SF6氣體絕緣電氣設備局部放電超聲波檢測與應用

李志新,楊照光,溫定筠,孫亞明,高立超

(1.國網甘肅省電力培訓中心技能培訓部，甘肅蘭州730000；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院設備狀態評價中心，甘肅蘭州730000)

SF6氣體絕緣電氣設備局部放電超聲波檢測與應用

李志新1,楊照光2,溫定筠2,孫亞明2,高立超2

(1.國網甘肅省電力培訓中心技能培訓部，甘肅蘭州730000；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院設備狀態評價中心，甘肅蘭州730000)

針對SF6氣體絕緣類的電氣設備常見的局部放電故障類型進行了總結和歸類，提出使用超聲波法進行此類設備的故障檢測與診斷，同時闡述了使用超聲波法進行電氣設備故障診斷的檢測原理，給出了對此類設備典型的放電故障的超聲波法檢測的圖譜；同時給出了使用超聲波法對SF6氣體絕緣類電氣設備的故障檢測的應用實例。結果表明：使用超聲波法檢測SF6氣體絕緣類電氣設備，能夠較靈敏地檢測出電暈放電、懸浮放電及自由金屬顆粒等缺陷，此方法在電氣設備出廠試驗、交接試驗及帶電檢測方面具有廣泛的使用價值和應用前景。

超聲波；氣體絕緣；局部放電；故障檢測

0 引言

隨著電網建設的發展，大量SF6氣體絕緣類設備(如GIS、斷路器)在不同電壓等級的變電站中投運。由于此類電氣設備的內部空間極為有限，工作場強很高，且絕緣裕度相對較小，設備內部一旦出現絕緣缺陷，極易造成設備故障，引起的停電時間較長，檢修費用也很高，國內已經發生了數起較為嚴重的GIS事故。過去那種認為GIS設備免維護的觀點已不被認同，CIGRE調查表明，50%以上的GIS故障是可預先發現的[1～3]。在GIS、SF6氣體絕緣的斷路器的交接試驗中，監視局部放電信號以及對運行中的此類設備進行定期局部放電檢測，均是保障其安全運行的有效手段[4，5]。

1 電力設備缺陷分類

局部放電超聲波檢測技術主要應用于組合電器、電纜終端(中間接頭)、變壓器等設備[6]。根據設備缺陷的不同，局部放電超聲波檢測技術在進行缺陷分析與診斷時，可將設備缺陷分為局放缺陷、電暈缺陷、自由金屬微粒缺陷[7，8]。

(1)局放缺陷

該類缺陷主要由設備內部部件松動引起的懸浮電極(既不接地又不接高壓的金屬材料)、絕緣內部氣隙、絕緣表面污穢等引起的設備內部非貫穿性放電現象，該類缺陷與工頻電場具有明顯的相關性，是引起設備絕緣擊穿的主要威脅，應重點進行檢測。

(2)電暈缺陷

該類缺陷主要由設備內部導體毛刺、外殼毛刺等引起，主要表現為導體對周圍介質(如SF6)的一種單極放電現象，該類缺陷對設備的危害較小，但在過電壓作用下仍舊會存在設備擊穿隱患，應根據信號幅值大小予以關注。

(3)自由金屬微粒缺陷

該類缺陷主要存在于GIS中，主要由設備安裝過程或開關動作過程產生的金屬碎屑而引起。隨著設備內部電場的周期性變化，該類金屬微粒表現為隨機性移動或跳動現象，當微粒在高壓導體和低壓外殼之間跳動幅度加大時，則存在設備擊穿危險，應予以重視。

2 超聲波局部放電檢測的特性分析

電力設備內部產生局部放電信號的時候會產生超聲波，超聲波信號有橫波、縱波和表面波三種傳播形式，在SF6氣體中只有縱波可以傳播，而在帶電導體、絕緣子和金屬殼體等固體中傳播的除縱波外還有橫波。縱波在氣體、固體中衰減很大，橫波在固體中衰減小。在傳播過程中，由介質吸收效應導致的高頻分量衰減、不同介質傳播速率的差異以及邊界處產生的折、反射，都會對接收到的脈沖信號產生影響[9]。因此檢測的有效性和靈敏性不僅取決于局部放電的類型和能量大小，還取決于聲信號在不同介質的傳播特性和具體的傳播路徑。但現場存在的電暈聲、設備的機械振動及其他噪聲可能會影響著其檢測效果，因此，選擇合理的檢測頻帶，提高檢測信號的信噪比，是超聲波法的關鍵所在[10，11]，此外在評估設備狀態特別是確定缺陷部位時，需要綜合考慮這些因素并結合GIS的具體結構進行分析[12，13]。

3 典型缺陷譜圖分析與診斷

超聲波局部放電檢測典型缺陷圖譜[14～16]見圖1～4。

圖1 背景噪聲典型譜圖

圖2 局放缺陷典型譜圖

圖3 電暈缺陷典型譜圖

圖4 自由金屬微粒缺陷典型譜圖

超聲波局部放電檢測典型缺陷圖譜特征見表1。

表1 典型缺陷圖譜特征

4 超聲波局部放電檢測實例與分析

4.1 110kV GIS設備內部故障超聲波檢測

超聲波局放檢測110 kV GIS設備內部碎屑，在對某330 kV變電站110 kV GIS設備進行交流耐壓及超聲波局部放電檢測時，發現Ⅰ段母線C相第14號檢測點局部放電檢測數據偏大，14號檢測點位置如圖5所示。

圖5 14號測點位置示意圖

在對14號測點氣室進行局部放電檢測的過程中，A點有效值為15.0 mV，峰值為60.0 mV，用橡膠錘對殼體敲擊后，A點有效值和峰值有明顯增長現象(有效值為20.0 mV，峰值為106.0 mV)，同時B點敲擊后有效值和峰值也有明顯增長現象，檢測數據如表2所示。

表2 超聲波局放檢測數據

對罐體敲擊后圖5中的B點信號明顯增大，表明罐體內底部也存在聲源。由于信號最大點附近無絕緣支撐件，且距盆式絕緣子較遠(約有80 cm)，分析認為罐體壁上存在顆粒雜質或尖端毛刺。

隨后對氣室進行了解體檢查，發現緊靠14號測點的手孔蓋內有雜質堆積，同時罐體內底部也存在雜質，如圖6和圖7所示。

圖6 解體后手孔內部圖

圖7 解體后罐體內底部圖

經現場分析,手孔蓋和罐體內堆積碎屑為吸附劑殼體表面加熱后脫落的氧化物。隨即對吸附劑殼體表面和此段氣室罐體內部進行清理，處理完畢后再次進行局部放電檢測，檢測數據正常。

4.2 330 kV 斷路器設備內部故障超聲波檢測

某330 kV變電站斷路器A相返廠解體，斷路器型號：GL316額定電流40 000 A。解體前對此斷路器進行投交流耐壓試驗及局部放電試驗，耐壓試驗合格，局部放電試驗數據異常。經開罐檢查發現罐式斷路器內部存在雜質，交流耐壓試驗帶局部放電試驗，采用挪威AIA-1超聲波檢測儀進行測試，測試之前，先進行背景噪聲測量(手持探頭在罐體附近的空中測量)。測試背景噪聲的有效值/峰值為0.27/1.03 mV，電壓升至285 kV后，將傳感器放置在待測點上，傳感器在使用之前應均勻涂抹專用硅膠，測量之時保持靜止狀態。觀察連續模式圖譜，與背景噪聲圖譜比較，如信號增長明顯，由判據來區分故障類型，確定之后顆粒故障需結合脈沖模式進行危險性評估，毛刺和電位懸浮引起的放電需結合相位模式再具體區別判定。根據聲音在氣室傳遞衰減的特性，結合斷路器內部結構判斷故障部位。

此斷路器為罐式開關視為一個氣室，重點檢查屏蔽罩、離子吸收器和絕緣支撐部件，一般在以上部位選取2～3點測量。測試中發現斷路器局部放電的連續模式數值為0.38/2.3 mV大于背景值，同時根據相位模式對放電類型進行分析，發現峰值不穩定，頻率1、頻率2都有相應變化。根據局放試驗波形結果顯示，初步判斷為開關內部有弱放電現象。對該斷路器進行了開罐檢查，發現開關內部有少許臟污和灰塵，對該開關進行處理后再次測量弱放電現象消失，測試數值為背景值，解體后的內部臟污圖片如圖8所示。

圖8 解體后罐體內部臟污圖

根據斷路器實際發生的問題，判斷有可能是斷路器現場安裝時氣室的清理不到位，使得雜物混入罐體內。

5 結論

(1)使用超聲波法檢測SF6絕緣類電氣設備能有效檢測出局放缺陷，此檢測方法不僅可以用在設備耐壓試驗時檢測局放，又可以用在帶電檢測，應用廣泛。

(2)斷路器、SF6等氣體絕緣類電氣設備交接試驗時，由于交流耐壓試驗只能發現內部絕緣件損傷、距離不足等嚴重缺陷，而潛在的內部雜質、氣泡等局部放電缺陷不易發現，因此在交流耐壓同時進行超聲波局放測量，對于及時發現此類缺陷是十分必要的。

(3)超聲波法能有效檢測出自由顆粒、電暈放電、懸浮電位產生的局部放電。

(4)在對GIS進行帶電檢測時，應同時使用多種方法，因為不同的方法有不同的有效檢測范圍。對于GIS、斷路器等SF6氣體絕緣類電氣設備進行局放檢測時，應注意采用多種檢測技術進行相互驗證，特高頻法和氣體成份分析是局放檢測一種有益的補充。

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Testing and Application of SF6Gas Insulated Electrical Equipment Used Ultrasonic for Partial Discharge

Li Zhixin1,Yang Zhaoguang2,Wen Dingjun2,Sun Yaming2,Gao Lichao2

(1. State Grid Gansu Training Center Skills Training Department, Lanzhou 730000, China;2. State Grid GansuElectric Power Research Institute Equipment Condition Assessment Center, Lanzhou 730000, China)

Common types of partial discharge are summarized and categorized about SF6gas-insulated electrical equipments in this paper, and ultrasonic is proposed to use for fault detection and diagnosis of such equipments. The principle of detection using ultrasonic for testing fault diagnosis of electrical equipments is explained and patterns of typical discharge obtained by ultrasonic are given in this paper. The fault detection examples used ultrasonic for SF6gas insulated electrical equipments are given, and the results demonstrate that detection used ultrasonic for SF6gas-insulated electrical equipments can detect sensitively corona discharge, suspended discharge and freed metallic particles and other faults. So this approach will have broad application prospects and values in delivery test, hand-over test and live electrical equipments.

ultrasonic；gas-insulated partial discharge；fault detection；electric equipments

2014-09-16。

李志新(1983-)，女，工程師，主要從事電氣設備故障檢測與診斷技術研究與教學,E-mail：lizhixin0917@163.com。

TM835

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.01.005