基于超聲波/特高頻技術(shù)GIS帶電檢測(cè)方式改進(jìn)

四川省電力公司檢修公司變電檢修中心 汪鑫 鄭衛(wèi)賓

基于超聲波/特高頻技術(shù)GIS帶電檢測(cè)方式改進(jìn)

四川省電力公司檢修公司變電檢修中心 汪鑫 鄭衛(wèi)賓

本文簡(jiǎn)述了超聲波法、特高頻法測(cè)量GIS局部放電的基本原理，利用超聲波法對(duì)GIS進(jìn)行快速普測(cè)，對(duì)比分析了連續(xù)模式下、原始波形模式下、相位模型下放電圖譜特征，結(jié)合特高頻PRPS、PRPD及相位圖譜特征，確定其放電類型，通過超聲或特高頻幅值法對(duì)放電源進(jìn)行初步定位。

超聲波；特高頻；聲電聯(lián)合；局部放電

0 引言

氣體絕緣金屬封閉組合電器（Gas Insulated Substation，簡(jiǎn)稱GIS）是以SF6作為絕緣介質(zhì)的一種金屬封閉開關(guān)設(shè)備，也稱為氣體絕緣變電站[1]。它具有占地面積少、可靠性高、檢修周期長、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于高壓輸電領(lǐng)域[2]。隨著特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，電壓等級(jí)和系統(tǒng)容量的逐漸提高，GIS故障時(shí)有發(fā)生，且多數(shù)故障由絕緣缺陷引起[3]。

目前國內(nèi)外主要通過特高頻/超聲波法（UHF/AE法）測(cè)量局部放電來有效評(píng)估GIS內(nèi)部缺陷[4-5]。研究表明，GIS內(nèi)部局放可分為自由金屬顆粒、電暈放電、懸浮放電及氣隙放電這四種類型。超聲波法對(duì)自由金屬顆粒、電暈放電、懸浮放電及機(jī)械振動(dòng)較為敏感，特高頻法對(duì)電暈放電、懸浮放電及氣隙放電的檢測(cè)效果顯著[6-11]。但發(fā)電廠，變電站中不同電壓等級(jí)、不同設(shè)備集中分部，形成復(fù)雜的電磁環(huán)境，對(duì)超聲波/特高頻測(cè)量造成干擾。尤其當(dāng)GIS外部存在局放干擾時(shí)，檢測(cè)儀器本身具備的抗干擾措施效果不明顯，難以確定干擾源位置，不能判斷信號(hào)是否來自內(nèi)部。同時(shí)，國內(nèi)GIS帶電檢測(cè)的應(yīng)用起步較晚，各地帶電檢測(cè)水平發(fā)展不均，行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的局部放電檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，GIS設(shè)備眾多局部放電檢測(cè)工作量大、效率不高，缺少快速準(zhǔn)確的局放診斷流程。本文在大量現(xiàn)場(chǎng)GIS帶電檢測(cè)的基礎(chǔ)上，選取330kV某變電站某刀閘與進(jìn)線套管連接氣室內(nèi)尖端放電為例，進(jìn)行帶電檢測(cè)普測(cè)、復(fù)測(cè)，通過聲電聯(lián)合法對(duì)放電源進(jìn)行厘米級(jí)精確定位，確認(rèn)其放電類型、嚴(yán)重程度并提出檢修建議，總結(jié)出快速有效的局放診斷流程，實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)優(yōu)先采取超聲波的檢測(cè)方法更為有效。

1 局放檢測(cè)方法

1.1 特高頻法

區(qū)別于傳統(tǒng)的脈沖電流法，特高頻法（Ultra High Frequency，簡(jiǎn)稱U H F）利用頻段為3 0 0-1500MHz信號(hào)接收天線，接收通過GIS殼體、空氣、絕緣油等介質(zhì)傳播出來的電磁波信號(hào)來檢測(cè)局放。特高頻信號(hào)通過信號(hào)放大器處理后傳輸至主機(jī)，由主機(jī)CPU進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過顯示界面呈現(xiàn)給用戶，在干擾信號(hào)較多時(shí)可在放大器前端加裝濾波裝置。特高頻法具有抗干擾能力強(qiáng)、可進(jìn)行放電源定位、對(duì)電磁信號(hào)敏感等優(yōu)點(diǎn)，其檢測(cè)設(shè)備組成及實(shí)物如圖1所示。測(cè)試人員將所得PRPS、PRPD及相位圖譜與典型放電圖譜對(duì)比分析，判段放電類型，診斷嚴(yán)重程度，同時(shí)為進(jìn)一步定位分析提供依據(jù)。特高頻定位法有幅值定位、時(shí)差定位及平分面定位法等，在此不贅述。

圖1 特高頻檢測(cè)設(shè)備組成失意圖及檢測(cè)儀器

圖2 GIS內(nèi)部典型缺陷

1.2 超聲波法

電力設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生局部放電信號(hào)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生沖擊的振動(dòng)及聲音。超聲波法（AE，又稱聲發(fā)射法）通過在設(shè)備腔體外壁上安裝超聲波傳感器來測(cè)量局部放電信號(hào)。超聲傳感器的頻帶為20kHz-100kHz，能有效的避開低頻段的聲波干擾。由于聲波的傳播速度比電磁波慢很多，因此可以通過測(cè)量聲波間的時(shí)差，對(duì)放電源進(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時(shí)可以檢測(cè)部分非電磁信號(hào)。超聲波測(cè)量?jī)x器通常由超聲傳感器、同軸電纜、放大器、測(cè)試主機(jī)及相關(guān)附件（如絕緣支撐桿、耳機(jī)、綁帶等）構(gòu)成。測(cè)試人員將測(cè)得超聲連續(xù)圖譜、原始波形及相位圖譜與典型放電圖譜對(duì)比分析，可判斷放電類型，診斷嚴(yán)重程度，進(jìn)行幅值初步定位。超聲定位法有幅值法、時(shí)差法等。

1.3 聲電聯(lián)合法

為充分利用超聲波法和特高頻法的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際中對(duì)放電源進(jìn)行精確定位時(shí)，可同時(shí)將多個(gè)特高頻和超聲波傳感器經(jīng)放大器接至示波器，通過示波器觀察放電源的原始波形。電磁波傳播速度接近光速，遠(yuǎn)高于超聲在不同介質(zhì)中的傳播速度，因此可以利用特高頻信號(hào)與超聲波信號(hào)的時(shí)間差來進(jìn)行放電源定位，此種方法即為聲電聯(lián)合法。聲電聯(lián)合法使超聲波法與特高頻法互補(bǔ)，更準(zhǔn)確的進(jìn)行空間定位。

2 放電類型

研究表明[12-14]，GIS內(nèi)部缺陷常見的有：內(nèi)部殼體上突出毛刺、盆式絕緣子表面顆粒、盆式絕緣子內(nèi)部氣隙、懸浮電極、導(dǎo)體上及腔體中自由金屬顆粒，如圖2所示。

以上常見局放缺陷可歸納為四種放電類型[15-17]：自由金屬顆粒、電暈放電、懸浮放電及氣隙放電。其中，特高頻法能夠靈敏發(fā)現(xiàn)金屬懸浮、針尖、表面爬電、絕緣內(nèi)部缺陷放電，靈敏度高，對(duì)較大的金屬顆粒放電能夠發(fā)現(xiàn)，可進(jìn)行定位分析，對(duì)尖端放電等長間隙放電相對(duì)不敏感；超聲波法對(duì)GIS外殼的局部放電靈敏度較高，當(dāng)有較強(qiáng)的內(nèi)部金屬懸浮、針尖的局部放電時(shí)也能夠測(cè)到，采用非電量測(cè)試方法，抗電場(chǎng)干擾能力強(qiáng)，定位準(zhǔn)確；而聲電聯(lián)合法較好的利用了各自優(yōu)點(diǎn)，更精確的進(jìn)行放電源定位。

3案例分析

圖3 超聲波異常點(diǎn)連續(xù)及原始波形

2016年6月14日，在進(jìn)行330kV某變電站帶電檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)#2主變1102開關(guān)間隔的11026刀閘氣室至進(jìn)線套管氣室存在明顯超聲信號(hào)，信號(hào)50Hz及100Hz相關(guān)性明顯，并且具有極性效應(yīng)。6月18日對(duì)該氣室復(fù)測(cè)，超聲信號(hào)依然存在，同時(shí)檢測(cè)到特高頻信號(hào)且具有典型放電圖譜特征。經(jīng)綜合分析，判斷該氣室內(nèi)部（靠近套管盆子附近）存在尖端放電缺陷。

圖4 超聲波局部放測(cè)點(diǎn)相位圖譜（左為測(cè)點(diǎn)1、右為測(cè)點(diǎn)2）

圖5 超聲復(fù)測(cè)點(diǎn)位置

3.1 超聲波法普測(cè)

2016年6月14日，用超聲波法對(duì)330kV某變電站110kVGIS進(jìn)行帶電檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)#2主變1102開關(guān)間隔的11026刀閘氣室至進(jìn)線套管氣室存在明顯超聲信號(hào)（超聲信號(hào)放大為60dB）。超聲檢測(cè)點(diǎn)為刀閘氣室至進(jìn)線套管氣室之間選取任意1-3點(diǎn)，其中背景測(cè)試點(diǎn)為套管氣室支撐構(gòu)架（背景1）及異常點(diǎn)附近空氣（背景2）。

在獲得測(cè)試點(diǎn)1-3的連續(xù)圖譜和原始波形后，發(fā)現(xiàn)測(cè)試點(diǎn)1-3的圖譜與背景相比有明顯異常。連續(xù)圖譜上看異常點(diǎn)1、3信號(hào)有50Hz、100Hz工頻相關(guān)性，原始波形顯現(xiàn)出極性效應(yīng)。檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

提取檢測(cè)點(diǎn)1-3及背景點(diǎn)1-2的連續(xù)圖譜數(shù)據(jù)，如表1所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1、3具有較大的有效值及峰值，分別達(dá)到4.7mV、26.12mV和4.7mV、26.25mV，峰值與背景1差值達(dá)到23.97mV、24.1mV。這一差值對(duì)于放電缺陷已相當(dāng)顯著。同時(shí)，點(diǎn)1、3呈現(xiàn)出明顯的工頻相關(guān)性，50Hz、100Hz相關(guān)性分別達(dá)到1.12、0.96和1.95、2.01。

通過上述已給參數(shù)，能確定該段氣室內(nèi)部確實(shí)存在某一類型放電缺陷，特征明顯。為進(jìn)一步確定其放電類型，觀察峰值較大的測(cè)點(diǎn)1、3的相位圖譜，如圖4所示。由圖可見，測(cè)點(diǎn)1、3相位分部基本相同，說明這兩點(diǎn)測(cè)得為同一放電信號(hào)，負(fù)半軸有一簇集中的信號(hào)且最大值超過50mV，具有明顯的負(fù)極性效應(yīng)，可判斷該段氣室內(nèi)部存在尖端放電；同時(shí)正半軸也出現(xiàn)一簇較小的信號(hào)，為電暈放電發(fā)展為中期的特征。

3.2 超聲波法復(fù)測(cè)

為確定放電信號(hào)不是間歇性存在，測(cè)試人員于6月18日對(duì)該缺陷氣室進(jìn)行復(fù)測(cè)。初測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)基本確認(rèn)缺陷位于連接氣室或者套管氣室內(nèi)部，因此在氣室筒體表面一條水平線上布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)初步判斷放電源位置，測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。背景測(cè)點(diǎn)分別是套管構(gòu)架上和附近空氣中。

測(cè)點(diǎn)1-4的連續(xù)圖譜顯示測(cè)點(diǎn)3、4的幅值大于其他點(diǎn)，其有效值分別達(dá)到2.64mV、2.63mV，峰值分別達(dá)到12.41mV、12.26mV，50Hz相關(guān)性分別是0.9、1.06，100Hz相關(guān)性分別0.87、1.02，其他點(diǎn)數(shù)據(jù)在此不一一列出。測(cè)量發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)3的有效值和幅值均達(dá)到最大，因此圖6給出測(cè)點(diǎn)3的連續(xù)、波形及相位圖譜。

圖譜顯示超聲復(fù)測(cè)結(jié)果與初測(cè)結(jié)果很好的吻合，確認(rèn)內(nèi)部存在一個(gè)穩(wěn)定的尖端電暈放電。正如之前分析，電暈放電發(fā)展至中后期在另一半軸也會(huì)出現(xiàn)一簇較小點(diǎn)的信號(hào)，因此出現(xiàn)100Hz相關(guān)性大于50Hz相關(guān)性。

3.3 特高頻法復(fù)測(cè)

圖6 測(cè)點(diǎn)3的超聲圖譜

當(dāng)GIS尖端電暈放電信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，在滿足特高頻測(cè)試條件下測(cè)量該氣室兩端特高頻信號(hào)，同樣測(cè)得具有放電特征的特高頻信號(hào)。特高頻測(cè)試點(diǎn)為，其中背景測(cè)試點(diǎn)為2號(hào)盆子附近支撐構(gòu)架處，1、2號(hào)盆子測(cè)點(diǎn)位于同一平面。

圖7 特高頻復(fù)測(cè)圖譜

通過比較特高頻PRPS及相位圖譜，如圖7所示，易見1、2號(hào)盆子特高頻信號(hào)相對(duì)背景具有明顯的放電圖譜特征。放電信號(hào)在1工頻周期內(nèi)有兩個(gè)放電脈沖（一大一小），PRPS譜圖也顯示放電信號(hào)在1工頻周期內(nèi)有兩簇放電信號(hào)，且具有極性效應(yīng)。

可見，特高頻檢測(cè)也驗(yàn)證了該段氣室內(nèi)部存在尖端放電缺陷，同時(shí)特高頻信號(hào)明顯發(fā)現(xiàn)正半軸出現(xiàn)幅值較小的放電脈沖，研究表明尖端放電發(fā)展為較嚴(yán)重時(shí)另一半軸也會(huì)出現(xiàn)放電信號(hào)，因此該處氣室內(nèi)部放電缺陷較為嚴(yán)重。

3.4 放電信號(hào)的時(shí)域及頻域分析

為了進(jìn)一步判斷放電源位于設(shè)備外殼還是導(dǎo)體附近，設(shè)置超聲波測(cè)試頻段為50k-100kHz，復(fù)測(cè)點(diǎn)3測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見，當(dāng)測(cè)試頻段為10kHz-100kHz時(shí)，放電信號(hào)較大；當(dāng)測(cè)試頻段為10kHZ-50kHz時(shí)，超聲信號(hào)出現(xiàn)較大衰減，說明超聲信號(hào)主要為內(nèi)部導(dǎo)體上傳來的低頻信號(hào)，同時(shí)測(cè)點(diǎn)3所在圓周上均測(cè)得放電信號(hào)，因此判斷放電源位于GIS氣室內(nèi)導(dǎo)體附近。

采用示波器觀察特高頻測(cè)信號(hào)原始圖譜，如8所示。盆子1、2測(cè)得特高頻為同一信號(hào)，且一個(gè)工頻周期內(nèi)有一束放電，具有典型的尖端放電特征；超聲及特高頻放電信號(hào)屬于同一放電信號(hào)，具有工頻相關(guān)性和明顯的極性效應(yīng)，斷定放電類為內(nèi)部導(dǎo)體上的尖端放電。

3.5 放電源定位

由上述分析基本確定連接氣室與套管氣室之間盆子（即2號(hào)盆子）附近存在尖端放電缺陷。為了進(jìn)一步定位放電源位置，本節(jié)采用特高頻時(shí)差法定位。測(cè)試結(jié)果如圖9，易見特高頻信號(hào)先到達(dá)2號(hào)盆子。1、2號(hào)盆子接收到放電信號(hào)的時(shí)間差為1.8ns，按光速折算為距離為54cm。經(jīng)測(cè)量1、2號(hào)盆子間的軸線距離為125cm，因此可確定放電源位于距離2號(hào)盆子35.5cm內(nèi)部導(dǎo)體處且位于刀閘進(jìn)線側(cè)連接氣室內(nèi)而非套管氣室。同時(shí)，可見背景信號(hào)也接收到了放電信號(hào)但幅值小，這是因?yàn)樵揋IS盆子為非金屬屏蔽結(jié)構(gòu)，GIS內(nèi)部放電特高頻信號(hào)可經(jīng)盆子泄漏出來。

由特高頻時(shí)差定位法已確認(rèn)放電源位于連接氣室內(nèi)，接下來采用聲電聯(lián)合法可精確定位放電源位置，測(cè)試結(jié)果如圖10，特高頻信號(hào)進(jìn)過檢波處理后以精確判斷放電起始時(shí)間。可見放電信號(hào)中特高頻信號(hào)與超聲信號(hào)時(shí)間差為0.756ms，而超聲信號(hào)在SF6氣體中的傳播速度為140m/s，因此放電源距離超聲測(cè)點(diǎn)10.58cm。經(jīng)過測(cè)量盆子半徑為26cm，因110kVGIS為三相同體結(jié)構(gòu)，所以經(jīng)腔體尺寸測(cè)量確認(rèn)放電源位于最靠近底部的一相導(dǎo)體上。

圖8 超聲波局放復(fù)測(cè)點(diǎn)3不同頻段測(cè)試圖

圖9 特高頻放電原始時(shí)域信號(hào)（黃-1號(hào)盆子、綠-2號(hào)盆子、藍(lán)-3背景）

圖10 原始時(shí)域信號(hào)

綜上所述，尖端放電位于刀閘氣室與進(jìn)線套管氣室之間的連接氣室內(nèi)，并位于距離套管側(cè)盆子35.5cm處靠近筒體底部相導(dǎo)電桿處。

3.6 缺陷原因分析及嚴(yán)重程度診斷

綜合分析毛刺可能為：（1）導(dǎo)電桿本身質(zhì)量問題，存在缺口或凸起等；（2）GIS振動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)體上有金屬屑。導(dǎo)體上的毛刺在晝夜大溫差的影響下，缺陷可能會(huì)加劇發(fā)展，經(jīng)受不良工況時(shí)，對(duì)于三相共體GIS而言，這類缺陷有可能會(huì)造成相間短路故障。同時(shí)由超聲/特高頻檢測(cè)數(shù)據(jù)可見一個(gè)工頻周期內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)兩簇放電信號(hào)，說明該缺陷放電已發(fā)展至中后期，已屬較嚴(yán)重缺陷。

通過前30 min的測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)用灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)后十多分鐘的覆冰增長狀態(tài)，符合灰色系統(tǒng)理論的基本思想，因此用灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)未來十多分鐘內(nèi)的導(dǎo)線覆冰增長規(guī)律具有可行性。由于未來十多分鐘的氣候與前30 min內(nèi)的氣候有類似的客觀規(guī)律，利用灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行超短期預(yù)測(cè)，不會(huì)有太大誤差。

3.7 檢修策略建議

該缺陷在晝夜大溫差的影響下，可能會(huì)加劇發(fā)展，容易受不良工況影響發(fā)展成為設(shè)備故障。因此建議運(yùn)維單位會(huì)同制造廠家結(jié)合帶電檢測(cè)結(jié)果盡快制定綜合檢修方案，立即停電進(jìn)行處理。

針對(duì)本次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷建議如下檢查處理：（1）用X射線檢查靠近套管側(cè)盆子附近導(dǎo)電桿上是否有毛刺。（2）先打開吸附劑蓋，用內(nèi)窺鏡檢查，若檢查到毛刺，則進(jìn)行解體處理；若無，繼續(xù)進(jìn)行超聲和特高頻局放監(jiān)測(cè)。（3）檢修后投運(yùn)前對(duì)GIS進(jìn)行耐壓老練試驗(yàn)。（4）對(duì)檢修復(fù)電后開展特高頻和超聲波帶電檢測(cè)確認(rèn)缺陷是否消除。停前，加強(qiáng)超聲波和特高頻局部放電檢測(cè)，縮短檢測(cè)周期，跟蹤信號(hào)幅值變化做趨勢(shì)分析。

4 診斷流程改進(jìn)

傳統(tǒng)的GIS局放診斷流程為特高頻/超聲波法單獨(dú)進(jìn)行普測(cè)、定位，但現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，被檢設(shè)備往往不具備特高頻測(cè)試條件，干擾眾多難以排除，因此造成特高頻法實(shí)際效果不理想，單一方法不能對(duì)放電源精確定位；變電站內(nèi)設(shè)備眾多，進(jìn)行全站普測(cè)會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，檢測(cè)效率不高。相比而言，超聲波法在檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)缺陷率較高，雖有無法測(cè)得的缺陷類型，但以特高頻法為輔助手段可以克服。通過上述案例及大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，總結(jié)出一套以超聲波發(fā)為主，檢測(cè)效率高、定位準(zhǔn)確的診斷流程，如下圖11所示。

5 結(jié)論

（1）利用超聲波普測(cè)初步判斷放電類型和位置，通過聲電聯(lián)合法對(duì)放電源進(jìn)行定位：尖端放電位于刀閘氣室與進(jìn)線套管氣室之間的連接氣室內(nèi)，在距離套管側(cè)盆子35.5cm靠近筒體底部相導(dǎo)電桿處。

（2）優(yōu)先以超聲波法對(duì)設(shè)備進(jìn)行普測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷概率高，測(cè)試準(zhǔn)確，結(jié)合特高頻法聲電聯(lián)合定位可精確至厘米級(jí)。

（3）總結(jié)出一套檢測(cè)效率高、定位準(zhǔn)確的局部放電診斷流程。

圖11 改進(jìn)的診斷流程

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