變電站GIS設(shè)備局放聲電聯(lián)合檢測(cè)與定位方法研究

葉旺，李忠虎，張繼紅

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，014010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)光熱與風(fēng)能發(fā)電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古包頭，014010；3.北京華天機(jī)電研究所有限公司，北京，100000）

0 引言

GIS（Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣金屬封閉組合電器）是一種將電力系統(tǒng)中除變壓器以外的一次設(shè)備（如高壓隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、電壓互感器、電流互感器、母線、電纜終端等）經(jīng)過(guò)嚴(yán)密設(shè)計(jì)有機(jī)地組合在一起并充以六氟化硫氣體作為絕緣介質(zhì)的組合電器[1]。GIS設(shè)備由于具備檢修周期長(zhǎng)、運(yùn)行安全可靠、節(jié)省占地空間等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)電力領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，但同時(shí)GIS設(shè)備也存在缺陷不易診斷的問(wèn)題，這與其內(nèi)部封閉的結(jié)構(gòu)存在直接關(guān)聯(lián)[2]。在出現(xiàn)故障前后，電氣設(shè)備存在多種特征信息，如聲、光、電、熱、氣等，基于不同的的特征信息，超聲波局放檢測(cè)、紅外熱像檢測(cè)、特高頻局部放電檢測(cè)、SF6氣體狀態(tài)檢測(cè)等多種帶電檢測(cè)技術(shù)得以出現(xiàn)[3]。近年來(lái)，，國(guó)內(nèi)外圍繞光學(xué)、化學(xué)、超聲波等監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展了大量研究，如基于硅光電倍增器（SiPM）的新型局部放電弱光檢測(cè)傳感系統(tǒng)、基于SF6氣體酸性分解產(chǎn)物濃度與放電類型綜合評(píng)估診斷法、針對(duì)自由漂浮雜質(zhì)超聲波絕緣分析法[4]。此外，有限時(shí)域差分方法、相位門極控制方法、寬帶電磁波監(jiān)測(cè)小波法、基于局放電磁頻率信號(hào)相位差的超寬頻帶UHF無(wú)線電抗干擾分析法等方法也屬于研究熱點(diǎn)[5]。雖然在局部放電檢測(cè)技術(shù)中，各種檢測(cè)方式都有其優(yōu)勢(shì)，但是也都存在著其明顯的局限性，因此只依靠單一的檢測(cè)方式，很難保證檢測(cè)結(jié)果的可靠準(zhǔn)確性，尤其是在具體實(shí)踐中，局放源精確定位問(wèn)題仍不能足夠準(zhǔn)確，很多時(shí)候僅能夠粗略地判斷出局部放電源位于傳感器的左右方向[6]。本文采用一種聲電聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)對(duì)GIS設(shè)備局部放電缺陷進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)故障原因進(jìn)行分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)GIS內(nèi)部缺陷嚴(yán)重程度、缺陷類型及具體位置判斷等功能，為GIS局部放電故障檢測(cè)提供一個(gè)較全面可靠的解決方案。

1 聲電聯(lián)合檢測(cè)與定位方法研究

為了直觀展示GIS設(shè)備局部放電聲電聯(lián)合檢測(cè)與定位方法，本節(jié)將結(jié)合某變電站局部放電故障實(shí)例，對(duì)聲電聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入探討，包括聲電聯(lián)合檢測(cè)流程、干擾處理、局放源位置分析、故障原因分析及設(shè)備解體驗(yàn)證等。

1.1 聲電聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)基本原理

聲電聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)屬于本文研究核心，該技術(shù)由超聲波局部放電檢測(cè)技術(shù)和特高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)組成。當(dāng)GIS設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)極小范圍的局部放電時(shí)，周圍會(huì)出現(xiàn)迅速畸變的巨大電場(chǎng)并擊穿附近所有的絕緣介質(zhì)，然后產(chǎn)生上升時(shí)間小于1納秒的脈沖電流，從而激發(fā)頻率高達(dá)數(shù)吉赫茲的電磁波[7]。特高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)依托UHF傳感器，能夠?qū)植糠烹姰a(chǎn)生的一定頻率范圍內(nèi)的電磁波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而獲取局部放電的相關(guān)信息。該技術(shù)一般擁有300MHz～3GHz的頻譜檢測(cè)范圍，檢測(cè)頻率高且?guī)ьl帶范圍廣泛，可自動(dòng)濾除300MHz以下的低頻段電暈干擾，擁有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在檢測(cè)、定位GIS設(shè)備局放類缺陷方面具備較高實(shí)用價(jià)值，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)故障類型判斷[8]。

當(dāng)GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，機(jī)械振動(dòng)也會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，將測(cè)量局放超聲波信號(hào)的傳感器放置于設(shè)備腔體外殼上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)放電信號(hào)的測(cè)量，這就是局部放電超聲波檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)擁有20～200 kHz頻段的檢測(cè)范圍，一般采用的傳感器類型為壓電陶瓷材料諧振式，并采用同軸電纜與檢測(cè)主機(jī)進(jìn)行信號(hào)的傳輸[9]。由于電力設(shè)備的電氣回路與該技術(shù)采用的傳感器間不存在電磁方面的聯(lián)系，這就使得傳感器不會(huì)受到電氣方面的干擾，但非局放故障造成的設(shè)備機(jī)械振動(dòng)或周圍環(huán)境噪聲可能在技術(shù)應(yīng)用中造成一定影響[10]。聲電聯(lián)合檢測(cè)示意圖如圖1所示。

圖1 聲電聯(lián)合檢測(cè)示意圖

通過(guò)綜合應(yīng)用上述兩種技術(shù)，即可在電力設(shè)備局放檢測(cè)過(guò)程中同時(shí)對(duì)超聲信號(hào)、UHF信號(hào)進(jìn)行分析，以此來(lái)對(duì)比判斷，可順利實(shí)現(xiàn)外部干擾的有效排除，開(kāi)展精確度更高的局放類型檢測(cè)。對(duì)于GIS設(shè)備局部放電來(lái)說(shuō)，采用聲電聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)需要在盆式絕緣子表面放置UHF傳感器，在GIS筒體外殼設(shè)置超聲傳感器，然后檢測(cè)儀器的主機(jī)部分負(fù)責(zé)處理傳感器反饋的局放信號(hào)，由此可實(shí)現(xiàn)局放定位分析、模式識(shí)別與絕緣水平診斷等功能。

1.2 故障案例介紹

某110kV變電站的某技術(shù)人員某天發(fā)現(xiàn)1號(hào)主變110 kV 2802開(kāi)關(guān)母線側(cè)靠近280221隔離刀閘的斷路器氣室和CT氣室附近斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)輕微“滋滋”異響，該技術(shù)人員憑借豐富的工作經(jīng)驗(yàn)判斷該處設(shè)備內(nèi)部可能是出現(xiàn)了因螺絲松動(dòng)引起的局部放電缺陷并立即上報(bào)，該單位立即組織技術(shù)人員開(kāi)展局部放電帶電檢測(cè)，考慮到故障點(diǎn)附近帶電設(shè)備情況復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)局部放電故障精確診斷與定位，決定采用特高頻檢測(cè)（UHF）和超聲波檢測(cè)（AE）的聲電聯(lián)合檢測(cè)法。

1.3 聲電聯(lián)合檢測(cè)流程

在聲電聯(lián)合檢測(cè)過(guò)程中，需首先排除可能存在的干擾源。其次，利用特高頻局放檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備周圍進(jìn)行局部放電信號(hào)的定性檢測(cè)，若檢測(cè)完成后未在設(shè)備周圍發(fā)現(xiàn)局部放電信號(hào)，則可以判斷出信號(hào)來(lái)源于GIS腔體內(nèi)部，此時(shí)需要在設(shè)備外殼上選幾個(gè)方便有利的位置布置UHF傳感器進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行故障的初步定位，然后根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)特征與局部放電典型圖譜進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)局放類型進(jìn)行判定，最終給出判定結(jié)果并完成數(shù)據(jù)的上傳和保存。接下來(lái)進(jìn)一步開(kāi)展超聲波局放檢測(cè)，將超聲波檢測(cè)范圍為20～100 kHz的壓電陶瓷傳感器置于GIS腔體外殼，然后不斷調(diào)整傳感器位置以尋找信號(hào)幅值最強(qiáng)點(diǎn)，通過(guò)比較分析超聲波信號(hào)幅值的方式鎖定局部放電故障源。需要注意的是，檢測(cè)前需要先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的背景信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，這一過(guò)程需保證測(cè)定方式的合理選擇，保證異常信號(hào)點(diǎn)不會(huì)在檢測(cè)過(guò)程中被遺漏。在發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)后，采用頻率或幅值分析的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)源定位，此外，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的交變電磁場(chǎng)、振動(dòng)等干擾因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度可能造成的影響也需要得到重視[11]。最后，在對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合分析判定后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)聲電聯(lián)合檢測(cè)流程圖

1.4 干擾信號(hào)處理

對(duì)于變電站GIS設(shè)備來(lái)說(shuō)，周邊設(shè)備電壓等級(jí)高，干擾信號(hào)紛亂復(fù)雜，而且干擾信號(hào)強(qiáng)度較大，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)問(wèn)題設(shè)備開(kāi)展聲電聯(lián)合檢測(cè)時(shí)對(duì)干擾信號(hào)很難識(shí)別。為了更好接收有效局部放電信號(hào)，首先就要采取一定措施消除干擾信號(hào)[12]。

本案例采取的措施是：運(yùn)用UHF傳感器和AE傳感器檢測(cè)目標(biāo)設(shè)備周圍設(shè)備及空氣中的背景噪聲，判斷背景干擾是否會(huì)對(duì)正常檢測(cè)造成影響，如果背景干擾信號(hào)幅值較大，則需采取措施盡最大可能降低外部干擾信號(hào)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。其中，UHF檢測(cè)法排除干擾信號(hào)的主要手段有屏蔽帶法、濾波器法、背景干擾屏蔽測(cè)量法。AE檢測(cè)方式排除干擾的手段是在要檢測(cè)的物體表面涂抹專用耦合劑并對(duì)傳感器施加壓力使其緊貼物體表面并保持靜止。

因此，為了排除干擾，提高有效信號(hào)信噪比，本次對(duì)故障GIS設(shè)備實(shí)施特高頻檢測(cè)時(shí)有針對(duì)性地采用了屏蔽帶，具體措施是采用屏蔽帶包將盆式絕緣子和特高頻傳感器完全包裹，令外部干擾信號(hào)無(wú)法進(jìn)入GIS設(shè)備內(nèi)部氣室和傳感器內(nèi)部。另外，由于大量試驗(yàn)結(jié)果顯示，變電站內(nèi)的電磁干擾信號(hào)頻率一般集中在300MHz以下，由此信號(hào)采集回路中串聯(lián)了300MHz及以上的高通濾波器進(jìn)一步濾除大部分的高頻段干擾信號(hào)，這樣即可有效屏蔽外部干擾信號(hào)。

該單位人員通過(guò)利用特高頻檢測(cè)儀器開(kāi)展帶電檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)靠近A、B、C三相隔離刀閘附近2202間隔氣室的盆式絕緣子位置時(shí)，特高頻PRPS圖譜有明顯的局部放電特征信號(hào)，另外對(duì)比采取消除干擾措施前后的特高頻PRPS圖譜可以發(fā)現(xiàn)，背景干擾信號(hào)在采取屏蔽措施后顯著降低，同時(shí)存在明顯增大的局部放電信號(hào)，如圖3所示。在對(duì)比不同距離下盆式絕緣子上的UHF傳感器采集到的信號(hào)幅值后，確定2202間隔氣室內(nèi)部為局部放電信號(hào)源頭。

圖3 采用屏蔽措施前后特高頻PRPS圖譜

通過(guò)分析可知，盆式絕緣子與UHF傳感器的距離越近，則存在越強(qiáng)的放電信號(hào)，這就說(shuō)明GIS設(shè)備內(nèi)部為前述局部放電信號(hào)的來(lái)源。結(jié)合上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)置屏蔽帶實(shí)現(xiàn)外界干擾減少后，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度開(kāi)展了針對(duì)性分析，通過(guò)改變盆式絕緣子與傳感器間的距離，可發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備內(nèi)部為放電信號(hào)源頭，放電信號(hào)并非來(lái)自外界干擾。

1.5 局放源位置分析

為實(shí)現(xiàn)GIS設(shè)備局部放電的定位，需采取針對(duì)性措施鎖定局放源的準(zhǔn)確位置，具體可從確定局部放電相入手。考慮到案例變電站采用分相式結(jié)構(gòu)的GIS設(shè)備，因此具體放電相的確定需綜合應(yīng)用聲電聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)。首先運(yùn)用超聲波檢測(cè)方式對(duì)局放源位置進(jìn)行大概定位，超聲波局部放電測(cè)試儀器采用挪威TransNorAs廠家的AIA-2型號(hào)。具體實(shí)踐措施是，依次分別在2202間隔A、B斷路器氣室和B、C斷路器氣室還有A、C斷路器氣室固定兩個(gè)超聲探頭，采用連續(xù)模式和時(shí)域模式對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行檢測(cè)，連續(xù)檢測(cè)模式和時(shí)域檢測(cè)模式下的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 GIS斷路器氣室超聲波連續(xù)模式測(cè)量結(jié)果

分析圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，相較于B相和C相的局放超聲波信號(hào)幅值，A相信號(hào)幅值明顯較大。同時(shí)由時(shí)域模式檢測(cè)結(jié)果得知，A相信號(hào)在時(shí)間上明顯超前于另外兩相信號(hào)。分析2202間隔A相、B相和C相圖譜可知，A相放電信號(hào)超前于B相信號(hào)23ms，超前于C相信號(hào)31ms。有針對(duì)性地對(duì)比檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，相較于2202間隔B相和C相點(diǎn)，A相信號(hào)明顯最強(qiáng)且時(shí)間上超前，因此可確定2202間隔A相為放電源位置。

圖5 GIS斷路器氣室超聲波時(shí)域模式檢測(cè)結(jié)果

為鎖定局放源位置，還需要設(shè)法確定放電氣室，由于盆式絕緣子將斷路器氣室與設(shè)備CT隔離，因此適合采用一對(duì)特高頻傳感器利用時(shí)間差法來(lái)定位放電氣室，檢測(cè)儀器采用北京博電新力電氣的PDU-600特高頻局放檢測(cè)儀，操作方法是在2202間隔A相具體選擇兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)A和B，分別是CT氣室與母線隔離刀閘間的盆式絕緣子，以及出線方向上斷路器對(duì)應(yīng)的第一個(gè)絕緣子，利用兩組特高頻傳感器探頭分別對(duì)選定的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行UHF周期圖譜檢測(cè)，其中選擇盆式絕緣子作為測(cè)試點(diǎn)的原因是防止GIS金屬殼體屏蔽局放產(chǎn)生的電磁波信號(hào)，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性。分析UHF周期圖譜可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)幾乎是同一時(shí)間出現(xiàn)第一束局部放電脈沖，都是在25ms附近，且幅值相差不大，如圖6所示。

圖6 2202間隔A相UHF周期模式檢測(cè)結(jié)果

結(jié)合兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)，可判斷兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)中間位置為放電點(diǎn)位，即CT氣室和斷路器的中間位置。在CT氣室和斷路器位置放置兩組超聲傳感器繼續(xù)進(jìn)行超聲波時(shí)域模式檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7 CT氣室和斷路器氣室超聲波時(shí)域模式檢測(cè)結(jié)果

對(duì)比測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相較于CT氣室的超聲信號(hào)，斷路器氣室信號(hào)明顯超前，同時(shí)存在更大的幅值，因此可確定斷路器氣室為放電源。然后進(jìn)行放電平面的確定，按照不同水平高度在斷路器外殼設(shè)置一組超聲波傳感器，選定斷路器氣室外殼的底部、上部、中部作為放電平面，測(cè)量結(jié)果如表1所示，結(jié)合超聲波時(shí)域檢測(cè)模式測(cè)量圖譜分析能夠發(fā)現(xiàn)，底部測(cè)試點(diǎn)信號(hào)幅值為12dB，相較于中部測(cè)試點(diǎn)幅值略高，而且信號(hào)在時(shí)間上略超前。相較于底部測(cè)試點(diǎn)，上部測(cè)試點(diǎn)存在明顯偏低的信號(hào)幅值且在時(shí)間上明顯滯后，最終可判定斷路器氣室底部位置為放電源。

表1 斷路器各放電平面局放超聲波信號(hào)幅值

1.6 故障原因分析及設(shè)備解體驗(yàn)證

進(jìn)一步開(kāi)展故障原因分析，結(jié)合上文分析可以發(fā)現(xiàn)，特高頻局部放電信號(hào)間歇性出現(xiàn)在2202間隔A相斷路器氣室內(nèi)置傳感器處，結(jié)合技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則，對(duì)比特高頻檢測(cè)局放典型圖譜和檢測(cè)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)結(jié)果波形存在穩(wěn)定較大的脈沖幅值和基本一致的放電時(shí)間間隔，同時(shí)存在無(wú)極性差異的正負(fù)半波檢測(cè)信號(hào)，具有相位對(duì)稱性且放電次數(shù)較少，符合常見(jiàn)局部放電類型中懸浮電位放電的特征，因此可判斷懸浮電位體放電（懸浮金屬體放電）為造成特高頻信號(hào)出現(xiàn)異常的原因。結(jié)合斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖開(kāi)展進(jìn)一步分析，并參考類似故障，可判斷導(dǎo)體與支撐絕緣筒連接處為故障位置，故障原因極有可能是緊固均壓環(huán)的螺栓松動(dòng)引發(fā)懸浮電位放電；基于上述判斷，同時(shí)參考SF6氣體濕度檢測(cè)、SF6氣體成分檢測(cè)等檢測(cè)結(jié)果，在針對(duì)性開(kāi)展設(shè)備停電解體后，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)斷路器氣室底部緊固均壓環(huán)的螺栓與墊片未緊密接觸，故障實(shí)際位置與上述分析判斷的誤差不超過(guò)5cM，故障部位如圖8所示。

圖8 均壓環(huán)緊固螺栓與墊片未緊密接觸故障

接下來(lái)開(kāi)展針對(duì)性的設(shè)備解體檢修，在相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果合格后投入運(yùn)行，之后針對(duì)性進(jìn)行帶電檢測(cè)，特高頻檢測(cè)未能在該間隔設(shè)備處發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)，可最終判定設(shè)備運(yùn)行正常，這說(shuō)明局放源位置能夠通過(guò)聲電聯(lián)合技術(shù)準(zhǔn)確鎖定，本文研究的GIS設(shè)備局部放電聯(lián)合檢測(cè)與定位具備較高實(shí)用性，能夠較好保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 結(jié)論

GIS設(shè)備局部放電聯(lián)合檢測(cè)與定位需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的聲電聯(lián)合檢測(cè)原理、聲電聯(lián)合檢測(cè)流程、干擾處理、局放源位置分析、故障原因分析及設(shè)備解體驗(yàn)證等內(nèi)容，則直觀展示了GIS設(shè)備局部放電聯(lián)合檢測(cè)與定位路徑。實(shí)際上，在應(yīng)用聲電聯(lián)合檢測(cè)的具體實(shí)踐中，還可能遇到異常信號(hào)檢測(cè)精確性不高、外界信號(hào)干擾、專家分析系統(tǒng)智能性不足、評(píng)估無(wú)法量化等問(wèn)題，這些問(wèn)題也需要設(shè)法解決，是未來(lái)的研究方向。