局放重癥監(jiān)測技術在特高壓電抗器內(nèi)部缺陷檢測中的應用

趙 琳，邵先軍，金涌濤，楊 勇，楊 智，鄭文哲

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

高壓高抗容量大，其絕緣設計和制造工藝難度較高［7］。已投運特高壓及超高壓輸變電工程中，發(fā)生過多起高抗絕緣缺陷故障［8-12］，因此，及時、高效地開展高壓高抗缺陷檢測和診斷分析對于保障特高壓輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運行十分重要。目前，常采用在線監(jiān)測和帶電巡檢的方式對高壓高抗的運行狀態(tài)實施監(jiān)測。

傳統(tǒng)的局部放電（以下簡稱“局放”）在線監(jiān)測方式比較單一，一般以特高頻局放在線監(jiān)測為主，大多數(shù)應用在特高壓站百萬伏GIS（氣體絕緣封閉組合電器）設備中，且受傳感器布點固定、數(shù)量較少的影響，靈敏度比較低，無法覆蓋GIS 所有氣室，間歇性微弱放電信號也難以有效發(fā)現(xiàn)。變壓器高抗類設備由于器身結構原因，一般特高頻內(nèi)置傳感器安裝在底部排油閥、手孔安裝蓋板或出廠預留的介質(zhì)窗處，受安裝位置影響，靈敏度較低，通常不接入局放在線監(jiān)測后臺，無法進行實時監(jiān)測，只適合于常規(guī)帶電巡檢。而采用套管雙末屏設計進行高頻局放在線監(jiān)測的方法目前還處于探索階段。因此高抗的局放在線監(jiān)測在實際運行中較少，常規(guī)監(jiān)測技術主要是油色譜在線監(jiān)測、鐵心夾件接地電流監(jiān)測等［13］。運維經(jīng)驗表明，本體在線油色譜對于內(nèi)部缺陷產(chǎn)生和發(fā)展過程的監(jiān)測作用較突出，但其本身具有滯后性，且對于內(nèi)部缺陷判斷的精準性稍差。高抗的常規(guī)局放巡檢主要包括超聲波、特高頻及高頻局放檢測等，但大部分內(nèi)部局放缺陷信號前期呈現(xiàn)出間歇性特點，放電頻次較低，常規(guī)巡檢很難及時捕捉到間歇性放電信號，且易受外部信號干擾而導致誤判，給設備安全運行帶來隱患。

局放重癥監(jiān)測系統(tǒng)作為移動式多頻段局放在線監(jiān)測手段，區(qū)別于傳統(tǒng)的單一局放監(jiān)測，其拆裝方便，可對高抗進行長時間的實時監(jiān)測。根據(jù)內(nèi)部局放信號同源性比較以及局放干擾信號判別，可有效判斷內(nèi)部是否存在放電信號，特別適用于高抗內(nèi)部存在疑似間歇性較強局放信號的場景。局放重癥監(jiān)測不僅可以彌補高抗在線監(jiān)測和常規(guī)局放檢測的不足，還能減輕試驗人員現(xiàn)場應急蹲守檢測的負擔，為實時精準、動態(tài)高效地監(jiān)測高抗運行狀態(tài)提供助力。

2020 年2月—4月，某特高壓交流站1 000 kV高抗連續(xù)發(fā)生兩起油色譜中C2H2（乙炔）含量異常事件。此次通過局放重癥監(jiān)測技術指導現(xiàn)場帶電檢測，成功判斷出2 起高抗內(nèi)部缺陷的類型。同時，結合油色譜數(shù)據(jù)跟蹤，試驗人員及時、準確地給出運維策略和建議，避免了特高壓設備重大故障事件的發(fā)生，保障了特高壓電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

1 高抗內(nèi)部結構

該1 000 kV 高抗采用雙器身串聯(lián)結構，其器身主要結構與內(nèi)部繞組連結方式如圖1所示。鐵心采用2個單相帶旁軛式結構，2個鐵心中的心柱由鐵心餅組成。線圈為餅式繞組，兩柱（器身1、器身2）串聯(lián)結構，每柱線圈皆為中部出線。

圖1 高抗器身結構

2 局放重癥監(jiān)測技術原理

局放重癥監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖2所示，主要由前端局放傳感器（特高頻傳感器、高頻傳感器、超聲波傳感器）、數(shù)據(jù)傳輸通道、就地采集單元、后臺數(shù)據(jù)分析及健康診斷平臺構成。系統(tǒng)通過多源裝置的集成和多狀態(tài)量交互的狀態(tài)檢測，實現(xiàn)對變電設備（變壓器、高抗或GIS）運行狀態(tài)的全面監(jiān)測。

圖2 局放重癥監(jiān)測系統(tǒng)架構

前端局放傳感器可同時獲取變電設備內(nèi)部絕緣超聲波、特高頻及高頻局放等多種信號，通過同軸電纜將信號傳輸至就地采集單元。就地采集單元能夠根據(jù)輸入脈沖信號的電平自動觸發(fā)完成信號的捕獲并進行降噪、濾波、識別和存儲，還可以計算局放脈沖的幅值、功率、頻次、首半波時長、全時長等參數(shù)，記錄工頻相位、到達時間、原始波形等信息，作為局放診斷的依據(jù)。最后通過光纖將結果送至后臺完成數(shù)據(jù)分析及專家系統(tǒng)健康診斷，實現(xiàn)超前預警及主動運維。

基于嚴重擁堵里程比的交通指數(shù)計算是指在一定的統(tǒng)計時間內(nèi)首先通過路段運行速度判斷處于擁堵狀態(tài)的路段[10]，如城市快速路路段低于20 km/h判定為擁堵；其次分不同道路等級求出擁堵路段長度占到總路段長度的比例，進一步按照不同道路等級的VKT(車公里)進行加權，得到全路網(wǎng)的擁堵里程比例；最后按照一定的數(shù)學轉(zhuǎn)換，計算出全路網(wǎng)交通指數(shù)，指數(shù)一般取值0～10，數(shù)值越高表明越擁堵. 北京、廣州、杭州、武漢等城市采用此種模型方法，但是不同城市根據(jù)各自的運行特點，在擁堵路段閾值劃分、擁堵里程比例與指數(shù)的轉(zhuǎn)換關系、指數(shù)分級等方面存在不同.

3 局放重癥監(jiān)測技術在高抗內(nèi)部放電缺陷檢測中的應用

3.1 缺陷概況

2020 年2 月26 日，某1 000 kV 高抗油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示C2H2含量由1.8 μL/L 突增至3.4 μL/L，C2H2含量及增長速度明顯增加，截至29日21時，油色譜C2H2含量增長至12.0 μL/L，如圖3所示。

圖3 油色譜中C2H4和C2H2含量變化趨勢

根據(jù)三比值法［15］可以得到C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值編碼分別為1、0、0，故判斷故障類型為電弧放電。

3.2 局放重癥監(jiān)測結果分析

2 月26 日—28 日，現(xiàn)場分別開展了特高頻局放和高頻局放檢測，由于信號間歇性較強，無法有效累積PRPD（相位分辨的局部放電）圖譜。28日21 時開始布置重癥監(jiān)測系統(tǒng)，直至29 日21 點30 分拉停，現(xiàn)場重癥監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置如圖4所示，選取高抗器身1夾件、器身2鐵心接地電流進行高頻局放監(jiān)測。同時在高抗本體西側(cè)面中上、中下位置以及北側(cè)面布置超聲波局放傳感器、本體南側(cè)面油箱頂部縫隙處以及南側(cè)空氣背景布置特高頻傳感器進行局放同源性比較。

圖4 現(xiàn)場傳感器布點

重癥監(jiān)測結果顯示，高頻局放監(jiān)測、特高頻局放監(jiān)測和超聲波局放監(jiān)測均檢測到持續(xù)放電信號，且放電時刻基本一致，具有明顯的同源性。高頻局放放電脈沖頻次前期（28 日21 時至29 日12時）隨時間波動較大，后期（29日12時至21時高抗拉停）比較穩(wěn)定（220～250次/s），這期間特高頻局放（220～360次/s）和超聲波局放（約375次/s）均比較穩(wěn)定。同時C2H2含量已持續(xù)增長至12 μL/L，說明內(nèi)部放電較為持續(xù)。

重癥監(jiān)測累積PRPD 圖譜如圖5 所示，器身1夾件高頻局放平均幅值為2.17 V，南側(cè)面油箱頂部縫隙處特高頻局放平均幅值-54.1 dBm，圖譜均呈現(xiàn)疑似懸浮類放電和絕緣類放電特征，判斷存在內(nèi)部放電缺陷。本體西側(cè)面上部超聲波局放1.05 V，大于其他兩處，圖譜呈現(xiàn)懸浮類放電特征。推測造成C2H2快速增長的主要原因為高抗內(nèi)部存在懸浮電位及微弱絕緣類缺陷導致的局放。

圖5 重癥監(jiān)測累積PRPD圖譜

3.3 局放帶電檢測驗證

根據(jù)重癥監(jiān)測結果，29日12時之后內(nèi)部局放較為穩(wěn)定持續(xù)，遂開展現(xiàn)場局放帶電檢測。高頻PRPD圖譜如圖6所示，該信號具有明顯的相位特征，分布在工頻周波一、三象限，局放幅值由高到低排序為器身1 夾件、器身1 鐵心、器身2 鐵心和夾件，且器身1信號與器身2信號極性相反，可初步判斷該高頻局放信號源位于器身1柱夾件或與夾件相連的部件上，并通過接地網(wǎng)傳遞至器身2。

圖6 高頻PRPD圖譜

特高頻局放檢測PRPD圖譜如圖7所示，當高抗器身上的特高頻傳感器檢測到異常局放信號時，背景傳感器中并無類似信號出現(xiàn)；在檢測過程中改變特高頻傳感器的朝向時，發(fā)現(xiàn)傳感器遠離或背向高抗油箱上蓋板與油箱本體連接縫隙時，特高頻局放信號明顯減弱，由此可說明異常局放信號來自高抗內(nèi)部。

圖7 特高頻PRPD圖譜

29 日21 時油色譜中C2H2含量已快速增長至12 μL/L，且局放重癥監(jiān)測結果顯示內(nèi)部放電信號比較持續(xù)，為避免運行風險建議拉停高抗。

3.4 返廠解體

返廠解體發(fā)現(xiàn)，在器身1最內(nèi)側(cè)圍屏凹面中部位置出現(xiàn)碳痕，地屏銅帶整體褶皺現(xiàn)象明顯，有4處斷裂放電痕跡以及絕緣紙板破損，如圖8 所示。由于器身1地屏等電位銅帶是通過連接上夾件進行接地，因此銅帶斷裂放電產(chǎn)生的高頻懸浮類局放信號以及絕緣紙板破損產(chǎn)生的絕緣類局放信號在器身1夾件上幅值最大，從而驗證了局放重癥監(jiān)測結合現(xiàn)場帶電檢測在高抗內(nèi)部放電缺陷檢測中的有效性和準確性。

圖8 地屏等電位銅帶

4 局放重癥監(jiān)測技術在1 000 kV 電抗器內(nèi)部缺陷檢測中的應用

4.1 缺陷概況

2020 年1 月23 日，某1 000 kV 高抗A 相器身1 鐵心夾件接地電流測試結果異常，分別為391 mA和358 mA，較之前測量值32.9 mA和81.3 mA明顯增大；器身2 鐵心夾件接地電流測試正常。3月17日，湖安II線高抗A相離線油色譜中C2H2含量突升至1.13 μL/L，此后C2H2含量存在顯著增長，截至29 日，在線油色譜中C2H2含量增長至6.57 μL/L，如圖9所示。

圖9 油色譜中C2H4和C2H2含量變化趨勢

根據(jù)三比值法可以得到3 月11 日之后C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值編碼分別為0、0、2，故判斷故障類型為高溫過熱。根據(jù)器身1 鐵心夾件電流異常增大的現(xiàn)象，判斷該設備內(nèi)部可能存在磁路多點接地造成的高溫過熱缺陷。

在3月19日現(xiàn)場局放帶電檢測中，發(fā)現(xiàn)器身1夾件存在疑似高頻局放信號，如圖10 所示。該信號具有明顯的相位特征，分布在工頻周波一、三象限，呈絕緣類放電特征，脈沖時域波形具有陡峭的上升沿及振蕩衰減過程，單脈沖為3～20 MHz 的連續(xù)頻譜分布，具有寬頻特性。由于該信號間歇性極強，現(xiàn)場局放帶電檢測無法排除背景干擾，需開展局放重癥監(jiān)測來診斷內(nèi)部絕緣狀況，判斷該放電信號與油色譜中C2H2含量增長之間的關聯(lián)性。

圖10 疑似高頻局放信號

4.2 局放重癥監(jiān)測結果分析

3 月20 日現(xiàn)場開展局放重癥監(jiān)測，實時監(jiān)測跟蹤高抗內(nèi)部局放情況。為確保遠程實時監(jiān)測的流暢性，系統(tǒng)一般不設置會導致數(shù)據(jù)量急劇增加的實時脈沖采樣。高頻局放傳感器測點布置于器身1和器身2鐵心夾件接地線，高抗本體南側(cè)、北側(cè)面油箱頂部縫隙處安置特高頻傳感器，選取本體北側(cè)一處空氣背景進行對比。

3 月30 日，局放重癥監(jiān)測系統(tǒng)首次捕捉到高頻局放信號及特高頻局放信號，至4月8日僅監(jiān)測到3次高頻及特高頻信號，間歇性極強。且由于信號放電脈沖較少，放電頻次也較低，無法判斷信號的關聯(lián)性。因此，改變監(jiān)測方式，系統(tǒng)設置實時脈沖采樣，統(tǒng)一特高頻信號和高頻信號采集時間。

4月10日11時14分，局放重癥監(jiān)測系統(tǒng)特高頻實時PRPD 圖譜、高頻實時PRPD 圖譜（實時累積時間均為15 s）、實時脈沖波形對比分別如圖11—13所示，3個通道特高頻信號相似度較高，背景信號、北側(cè)傳感器信號、南側(cè)傳感器信號依次減小。器身1 和器身2 的鐵心、夾件4 個通道高頻局放信號相似度也較高。高頻信號與特高頻信號采集時間差為1 s，因累積時長相同，兩者觸發(fā)閾值不同，可忽略采集系統(tǒng)誤差，認為兩者信號同時產(chǎn)生，具有高度相關性。綜上判斷，高頻局放信號和特高頻局放信號應為同一信號源，疑似外界背景干擾。

圖11 特高頻實時PRPD圖譜

圖12 高頻實時PRPD圖譜

將3處特高頻傳感器信號進行局放聚類識別對比及時差定位，結果如圖14 所示。北側(cè)和背景有362個脈沖在數(shù)米范圍內(nèi)可以有效匹配，且時差極小，證明是同一個脈沖源。該放電脈沖源靠近北側(cè)傳感器，位于北側(cè)傳感器和背景傳感器中間部位。

綜上判斷，該高抗局放間歇信號為靠近高抗北側(cè)的外部干擾信號，內(nèi)部無明顯局放信號，色譜增長與局部放電無關，設備內(nèi)部缺陷故障類型為磁路多點接地造成的高溫過熱。采用局放重癥監(jiān)測，彌補了現(xiàn)場常規(guī)局放帶電檢測對于歇性極強的局放信號無法進行干擾判別的缺點。

4.3 返廠解體

返廠解體發(fā)現(xiàn)，器身1靠近器身2側(cè)上鐵軛和上部器身磁屏蔽有接觸，磁屏蔽接觸面存在過熱燒蝕痕跡，對應上鐵軛接觸面亦存在明顯燒蝕痕跡，如圖15 所示。分析認為，磁屏蔽因裝配工藝不良在振動和電磁力作用下發(fā)生水平位移，與上鐵軛接觸，形成環(huán)流并導致接觸部位發(fā)熱燒蝕產(chǎn)氣、器身1鐵心和夾件接地電流增大。解體檢查未發(fā)現(xiàn)高抗內(nèi)部存在明顯放電痕跡。

圖13 不同通道實時脈沖波形對比

圖14 特高頻局放干擾信號識別及定位

圖15 硅鋼片燒蝕痕跡

5 結語

1）局放重癥監(jiān)測可彌補高壓高抗油色譜在線監(jiān)測和帶電檢測手段的不足。通過長時監(jiān)測，累積PRPD 圖譜可以有效識別高壓高抗內(nèi)部間歇性放電缺陷，并根據(jù)放電平均幅值、放電脈沖頻次來判斷缺陷發(fā)展情況，指導現(xiàn)場帶電檢測及定位分析，結合油色譜數(shù)據(jù)趨勢給出合理的運維策略。

2）局放重癥監(jiān)測通過多局放信號參量實時脈沖波形對比、同步采集、背景信號聚類識別、時間差定位等手段可實現(xiàn)高抗內(nèi)部信號同源性判斷、信號來源判別，排除背景干擾，避免發(fā)生誤判。