基于超聲波技術(shù)的GIS內(nèi)部機(jī)械振動(dòng)缺陷檢測與分析

王 政 ，郭 峰 ，李秀國 ，馮新巖

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256610；2.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

超聲波局部放電檢測技術(shù)的應(yīng)用最早始于20世紀(jì)40年代，主要用于變壓器局放檢測中［1］。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，超聲波局放檢測的應(yīng)用越來越廣泛，范圍涵蓋了變壓器、GIS、開關(guān)柜、電纜終端、架空輸電線路等各個(gè)電壓等級的各類一次設(shè)備。超聲波局部放電檢測作為開展設(shè)備狀態(tài)檢測的重要手段，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、便于實(shí)現(xiàn)放電定位等一系列優(yōu)點(diǎn)。

在GIS設(shè)備進(jìn)行超聲波局部放電檢測中，連續(xù)模式下，有效值或峰值超過背景噪聲或50 Hz/100 Hz相關(guān)性出現(xiàn)時(shí)，可以判斷存在異常信號。超聲波局放檢測可以發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備內(nèi)部存在的尖端放電、懸浮放電、自由顆粒、機(jī)械振動(dòng)等缺陷。其中機(jī)械振動(dòng)信號最為復(fù)雜，50 Hz或100 Hz相關(guān)性和相位關(guān)系無固定規(guī)律。GIS內(nèi)部存在機(jī)械振動(dòng)時(shí)雖然不會(huì)像尖端毛刺、自由顆粒、懸浮電位引起內(nèi)部的局部放電，但是設(shè)備內(nèi)部長期的機(jī)械振動(dòng)會(huì)造成內(nèi)部部件的松動(dòng)，可能進(jìn)而引發(fā)更加嚴(yán)重的后果。

1 超聲波技術(shù)檢測GIS缺陷類型

當(dāng)GIS設(shè)備內(nèi)部存在局部放電及機(jī)械振動(dòng)類缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超聲波信號，超聲波信號向周圍擴(kuò)散并傳導(dǎo)到GIS設(shè)備外殼。通過在GIS設(shè)備外殼上安裝超聲波傳感器，可以檢測到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號，進(jìn)而判斷GIS設(shè)備的缺陷情況。超聲波局部放電檢測可發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部缺陷類型包括：電暈放電、懸浮放電、自由顆粒、機(jī)械振動(dòng)等，各種缺陷信息的判斷特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同缺陷類型的信號特點(diǎn)

GIS設(shè)備中每個(gè)元件結(jié)構(gòu)、松動(dòng)程度和振動(dòng)強(qiáng)度均不同，機(jī)械振動(dòng)信號較復(fù)雜，50 Hz或100 Hz相關(guān)性和相位關(guān)系無固定規(guī)律，在用超聲波技術(shù)進(jìn)行檢測時(shí)，信號特征往往呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。僅僅通過超聲波檢測時(shí)的波形特征很難對機(jī)械振動(dòng)信號與局部放電信號（包括：電暈放電、懸浮放電、自由顆粒放電）做出準(zhǔn)確區(qū)分。在工程應(yīng)用中往往通過特高頻局放檢測對機(jī)械振動(dòng)信號和局部放電信號做出區(qū)分。當(dāng)GIS內(nèi)部存在局部放電時(shí)，在產(chǎn)生超聲波信號的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生電磁波信號，而機(jī)械振動(dòng)作為一種非電類信號很顯然通過特高頻技術(shù)是檢測不到的［2］。

2 常見GIS機(jī)械振動(dòng)干擾信號

電氣設(shè)備由各種零部件安裝組成，設(shè)備運(yùn)行過程中，外部條件或內(nèi)部因素都可能會(huì)引起輕微的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種往復(fù)性的物理過程屬于機(jī)械振動(dòng)［3-4］。在對GIS設(shè)備內(nèi)部機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行判斷時(shí)，影響檢測的干擾信號一般有兩種：電暈噪聲和磁滯噪聲。

2.1 電暈噪聲

外部較強(qiáng)的電暈噪聲通常會(huì)在相近GIS設(shè)備外殼上產(chǎn)生明顯的干擾。檢測時(shí)可能會(huì)在殼體上測得明顯異常信號，該信號一般具備典型電暈放電特征或懸浮放電特征，但通常幅值較小。

對500 kV某變電站500 kV HGIS超聲波局部放電檢測時(shí)，在50211A相開關(guān)氣室開關(guān)處檢測到明顯超聲波異常信號，信號異常間隔一次系統(tǒng)如圖1所示。連續(xù)模式下峰值約為14 mV，50 Hz和100 Hz相關(guān)性明顯，相位模式下峰值最大值約為19 mV，電暈噪聲圖譜如圖2所示。

圖1 信號異常間隔一次系統(tǒng)

圖2 電暈噪聲圖譜

特高頻局部放電檢測和SF6氣體分解物檢測結(jié)果均未見明顯異常。在現(xiàn)場檢測時(shí)，母線接地開關(guān)（敞開式）位置能夠提到明顯的電暈放電聲音，結(jié)合特高頻檢測和SF6氣體分解物判斷超聲異常信號由外部電暈噪聲引起。

對于電暈噪聲的排除可采用比對法和遮蓋法進(jìn)行排除，比對法通過檢測臨近機(jī)構(gòu)箱和端子箱上的信號對比識別，如臨近機(jī)構(gòu)箱和端子箱上有相似信號，則可判斷為外部電暈噪聲干擾。遮蓋法采用吸音棉或吸音墊對異常信號部位進(jìn)行遮蓋，如信號明顯減小即可最終判斷為外部噪聲。

2.2 磁滯噪聲

對于鋼材質(zhì)的殼體，如內(nèi)部負(fù)荷電流較大時(shí)，殼體上磁滯噪聲可能對檢測信號產(chǎn)生干擾；GIS電壓互感器、電流互感器由于是鐵芯結(jié)構(gòu)，也會(huì)產(chǎn)生磁滯噪聲。通常磁滯噪聲干擾具有較明顯的100 Hz相關(guān)性，幅值較小，略大于背景噪聲水平，一般在較大區(qū)域均出現(xiàn)。

2.2.1 TA磁滯噪聲

對220 kV GIS設(shè)備進(jìn)行超聲波局部放電檢測時(shí)，在2號主變220 kV側(cè)202間隔A、C相TA附近檢測到超聲異常信號，信號異常間隔一次系統(tǒng)如圖3所示。信號幅值較小，最大峰值約1.3 mV（背景噪音0.5mV），但100 Hz相關(guān)性明顯，約為0.07 mV，在相位模式下，點(diǎn)聚集為兩簇，如圖4所示。

圖3 信號異常間隔一次系統(tǒng)

圖4 TA磁滯噪聲圖譜

隨后進(jìn)行特高頻局部放電檢測及SF6氣體微水檢測、氣體成分檢測，檢測結(jié)果均無異常，排除內(nèi)部放電可能性。該站220 kV GIS的TA均為外置式，二次線圈套裝在分支母線罐體法蘭上。2號主變220 kV側(cè)202間隔負(fù)荷電流較大，約600 A。TA鐵芯在較大的電流負(fù)荷下會(huì)產(chǎn)生磁滯收縮效應(yīng)，從而出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而影響到罐體及其外殼。由此綜合判斷該信號為受TA鐵芯磁滯收縮引起的振動(dòng)。

2.2.2 GIS鋼罐體磁滯噪聲

對某變電站220 kV GIS進(jìn)行超聲波局部放電檢測時(shí)，在2號主變220kV側(cè)GIS間隔、3號主變220 kV側(cè)GIS間隔的開關(guān)、TA及母線等部位的罐體上，檢測到特征相似的超聲波異常信號，如圖5所示。該類信號連續(xù)模式下100 Hz相關(guān)性明顯，相位模式下，點(diǎn)較均勻的聚集為兩簇，與懸浮放電信號相似，但幅值較小且廣泛存在于除避雷器及PT罐體外的GIS三相殼體上。進(jìn)行特高頻局部放電檢測及SF6氣體微水檢測、氣體成分檢測無異常。

圖5 GIS鋼罐體磁滯噪聲圖譜

信號出現(xiàn)的區(qū)域廣，幅值小，與磁滯噪聲信號特點(diǎn)相似，因此，判斷可能為鋼罐體磁滯噪聲產(chǎn)生的信號。當(dāng)對單相鋼罐體的GIS進(jìn)行超聲測試時(shí)，由于導(dǎo)磁材料存在磁滯伸縮的現(xiàn)象，工頻周期交變磁場改變磁化狀態(tài)，引起振動(dòng)噪聲。這種情況下檢測超聲信號與背景噪聲不同，并且可能出現(xiàn)100 Hz的頻率相關(guān)性，形成了與懸浮放電相似的信號圖譜，但此時(shí)引起的超聲信號幅值較低（小于10 mV），對所有同類單相封閉GIS的各相測試結(jié)果都近似，區(qū)別于懸浮放電。同時(shí)，磁滯噪聲大小與負(fù)荷電流大小有關(guān)，對比該站220 kV側(cè)各間隔負(fù)荷電流，2號主變、3號主變間隔負(fù)荷電流約900 A，其余各線路間隔多為200 A左右。因兩間隔負(fù)荷電流大，可明顯檢測到磁滯噪聲信號，而其他間隔負(fù)荷電流小，磁滯噪聲小，檢測不明顯。

3 GIS內(nèi)部機(jī)械振動(dòng)缺陷實(shí)例分析

GIS設(shè)備中每個(gè)元件結(jié)構(gòu)、松動(dòng)程度和振動(dòng)強(qiáng)度均不同，這就決定了所受到的激勵(lì)都是不同的，振動(dòng)規(guī)律也各不相同。由于機(jī)械振動(dòng)信號較復(fù)雜，超聲波檢測時(shí)，50 Hz或100 Hz相關(guān)性和相位關(guān)系無固定規(guī)律。在進(jìn)行判斷時(shí)多結(jié)合特高頻局放檢測及SF6組分分析進(jìn)行診斷［5-6］。

3.1 案例1

在對500kV某變電站500kV GIS進(jìn)行帶電檢測過程中，檢測到某間隔斷路器A相本體有明顯超聲波信號，信號最大值出現(xiàn)在該斷路器-1開關(guān)側(cè)斷口部位，如圖6所示，峰值約20mV，50Hz相關(guān)性及100 Hz相關(guān)性不明顯，如圖7所示。在該部位整個(gè)圓周上信號幅值變化不大，由此可判斷信號源處于罐體中心的位置，即斷路器內(nèi)部斷口或與TA一次導(dǎo)電桿連接處。

圖6 信號異常部位

圖7 超聲波檢測圖譜

特高頻信號及SF6組分檢測未見異常，判斷設(shè)備內(nèi)部存在振動(dòng)現(xiàn)象。檢修公司人員連同技術(shù)人員對該斷路器進(jìn)行了開蓋進(jìn)入檢查，檢查內(nèi)容包括斷路器內(nèi)有無粉塵、異物，螺栓有無松動(dòng)。經(jīng)檢查，斷路器內(nèi)部腔體無粉塵異物；檢查斷路器各部位緊固螺栓安裝標(biāo)記以及彈簧墊壓緊情況，無異常；檢查靜觸頭各觸指，壓緊正常，各部位無放電痕跡；在檢查靜觸頭座與均壓環(huán)連接處時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一金屬部件明顯松動(dòng)，如圖8所示，手指觸碰檢查存在約2 mm左右活動(dòng)間隙。該部位與超聲信號最大部位對應(yīng)，分析認(rèn)為是該部件在運(yùn)行中電磁場力作用下，產(chǎn)生振動(dòng)。

圖8 松動(dòng)部位

該斷路器超聲波局部放電檢測出現(xiàn)異常的原因?yàn)榫鶋涵h(huán)與靜觸頭座支撐螺栓保護(hù)襯套串動(dòng)引起，如該部件振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成接觸不良放電，其放電產(chǎn)生的粉塵會(huì)對設(shè)備安全運(yùn)行造成較大影響，建議生產(chǎn)廠家嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

3.2 案例2

對500 kV某變電站500 kV HGIS設(shè)備開展帶電檢測工作時(shí)，在某間隔斷路器C相本體處檢測到明顯超聲波信號，如圖9所示，信號最大值出現(xiàn)在該斷路器C相斷路器操作機(jī)構(gòu)與內(nèi)部導(dǎo)電連接處，峰值約9 mV（該區(qū)域背景噪音較大，1.6 mV），50 Hz相關(guān)性明顯，相位模式下，點(diǎn)聚集為一簇，具有電暈放電特征，如圖10所示。

該斷路器本體部位無盆式絕緣子及內(nèi)置傳感器，只能通過上部開關(guān)處盆式絕緣子檢測。檢測時(shí)，在儀器前置增益打開的情況下，僅有輕微噪音信號，無相位特征，特高頻檢測未發(fā)現(xiàn)放電信號。該斷路器三相SF6氣體微水及成分檢測結(jié)果合格。

該信號具有電暈放電特征，且幅值較高，但特高頻檢測未發(fā)現(xiàn)異常。由于特高頻檢測位置所限，距異常超聲波信號所在位置較遠(yuǎn)，且經(jīng)過兩個(gè)轉(zhuǎn)角，信號衰減大；另外內(nèi)部電暈放電時(shí)特高頻信號本就較弱，因此雖然特高頻檢測未發(fā)現(xiàn)異常信號，但不能排除電暈放電可能。由此綜合判斷設(shè)備內(nèi)部存在電暈放電或機(jī)械振動(dòng)缺陷。

圖9 信號異常部位

圖10 檢測異常圖譜

技術(shù)人員對該斷路器進(jìn)行了開蓋進(jìn)入檢查。檢查內(nèi)容包括斷路器內(nèi)有無粉塵、異物，有無毛刺凸起，螺栓有無松動(dòng)等。經(jīng)檢查，斷路器內(nèi)部腔體無粉塵異物，導(dǎo)體及罐體表面無毛刺；檢查螺栓壓緊情況，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣支架與導(dǎo)體連接部位有一連接螺栓松動(dòng)，可較明顯看到螺栓墊片存在間隙，如圖11所示。其余各項(xiàng)檢查正常，由此判斷由于該螺栓松動(dòng)，在運(yùn)行中產(chǎn)生了較小的振動(dòng)信號。絕緣支架與導(dǎo)體連接部位共有12顆螺栓，分析認(rèn)為該螺栓在安裝時(shí)力矩不夠，在斷路器分合閘操作過程中承受較大沖擊力而逐漸松動(dòng)。對螺栓進(jìn)行緊固，恢復(fù)正常后送電。送電后進(jìn)行超聲波局部放電檢測，信號檢測正常，與背景值相同。

通過本次異常信號檢查分析，找到了該間隔C相斷路器超聲波局部放電檢測出現(xiàn)異常的原因，為內(nèi)部支持絕緣子與導(dǎo)體連接部位一個(gè)連接螺栓松動(dòng)造成。由于斷路器操作時(shí)，該部位承受較大的沖擊力，即使較小的松動(dòng)，在操作過程中，也會(huì)逐漸加劇，最終導(dǎo)致故障。因此該部位的螺栓松動(dòng)危害較大。建議生產(chǎn)廠家嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量，特別是緊固螺栓的力矩檢查，保證設(shè)備安全運(yùn)行。同時(shí)，驗(yàn)證了超聲波檢測的有效性，在設(shè)備運(yùn)行過程中，加強(qiáng)設(shè)備的帶電檢測，對發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的隱患有重要的作用。

圖11 松動(dòng)螺栓

4 結(jié)語

電氣設(shè)備運(yùn)行中通常都存在振動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)備的某一部分或者整體都可能存在振動(dòng)現(xiàn)象。GIS設(shè)備內(nèi)部的機(jī)械振動(dòng)往往帶來設(shè)備隱患，如內(nèi)部螺絲、屏蔽裝置、均壓裝置、導(dǎo)體或觸頭對接頭等部位的松動(dòng)、位移等，而隨著設(shè)備內(nèi)部件的松動(dòng)或位移等現(xiàn)象的產(chǎn)生，設(shè)備受力不均，設(shè)備的振動(dòng)情況將加重，如此往復(fù)，最終引起設(shè)備事故。

設(shè)備中的絕大多數(shù)機(jī)械性故障是可以通過設(shè)備內(nèi)部的振動(dòng)信息反映出來。通過對GIS設(shè)備內(nèi)部機(jī)械振動(dòng)信息進(jìn)行診斷，可以了解其缺陷的發(fā)展程度及缺陷性質(zhì)，進(jìn)而制定相應(yīng)的策略。