帶電檢測技術在GIS缺陷檢測中的應用

吳水鋒，齊 飛，黎治宇，范 敏

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

帶電檢測技術在GIS缺陷檢測中的應用

吳水鋒，齊 飛，黎治宇，范 敏

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

介紹了目前常用的GIS帶電檢測技術手段及檢測方法，給出了一種精確缺陷定位方法。結合利用帶電檢測技術發現的500 kV HGIS設備潛伏性缺陷的典型案例，對特高頻及超聲波檢測、氣體成分分析、紅外熱像檢測、聲電聯合定位技術等帶電檢測技術手段的實際應用進行了詳細分析，通過解體驗證了綜合檢測手段的有效性和檢測結果的正確性。

帶電檢測；特高頻；超聲波；氣體成分分析；紅外檢測；聲電聯合定位

氣體絕緣金屬封閉開關設備(以下簡稱GIS)由于其占地面積小，滅弧能力強，運行可靠、檢修周期長且不受環境污染和高海拔影響等優點，在電力系統中得到了廣泛的應用。然而GIS設備由于在設計、裝配、安裝、長期運行等原因，可能出現各種缺陷，其缺陷性質大致有放電、過熱以及振動等。如任由這些缺陷發展，可能會影響GIS設備的運行安全，嚴重時造成設備損壞〔1〕。

GIS設備停電試驗雖然能夠發現部分缺陷，但停電試驗電壓較低，難以反應設備運行狀態下的真實狀況；并且高壓設備的絕緣劣化是一個長期累積和發展的過程，停電試驗難以及時發現該類潛伏性缺陷〔2〕。GIS設備帶電檢測技術能夠在不停電的情況下，及早發現設備內部局部放電及其它缺陷信號，判斷GIS內部缺陷信息及其嚴重程度，實現缺陷的精確定位〔3-4〕，對故障提出預警，從而可以實現有計劃的安排檢修，減少設備損壞和事故發生。

1 常用局部放電帶電檢測技術簡述

目前，現場經常采用的GIS局部放電帶電檢測方法主要有特高頻局部放電帶電檢測、超聲波局部放電帶電檢測、SF6氣體成分分析、紅外熱成像檢測。

1.1 特高頻局部放電帶電檢測

當GIS設備內部存在局部放電時，擊穿過程很快，將產生很陡的脈沖電流，其上升時間小于1 ns〔5〕，并激發出頻率高達300～3 000 MHz的特高頻電磁波信號。GIS的同軸結構相當于一個良好的波導，特高頻電磁波信號在其內部傳播時衰減很小，在經過盆式絕緣子等非金屬連接部位時，特高頻電磁波信號會向外傳播〔6-7〕。

特高頻局部放電帶電檢測就是根據局部放電所激發的電磁波的這些特性，利用內置或外置的特高頻傳感器來接收電磁波信號并對其進行分析，從而判斷缺陷類型和進行缺陷定位。

1.2 超聲波局部放電帶電檢測

當GIS設備內部存在放電或振動缺陷時，會產生沖擊的聲波或振動，以球面波的形式向外傳播，把頻率在20～100 kHz的聲波稱為超聲波〔8〕，超聲波信號通過殼體向外傳播，

超聲波局部放電帶電檢測就是通過放置在GIS殼體上的壓敏傳感器接收傳播到殼體上的超聲波信號，再通過對聲信號的分析判斷來診斷GIS內部是否發生了局部放電或異常振動缺陷〔9-10〕，并實現放電或異常振動缺陷的定位。

1.3 氣體成分分析

當GIS設備內部存在放電或過熱缺陷時，放電及過熱產生的能量會導致SF6氣體發生分解，產生SO2，H2S，CO等分解產物，不同的缺陷類型其分解產物有一定差別，通過采用SF6氣體分解產物分析設備對SF6氣體進行檢測，來診斷GIS設備內部放電或過熱缺陷〔11〕。

1.4 紅外熱像檢測技術

任何物體由于其自身分子的運動，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，俗稱“熱像”。電力設備故障發熱時也會發射紅外線，并形成熱像。紅外熱像檢測技術是通過吸收這種紅外輻射能量，測出電力設備表面的溫度及溫度場的分布，從而判斷設備發熱情況。

1.5 缺陷定位技術

缺陷定位技術主要包括幅值定位和時延定位。幅值定位主要是利用特高頻及超聲波信號的衰減作用，距離放電源越近的傳感器檢測到的信號越強，但由于特高頻信號在GIS腔體中衰減較小，因此采用特高頻幅值定位時定位精度較差，往往只能將缺陷定位到某一個間隔或氣室。時延定位技術是根據所測信號的時間差與被測信號的傳播速度的乘積來計算放電源到傳感器的距離，時延定位又可分為電電聯合定位、聲聲聯合定位以及聲電聯合定位技術，當能同時檢測到特高頻及超聲波信號時，可采用聲電聯合定位法進行放電源定位。

聲電聯合定位示意圖如圖1所示，將超聲波傳感器放置于距離放電源較近且與放電源同氣室的GIS外殼上，特高頻傳感器置于放電源氣室的盆式絕緣子上，同時采集局放源的超聲波信號及特高頻電磁波信號。由于特高頻電磁波信號在SF6氣體中的傳播速度較快，接近光速(約為0.3 m/ns)，超聲波在SF6氣體中的傳播速度相對于電磁波較慢(約等于140 m/s)〔12〕，因此可以將特高頻檢測到信號的時刻作為信號的起始時刻，則超聲波信號起始沿與特高頻信號的時間差Δt可認為超聲波信號從放電源傳播到超聲波傳感器的時間，該時間差與超聲波信號在SF6氣體中傳播速度的乘積即為放電源到超聲波傳感器的距離，計算公式如式(1)所示。

式中 v為超聲波在SF6氣體中的傳播速度。

圖1 聲電聯合定位示意圖

2 GIS帶電檢測缺陷實例分析

2.1 缺陷類型分析

某500 kV變電站檢測人員在對500 kV HGIS開展帶電檢測時，發現該站50211 C相氣室特高頻及超聲波信號異常，檢測到特高頻檢測圖譜如圖2所示，超聲波檢測圖譜如圖3所示。

檢測人員隨后開展了氣體成分分析檢測，50211隔離開關ABC三相氣室SF6氣體成分分析數據檢測結果見表1。

表1 檢測結果μL/L

圖2 特高頻檢測圖譜

圖3 超聲波檢測圖譜

對50211隔離開關C相氣室開展紅外熱像檢測，無異常，檢測圖譜如圖4所示。

圖4 50211隔離開關C相氣室紅外熱像圖譜

根據特高頻檢測圖譜，PRPS圖譜在一個工頻周期內有兩簇明顯集聚，PRPD圖譜在一個工頻周期內有兩簇信號，并呈“內八字”(見圖2)；根據測得的超聲波飛行時間圖譜(見圖3(b))不具有“三角駝峰”特征，飛行圖的顆粒飛行時間小于20 ms，可以排除自由顆粒在電場作用下遷移放電的可能；根據連續圖譜，100 Hz相關性明顯，相位圖譜顯示一個工頻周期內有兩簇信號(見圖3)，特高頻及超聲圖譜均具有懸浮電位放電特征。

由表1可知，C相氣室存在微量的SO2特征氣體，同間隔其他相均未檢測到SO2特征氣體，紅外熱像檢測無異常，可以排除發熱的可能，該氣室內存在放電。綜合分析可以判斷該氣室內部缺陷為懸浮電位放電缺陷

2.2 缺陷定位分析

采用超聲波幅值定位，測點分布如圖5，測點7位于測點3正對面位置。

圖5 超聲波幅值定位測點分布圖

各測點超聲波測試數據見表2。

表2 各檢測點超聲波檢測數據mV

根據各測點幅值分布可知，測點6信號幅值最大，初步判斷該點距局放源最近。對測點6圓周方向進行檢測，測點分布如圖6所示，檢測結果見表3。

圖6 測點6圓周方向測點分布

表3 測點6圓周方向各測點信號幅值mV

測點6圓周方向上各測點信號幅值變化不大，基本可排除缺陷位于測點6所處位置殼體的可能。

采用聲電聯合定位技術進行檢測，超聲傳感器一和二分別位于圖5中測點6和測點5處。檢測結果如圖7所示。

由圖7聲電聯合定位結果可知，測點6超聲信號超前于測點5，特高頻信號與超聲傳感器一信號起始沿時間差Δt約為600 μs，使用公式(1)計算可知放電源距離測點6為8.4 cm左右。

圖7 聲電聯合定位結果

出線套管及升高座內部結構圖如圖8所示。由圖8可知，套管屏蔽筒與其支撐絕緣件連接部位位于測點6所處水平面，并且該連接部位與升高座殼體距離為9 cm左右。因此，綜合分析可以判斷，缺陷位置位于套管屏蔽筒與其支撐絕緣件的連接部位。缺陷原因可能為出線套管屏蔽筒和其支撐絕緣子的固定螺栓松動，在電場作用下，發生懸浮電位放電。

圖8 50211氣室出線套管及升高座內部結構圖

2.3 解體檢查

12月3日，對該出線套管及升高座進行了解體分析，拆除升高座后發現其筒壁內有大量放電殘留物。拆除屏蔽罩端蓋后發現其與支撐絕緣件連接處緊固螺栓對應位置有6處放電痕跡。緊固螺栓及墊片表面有明顯放電痕跡，已無金屬光澤。

2.4 解體情況分析

1)根據升高座內部放電殘留物及放電痕跡判斷，該相出線套管運行中內部存在局部放電，放電位置位于屏蔽筒端部螺栓固定處，與帶電檢測定位分析結果一致。

2)結合現場檢測圖譜特征和解體后發現的放電痕跡及位置，該放電是由于屏蔽筒與其支撐絕緣件之間的固定螺栓松動造成的多處懸浮電位放電。

3)該套管屏蔽筒通過8顆螺栓固定在支撐絕緣件上，屏蔽筒全部重量由支撐絕緣件承擔，應力較為集中；現場檢查所有螺栓均未采取有效防松措施，且裝配時力矩不足，投運后在重力、電場力等作用下極易發生松動。

2.5 處理后復測情況

現場對缺陷氣室進行了處理，檢修后耐壓及帶電檢測結果正常，未發現局部放電信號。

3 結論及建議

1)采用帶電檢測技術能夠有效的發現GIS設備存在潛伏性缺陷，有效指導檢修決策及方案制定，提前檢修處理，避免設備故障的發生。

2)采用缺陷定位技術能夠準確的確定缺陷的部位，但在進行缺陷定位時應將定位結果與設備內部結構相結合，進行綜合分析。

3)加強GIS設備工藝控制，嚴格把控設備入網質量，從源頭上杜絕設備事故的發生。

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Typical application of energized test technique in GIS

WU Shuifeng，QI Fei，LI Zhiyu，FAN Min
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper introduces charged detection techniques and testing methods in GIS，as well as the method of defect localization.Combined with the typical case of 500 kV HGIS the paper analyzes charged detection techniques of UHF and ultrasonic testing，gas composition analysis，infrared temperature measurement and electro acoustic positioning technology.The effectiveness of the integrated test method and the correctness of the test results have been verified through disintegration.

charged detection；ultra high frequency(UHF)；acoustic emission(AE)；gas composition analysis；infrared temperature measurement；electro acoustic positioning

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0076-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.020

2015-12-29 改回日期:2016-02-24