電公司 任志強(qiáng) 申 浩

1 引言

帶電檢測(cè)是GIS 局部放電檢測(cè)中用以評(píng)估設(shè)備絕緣性能的有效方式。特高頻帶電檢測(cè)是根據(jù)內(nèi)置或外置傳感器設(shè)備接收來(lái)自局部放電的特高頻（UHF）電磁脈沖信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)的時(shí)間差對(duì)設(shè)備缺陷位置進(jìn)行定位[1]。因其抗干擾能力強(qiáng)、故障定位精準(zhǔn)度高，所以目前已成為用來(lái)評(píng)測(cè)GIS 運(yùn)行狀態(tài)的有力手段。

2 GIS 特高頻法帶電檢測(cè)技術(shù)及其工作原理

2.1 GIS 特高頻法帶電檢測(cè)技術(shù)

特高頻局部放電檢測(cè)是指利用內(nèi)置傳感器或外置傳感器接收局部放電產(chǎn)生的0.3GHz 至3GHz 特高頻段的電磁波信號(hào)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的放電檢測(cè)。由于電設(shè)備絕緣體絕緣強(qiáng)度高、擊穿力強(qiáng)，所以局部放電一般僅存在于小區(qū)域內(nèi)，但是擊穿迅速極快，其上升時(shí)間通常小于1ns，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖電流。運(yùn)用特高頻檢測(cè)局部設(shè)備放電情況時(shí)，若發(fā)現(xiàn)特殊信號(hào)，應(yīng)先判斷信號(hào)來(lái)源，以排除非外界因素的干擾[2]。通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)圖譜、檢測(cè)信號(hào)圖譜的分析，判斷設(shè)備放電異常問(wèn)題是否存在。

2.2 GIS 特高頻法帶電檢測(cè)的工作原理

特高頻帶電檢測(cè)的工作原理是對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，可利用傳感器可對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，獲取局部放電的相關(guān)數(shù)據(jù)。特高頻傳感器通常有內(nèi)置和外置兩種類型。在實(shí)際應(yīng)用中，內(nèi)置式傳感器往往安裝于GIS 設(shè)備內(nèi)部，由GIS 生產(chǎn)商制造時(shí)置入；外置式傳感器主要用于高壓開關(guān)柜的檢測(cè)，通常置于未有金屬屏蔽的GIS外殼介質(zhì)窗或者盆式絕緣子外側(cè)。

3 220kV GIS 特高頻局部放電類型及其缺陷分析

3.1 電暈放電

電暈放電的電信號(hào)一般在工頻周期的正負(fù)半周集中出現(xiàn)，相位分布稍寬，信號(hào)強(qiáng)度較低，且高頻分量少。但是在未出現(xiàn)放電信號(hào)的半周期內(nèi)，電壓較高時(shí)，可能也會(huì)出現(xiàn)放電信號(hào)，該放電信號(hào)相位分布較窄，幅值較大。該類型放電次數(shù)較少，極性效應(yīng)顯著。這一放電類型往往易受外殼毛刺、導(dǎo)體毛刺影響，使氣體中極場(chǎng)產(chǎn)生不均勻放電現(xiàn)象，且這一現(xiàn)象通常發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部[3]。當(dāng)缺陷較小時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)表面燒蝕，對(duì)設(shè)備危害較小，然而在過(guò)電壓下，則可能導(dǎo)致設(shè)備擊穿隱患，所以要對(duì)放電信號(hào)的幅值給予一定關(guān)注。

3.2 沿面放電

沿面放電的放電信號(hào)一般出現(xiàn)在工頻相位全周期內(nèi)。這一類型的放電幅值相對(duì)分散，且放電次數(shù)少，時(shí)間間隔不穩(wěn)定，但放電相位相對(duì)穩(wěn)定，高頻較少，沒有明顯的極性效應(yīng)。這一放電類型存在的缺陷是，絕緣內(nèi)部裂紋、臟污及空穴，容易導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)非貫穿性放電，也是導(dǎo)致設(shè)備絕緣擊穿的重要因素。引起沿面放電異常的原因往往也與工頻電場(chǎng)相關(guān)。

3.3 懸浮放電

懸浮放電的信號(hào)一般出現(xiàn)在工頻相位的正半周期或負(fù)半周期，且存在對(duì)稱性。PRPS 譜呈現(xiàn)“內(nèi)外八字”。然而，當(dāng)懸浮金屬出現(xiàn)不對(duì)稱情形時(shí)，其正半波、負(fù)半波的檢測(cè)信號(hào)則會(huì)產(chǎn)生極性差異。懸浮放電時(shí)，設(shè)備內(nèi)部的懸浮部件跟隨振動(dòng)，也因此又有固定間隙與可變間隙懸浮放電之分。懸浮放電的缺陷是，一旦設(shè)備內(nèi)部的金屬部件和相關(guān)導(dǎo)體出現(xiàn)間隙，丟失了電位連接，這時(shí)便容易引發(fā)接觸不良放電現(xiàn)象。

3.4 金屬顆粒放電

金屬顆粒放電在全工頻相位周期內(nèi)均分布有放電信號(hào)。放電信號(hào)一般放電次數(shù)少、間隔不規(guī)律，且放電極性效應(yīng)不明顯，放電幅值分布也較為廣泛[5]。當(dāng)提高電壓水平時(shí)，金屬顆粒的放電幅值會(huì)相應(yīng)增大，相對(duì)的放電信號(hào)時(shí)間間隔減小。這一類型的放電缺陷往往由金屬碎屑導(dǎo)致。當(dāng)設(shè)備的內(nèi)部電場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，其內(nèi)部的金屬微粒將會(huì)隨之進(jìn)行跳動(dòng)，若此時(shí)加大導(dǎo)體與金屬外殼之間的高低壓，極可能會(huì)引發(fā)設(shè)備擊穿現(xiàn)象。

4 220kV GIS 特高頻法帶電檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

4.1 檢測(cè)靈敏度高

特高頻電磁波會(huì)在GIS 內(nèi)部產(chǎn)生反射，并在GIS 罐體形成諧振，一定程度上延長(zhǎng)了局部放電信號(hào)的振蕩時(shí)間，降低了特高頻電磁波信號(hào)在傳播過(guò)程中的損失，因此特高頻帶電檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)靈敏度得以提高。

4.2 抗低頻信號(hào)干擾能力強(qiáng)

特高頻傳感器的信號(hào)頻段在0.3GHz 至3GHz 范圍內(nèi)。而電暈干擾又是檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)干擾的主要因素，其頻段通常在300MHz 以下，所以特高頻檢測(cè)法可以有效防止現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的電暈干擾，抗低頻信號(hào)干擾能力較強(qiáng)。

4.3 能實(shí)現(xiàn)局放源定位

局部放電的特高頻電磁脈沖信號(hào)抵達(dá)GIS 盆式絕緣子的時(shí)間與其傳播距離緊密相關(guān)。因此，檢測(cè)過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)異常局部放電信號(hào)，檢修人員可依據(jù)放電信號(hào)抵達(dá)傳感器的時(shí)間差，確定局部放電的具體位置。

4.4 絕緣缺陷類型識(shí)別功能

據(jù)相關(guān)研究表明，局部放電缺陷不同，檢測(cè)獲得的相應(yīng)特高頻信號(hào)圖譜特征存在著一定差異。因此，檢修人員可依據(jù)特高頻信號(hào)圖譜，分析其放電相位、放電頻次、放電幅值等特征，確定放電類型，了解其缺陷程度。

5 220kV GIS 特高頻帶電檢測(cè)技術(shù)的定位方法

時(shí)差定位法是運(yùn)用放電源最為接近傳感器，時(shí)域信號(hào)最超前原理，進(jìn)而來(lái)判斷放電位置。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過(guò)高速示波器可以得到時(shí)域信號(hào)的波形，獲取兩個(gè)傳感器檢測(cè)的信號(hào)波形時(shí)間差，之后根據(jù)傳感器之間的距離及其信號(hào)傳播速度，即可計(jì)算出局部放電位置。

幅值比較法是根據(jù)放電位置信號(hào)最強(qiáng)原理來(lái)判定放電位置。幅值比較法的實(shí)施需要設(shè)立多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，根據(jù)幅值最大處信號(hào)最強(qiáng)原則，以定位放電源。然而，受現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件影響，其檢測(cè)準(zhǔn)確性也會(huì)出現(xiàn)誤差，如放電信號(hào)強(qiáng)或者現(xiàn)場(chǎng)存在兩個(gè)以上的放電源，則檢測(cè)結(jié)果可能與實(shí)際情況相偏離。

聲電聯(lián)合定位法，聲電聯(lián)合定位法是依據(jù)聲波傳速低于電磁波傳速的原理來(lái)判定放電位置。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，特高頻信號(hào)可以作為觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)以超聲波為檢測(cè)媒介，計(jì)算并判定放電源位置。另外，由于超聲波和特高頻檢測(cè)法存在優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，因此該檢測(cè)方法不但可以免受機(jī)械振動(dòng)干擾，而且還能避免電氣影響，進(jìn)而精準(zhǔn)定位放電源。

6 220kV GIS 特高頻法帶電檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

6.1 局部放電的在線監(jiān)測(cè)與定位

某一地區(qū)220kV 變電站安裝有相應(yīng)的GIS 設(shè)備，實(shí)行局部放電在線監(jiān)測(cè)時(shí)，技術(shù)人員在后臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)該站的多個(gè)耦合器都存在明顯的連續(xù)性局部放電信號(hào)，并且其最大幅值已超過(guò)-25dBm。據(jù)此，經(jīng)專家分析判斷，認(rèn)為這一放電信號(hào)確為浮動(dòng)電極信號(hào)。其局部放電信號(hào)發(fā)展較為迅速，如圖1所示，可以看出，其放電頻次與放電幅值存在明顯突變現(xiàn)象。

圖1 局部放電發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)這一信號(hào)頻率由間歇性逐漸轉(zhuǎn)化為連續(xù)性，且幅值已超過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最大值，具體如圖2所示。

圖2 連續(xù)性局部放電信號(hào)

為了排除外界電磁干擾和監(jiān)測(cè)儀器自身是否正常工作的影響，檢修人員聯(lián)合采用便攜式與超聲波局部放電測(cè)試儀改變 GIS 設(shè)備的運(yùn)行方式，并對(duì)其局放信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得1號(hào)分段的間隔氣室布置，如圖3所示。對(duì)GIS 氣室進(jìn)行分段停電，分別在不同狀態(tài)下對(duì)1號(hào)分段間隔氣室的多種盤式絕緣子進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 改變運(yùn)行方式測(cè)量局放信號(hào)幅值

圖3 1號(hào)分段氣室布置及定位測(cè)試點(diǎn)

根據(jù)上述分段停電測(cè)試基本可排除外界環(huán)境干擾因素與監(jiān)測(cè)儀器自身問(wèn)題的影響。同時(shí)，這也說(shuō)明GIS 設(shè)備內(nèi)部確實(shí)存在局部放電信號(hào)。結(jié)合上述監(jiān)測(cè)結(jié)果和系統(tǒng)運(yùn)行情況分析，可預(yù)測(cè)出局部放電位置位于1015開關(guān)、靠近1M 側(cè)氣室附近。

6.2 具體原因分析

通過(guò)對(duì)該站1015開關(guān)、靠1M 母線側(cè)氣室進(jìn)行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)固定座連接、三相導(dǎo)體均未有松動(dòng)情況，并且導(dǎo)體表面的氣室桶壁內(nèi)也未見出現(xiàn)有任何粉末(現(xiàn)場(chǎng)氣體分解物試驗(yàn)SOHS 和HF均未超標(biāo))。之后，檢修人員將這一氣室的母管以及通往開關(guān)氣室的絕緣盤、導(dǎo)體拆下檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)絕緣盤面向開關(guān)氣室側(cè)B 導(dǎo)體接觸面存在放電痕跡，在其連接觸頭的導(dǎo)電桿表面發(fā)現(xiàn)大量粉末。后續(xù)經(jīng)技術(shù)人員分析，認(rèn)為該粉末為金屬物質(zhì)。

分析該類型的GIS 連接結(jié)構(gòu)可知，靜觸頭座和導(dǎo)電桿是由嵌在觸頭座彈坑內(nèi)的相關(guān)卡簧電氣連接。裝配環(huán)節(jié)時(shí)，工裝存在尺寸偏差使得導(dǎo)電桿與靜觸頭座圓心偏離(在解體中發(fā)現(xiàn))，導(dǎo)致其一部分緊緊壓住靜觸頭座卡簧，另一部分由于與卡簧接觸面減少，接觸不良，造成靜觸頭座與導(dǎo)電桿接觸電阻增大，出現(xiàn)接觸電阻壓降，進(jìn)而導(dǎo)致放電現(xiàn)象的發(fā)生。放電燒蝕金屬表層，產(chǎn)生金屬粉塵。而金屬粉塵與雜質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下又不斷跳動(dòng)，引起類似浮動(dòng)電極放電現(xiàn)象及聲音，導(dǎo)致特高頻局部放電監(jiān)測(cè)儀與超聲波監(jiān)測(cè)儀捕獲到了相應(yīng)的放電信號(hào)。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著GIS 特高頻法帶電檢測(cè)技術(shù)的日益成熟，為GIS 運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估提供更加精確、有效的信息將成為現(xiàn)實(shí)。GIS 特高頻檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，能夠幫助檢修人員及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部隱藏的缺陷，對(duì)其實(shí)行精準(zhǔn)定位，為檢修提供有力的支撐數(shù)據(jù)。同時(shí)，考慮到不同設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行及故障情況，檢修人員應(yīng)有針對(duì)性地選擇定位方法，保證檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。