高頻脈沖電流法在氧化鋅避雷器帶電局放檢測中的運(yùn)用

陳欣，韋瑞峰，張?jiān)劊醭?/p>

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明650011）

0 前言

目前110 kV 及以上避雷器的狀態(tài)監(jiān)測，主要依靠停電預(yù)防性試驗(yàn)以及運(yùn)行中進(jìn)行阻性電流測試和紅外測溫這幾種檢測方式[1-3]，主要是針對避雷器閥片老化和內(nèi)部絕緣劣化的缺陷。對于避雷器內(nèi)部局部放電的檢測，現(xiàn)在還沒有準(zhǔn)確有效的方式可以在現(xiàn)場開展。某供電局某變電站某線路線路避雷器在2014年和2018年分別發(fā)生了兩次避雷器爆炸的故障，爆炸的避雷器投運(yùn)時(shí)間為2012年5月，運(yùn)行時(shí)間較短，爆炸之前的停電和帶電測試數(shù)據(jù)均無異常，不存在閥片老化和內(nèi)部受潮的問題。結(jié)合避雷器故障時(shí)的運(yùn)行情況和爆炸后對殘余部分的檢查結(jié)果，判斷導(dǎo)致故障的原因?yàn)楸芾灼鲀?nèi)部局部放電。由于避雷器爆炸的威力非常大，有可能傷及運(yùn)行人員和相鄰的帶電運(yùn)行設(shè)備，導(dǎo)致的后果很嚴(yán)重。因此，研究檢測運(yùn)行中避雷器是否存在內(nèi)部局放的方法和手段，是預(yù)防避雷器爆炸的重要措施。

1 帶電局放檢測技術(shù)

目前，帶電局放檢測的手段主要有超聲波局放、特高頻局放和高頻脈沖電流法三種。其基本原理如下[4-8]：

超聲波局放：局部放電會有聲音發(fā)出，這個(gè)聲波能夠在某些絕緣介質(zhì)中傳播，超聲波就是根據(jù)絕緣介質(zhì)的不同，選擇信噪比最佳的頻段，對局部放電所產(chǎn)生的這個(gè)超聲波進(jìn)行檢測，從而發(fā)現(xiàn)局放。但是，局部放電是否能夠產(chǎn)生能夠被可靠檢測的超聲波，要看所出的介質(zhì)是否有利于超聲波的傳播和檢測。目前超聲波的最佳應(yīng)用還是在GIS腔體中顆粒跳動型的局部放電，以及應(yīng)用在變壓器上用于已確定內(nèi)部局放的定位。而對于氧化鋅避雷器，因?yàn)橹虚g是瓷套或復(fù)合絕緣，兩端法蘭處在運(yùn)行狀態(tài)下也均不便放置傳感器來獲取信號，因此超聲波局放的檢測方式對于避雷器的帶電局放是不合適的。

超高頻局放：絕緣介質(zhì)中如果有局部放電，會有電磁波產(chǎn)生。采用幅頻特性適當(dāng)?shù)奶炀€傳感器，放置在合適的位置，就可以通過超高頻電磁波的檢測來判斷是否存在局放。但是，局部放電所產(chǎn)生的電磁波的頻率范圍，要取決于絕緣介質(zhì)。一般來說，絕緣強(qiáng)度越大的絕緣介質(zhì)中局部放電所產(chǎn)生的超高頻成分越大。而且能夠更易于被采集到，也好取決于其傳播狀態(tài)，一般而言，在尺寸與其波長相近的金屬屏蔽體系中傳播最易被檢測到。所以超高頻局放目前主要是應(yīng)用于GIS和變壓器這兩種金屬外殼設(shè)備上。根據(jù)其基本檢測原理，考慮到避雷器內(nèi)部的絕緣結(jié)構(gòu)和封裝結(jié)構(gòu)，并不適用于對避雷器的局放檢測。

高頻脈沖電流法：局部放電雖然是發(fā)生在絕緣之中，但是本質(zhì)上都是局部電場強(qiáng)度過大，超過了該處絕緣介電強(qiáng)度而產(chǎn)生的短時(shí)爆發(fā)性電荷移動，這些被釋放的電荷從根本上說還是在高電位與地電位之間的移動，也就是從導(dǎo)體經(jīng)過絕緣體而進(jìn)入地電位。而這個(gè)電荷移動并不是持續(xù)的，而是在每次都持續(xù)很短的時(shí)間內(nèi)完成的，其所形成的電流也就成為非周期型的脈沖電流，而這個(gè)脈沖性的電流就會在電流傳播路徑的周圍產(chǎn)生高頻電磁波，電磁波的頻率范圍則取決于這個(gè)脈沖電流的上升沿陡度。高頻脈沖電流法也就是利用這個(gè)局部放電的電荷移動基本過程，采用幅頻特性適當(dāng)?shù)母哳l電流傳感器，安裝在局部放電所形成的脈沖電流的通過路徑上，通過對高頻電磁波的檢測完成對局部放電的檢測。目前這種局放檢測方法對于避雷器的內(nèi)部局放來說，是較為可行的。只要在現(xiàn)場安裝條件滿足的情況下，把高頻脈沖電流互感器接入避雷器的接地引下線。同時(shí)，由于運(yùn)行現(xiàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜，帶電檢測不可避免地要面臨噪聲與各種干擾的影響。要求測量儀器除了自身的低噪聲與抗干擾能力要強(qiáng)，還要有適當(dāng)?shù)男盘柗蛛x手段，能夠?qū)F(xiàn)場帶電局放檢測過程中所采集到的由各種信號雜合在一起

所形成的復(fù)合信號有分離能力，把每一種信號區(qū)分開來，獨(dú)立進(jìn)行分析，從而更容易地判定信號是內(nèi)部局放還是外來干擾。有了穩(wěn)定的局部放電PRPD圖譜，就可以對局放信號的圖譜特征、幅值變化、頻譜范圍等進(jìn)行測量和分析。為診斷同批次避雷器是否存在異常局放信號，現(xiàn)場采用高頻脈沖電流法對同一變電站運(yùn)行中的另外一回線路PB進(jìn)行的局放檢測，測試結(jié)果如下：

1.1 三相局放檢測信號

圖1 C相存在疑似局放信號

1.2 三相檢測信號的3PARD圖

圖2三相3PARD局放圖

從所形成的三相幅值關(guān)系圖（3PARD）可以看出，除了三相上都有的對稱性的帶電運(yùn)行狀態(tài)下普遍存在的一些非內(nèi)部局放信號之外，在C相的軸上明顯存在著一簇信號，經(jīng)過對這簇信號的PRPD圖譜進(jìn)行分析，可以確定這簇信號屬于來自于C相的內(nèi)部局放信號，該區(qū)域外的其他信號簇，根據(jù)其PRPD圖譜特征判斷為帶電設(shè)備的端部電暈及其他干擾信號。

因運(yùn)行中的設(shè)備不能對信號強(qiáng)度的幅值進(jìn)行校準(zhǔn)[9]，因此測試結(jié)果僅能判斷，可能存在內(nèi)部異常局放，不能對局放強(qiáng)度進(jìn)行檢測（當(dāng)然可以在不同的時(shí)間里對同一個(gè)設(shè)備采用同一套儀器在同樣的設(shè)置條件下進(jìn)行測量，以觀察局放信號的幅值變化，為判斷局放現(xiàn)象在放電強(qiáng)度、放電頻次密度等方面是否有發(fā)展變化提供依據(jù)）。為確認(rèn)避雷器內(nèi)部是否存在對應(yīng)的缺陷，需對避雷器進(jìn)行解體確認(rèn)。

2 解體檢查結(jié)果

為避免再發(fā)生爆炸事故，對懷疑存在內(nèi)部局放的I 回線路PB進(jìn)行了更換，并對更換的避雷器進(jìn)行解體檢查。

解體發(fā)現(xiàn)A、C相包裹閥片的絕緣體存在貫穿性裂紋，位置和長度與之前II 回線路C相故障裂紋相似，B相正常。測量有疑似局放信號的C相，其套管內(nèi)壁有明顯電燒灼的痕跡。

結(jié)合局放帶電檢測結(jié)果與解體發(fā)現(xiàn)的問題，可以看出采用高頻脈沖電流法能有效分析避雷器可能存在局部放電缺陷。

3 幾種典型放電特征

要判斷避雷器可能會存在哪些類型的放電，以及哪些正常的電暈放電和接觸不良（懸浮電位）放電，哪些又是可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果的空腔和氣隙放電，這需要了解避雷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，才能較準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷。以故障的110 kV 氧化鋅避雷器為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖：

圖3 110 kV氧化鋅避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

通過結(jié)構(gòu)分析，可能產(chǎn)生電暈放電的位置有上法蘭邊緣、定位閥片邊緣以及導(dǎo)線接線板邊緣等電場不均勻的位置。可能產(chǎn)生接觸不良（懸浮電位）放電的位置會處于閥片間、壓緊彈簧與鋁墊塊處、下法蘭與連接板處等等。而導(dǎo)致絕緣劣化的放電可能發(fā)生在閥片表面、瓷套內(nèi)部表面以及閥片內(nèi)部空穴處。要區(qū)分這些放電特征，需收集大量的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，找出典型規(guī)律，才能有效的進(jìn)行區(qū)分。

在隨后進(jìn)行了同類型15只110 kV 避雷器的局放檢測，對采集到的信號進(jìn)行了分析和歸納，得出以下初步的特征分類[10-11]。

電暈放電的特征圖譜：下圖是常見的電暈現(xiàn)象PRPD圖譜。可以看出其基本特征：

1）帶電檢測時(shí)所看到的電暈現(xiàn)象，都是終端連接的裸金屬產(chǎn)生的，所以都只有半個(gè)周期內(nèi)有放電現(xiàn)象，另外半個(gè)周期沒有。也就是任何一個(gè)圖譜，在相距大約180°的位置，都沒有正常絕緣內(nèi)部局放信號所具有的另外半個(gè)電壓周期的對應(yīng)放電圖譜。

2）由于三相之間的串?dāng)_，在每一相的檢測通道上，都可以看到其他另外兩相的電暈圖譜，但是各個(gè)圖譜之間互相間隔120°角度（這是因?yàn)楦魍ǖ赖臄?shù)據(jù)是同步采集的，而各相之間的電壓本來就相差120°）。

圖4電暈現(xiàn)象PRPD圖譜

接觸不良（懸浮電位）放電的特征圖譜：這是比較典型的帶電局放檢測時(shí)經(jīng)常見到的接觸不良（懸浮電位）放電的特征圖譜。懸浮電位（或者接觸不良）可以在設(shè)備外部，也可以是設(shè)備外部存在著一個(gè)對地或者對高電位都沒有良好連接的金屬性物體，在高電壓導(dǎo)體與地之間產(chǎn)生分壓效應(yīng)，當(dāng)其自身電位足夠高的時(shí)候，就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象。其特征是一旦放電產(chǎn)生，則放電脈沖幅值不再隨著電壓上升而變化，也就是幅值是固定的。從PRPD圖譜的形狀上看，就是對稱互成180°角度間距的兩條橫線。

圖5接觸不良（懸浮電位）放電的特征圖譜

絕緣內(nèi)部放電的典型PRPD圖譜：下圖是絕緣內(nèi)部放電的典型PRPD圖譜[12-14]，其基本特征：

1）在電壓的正負(fù)半個(gè)周期內(nèi)各有一個(gè)圖譜形成，并且互成180°（也就是在電壓的正負(fù)半個(gè)周期內(nèi)各自都有放電現(xiàn)象），但是其圖譜的幅值高度不一定一樣，放電頻次（也就是每個(gè)譜圖中放電點(diǎn)的密度）也不一定一樣，這取決于放電的性質(zhì)，以及其所帶來的產(chǎn)生放電的兩對電極之間的放電條件的差別。

2）每個(gè)譜圖都有一定的彌散性，很少見會成為一個(gè)規(guī)律性的一條線，或者一個(gè)點(diǎn)。這與絕緣內(nèi)部放電因?yàn)橄噜彿烹姮F(xiàn)象之間放電點(diǎn)周圍的條件不同有關(guān)，只能呈一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，而很少會呈線完全一樣的個(gè)案放電點(diǎn)。

3）放電圖譜大多會呈現(xiàn)前密后疏的現(xiàn)象。

4）每個(gè)譜圖，在其前部邊界上，會或多或少地體現(xiàn)出與正弦波電壓過零點(diǎn)之后上升段的曲線相關(guān)性。

圖6絕緣內(nèi)部放電的典型PRPD圖譜

4 結(jié)束語

通過現(xiàn)場實(shí)測，采用高頻脈沖電流可以彌補(bǔ)現(xiàn)有阻性電流測試、紅外檢測等帶電檢測手段的不足，能診斷出可能導(dǎo)致避雷器內(nèi)部絕緣劣化的局部放電缺陷。雖然現(xiàn)場電磁場和環(huán)境噪聲對測試的干擾較大，但只要能采取合適的抗干擾措施，并結(jié)合測試分析經(jīng)驗(yàn)，對典型的局放特征進(jìn)行識別，就可以有效提高測試的準(zhǔn)確性。

目前，只針對懷疑存在問題的110 kV 瓷套絕緣的氧化鋅避雷器進(jìn)行了測試和解體檢查，下步將開展220 kV 及以上避雷器的檢測及驗(yàn)證工作，對強(qiáng)電場干擾的排除和典型局放特征可參考現(xiàn)有的測試經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)一步完善判斷依據(jù)。