GIS設備超聲波局部放電檢測技術的應用

張 月，王慶洪，關澤磊，梅興東，高 明

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院；3.鞍鋼股份能源環保部，遼寧鞍山 114009）

引言

氣體絕緣開關設備（GIS）是現代電力系統中廣泛應用的一種關鍵設備，該設備將變電站中的電流互感器、電壓互感器、隔離開關、斷路器、接地開關、母線、套管等設備全部封閉在金屬接地的筒狀殼體中，在筒體中充入具有高絕緣性能的SF6氣體［1］。GIS 設備因結構緊湊、占地面積小、防灰塵、維護工作量小等優點在電力系統中得到了廣泛應用［2］。但GIS 設備為純密封性結構，因此，難以如傳統敞開式設備一樣開展各項預防性試驗，及時發現潛在問題。GIS 設備結構復雜，工作場強很高，內部一旦出現絕緣問題，極易造成設備故障，引起大面積停電。針對上述問題，采用超聲波法局部放電帶電檢測技術可有效診斷GIS設備的潛在問題，消除故障，避免事故，對電網安全運行具有非常重要的意義。

1 檢測原理

GIS 組合電器設備內部發生局部放電時，放電點周圍的電場應力、介質應力、粒子力將失去平衡，分子間劇烈碰撞并在宏觀上瞬間形成一種壓力，產生超聲波脈沖，由于超聲波的波長較短，方向性較強，因此能量較為集中［3］。GIS組合電器超聲波局部放電檢測法是利用超聲波傳感器對GIS中發生局部放電時產生的超聲波信號進行檢測，通過檢測到的超聲波信號來診斷GIS內部局部放電缺陷。超聲波局部放電檢測法具有抗電磁干擾影響、定位方便、檢測結果直觀等優點。

2 檢測流程

2.1 準備工作

GIS 設備外殼應可靠接地，被檢設備處于運行狀態，設備上應無外部作業，金屬外殼清潔、無覆冰，設備內部氣體壓力正常。檢查儀器設備、工器具完整性，保證儀器電量充足。按要求連接好超聲波傳感器、檢測儀器主機等各部件。檢測前應記錄檢測相關信息，同時記錄好測試環境信息。

2.2 檢測流程

GIS 組合電器設備超聲波法局放帶電檢測流程見圖1。

圖1 GIS組合電器設備超聲波法局放帶電檢測流程圖

（1）先將超聲波傳感器懸浮于空氣中，調節儀器到合適的量程，測量并記錄空間背景噪聲值，保存背景噪聲圖譜。

（2）在傳感器與測點部位間均勻涂抹專用耦合劑，放置超聲波傳感器并適當施加壓力，以盡可能減小檢測信號的衰減，測量時傳感器應與GIS 殼體保持相對靜止。

（3）打開連接超聲波傳感器的檢測通道進行測試，每個測點測試時間不少于15 s。記錄有效值、峰值、50 Hz 和100 Hz 相關性等測試數據，保存圖譜圖片，并記錄圖譜編號。

（4）如檢測到的超聲波信號與背景信號一致，則判斷為正常，退出并改變檢測位置繼續下一點檢測。

（5）當檢測信號與背景信號相差較大，首先要排除外部可能存在的超聲波干擾源，如GIS 室內風機噪聲、電動機噪聲、環境內的施工作業噪聲等，并采取必要措施予以排除。

（6）將異常部位的檢測信號和相鄰區域信號進行比較，確定是否有明顯異常。如其他部位均存在異常信號可認為是干擾信號，反之，則為局放信號。

（7）當確定是局放信號時，在連續檢測模式下，檢測到峰值或有效值較大，而50 Hz 和100 Hz 頻率不明顯時，進入脈沖檢測模式進行確認。如存在明顯50 Hz 或100 Hz 頻率成分時，可進入相位檢測模式進一步分析異常。

（8）檢測完成后，測試儀器對檢測信號相應檢測模式下的圖譜進行保存。

3 應用實例

3.1 檢測對象

使用上海某公司絕緣狀態檢測儀對66 kV 變電站母線及母聯GIS組合電器進行超聲波局放帶電檢測。GIS 設備三相共筒，為戶內布置，現場檢測環境溫度為21 ℃，濕度為40%。

3.2 檢測數據

對66 kV 變電站母線及母聯組合電器進行超聲波局部放電檢測。先將超聲波傳感器懸浮于空氣中，測量空間背景噪聲值，記錄具體數值，保存背景噪聲圖譜。在變電站Ⅰ母、Ⅱ母組合電器上均設置4 個測試點，檢測點所測超聲波信號的周期峰值、有效值、50 Hz 相關值、100 Hz 相關值檢測數據見表1。

表1 66 kV變電站母線及母聯GIS組合電器超聲波檢測數據表 mV

由表1 可知，Ⅰ母線測點3 信號幅值最大，測點3 檢測的連續檢測圖譜和相位檢測圖譜見圖2、圖3。

圖2 Ⅰ母測點3超聲波連續檢測圖譜

圖3 Ⅰ母測點3超聲波相位檢測圖譜

3.3 故障診斷

根據圖2超聲波連續檢測圖譜分析，Ⅰ母測點3超聲波信號幅值11.1 mV，遠高于背景值0.53 mV，頻率成分1（50 Hz）及頻率成分2（100 Hz）相關值明顯，且頻率成分2 相關值>頻率成分1 相關值。經超聲波相位檢測圖譜確認，Ⅰ母測點3 超聲波檢測信號在0～360°相位特征明顯，正負半周出現雙峰特點，且幅值相當。連續復測三次，異常信號仍然存在，相位特征、幅值無明顯變化。綜合超聲波連續檢測圖譜和相位檢測圖譜，初步判斷測點3 附近的母線氣室存在懸浮放電。對該GIS母線氣室進行解體檢查，發現Ⅰ母測點3 氣室支撐絕緣件附近有片狀燒蝕痕跡，經分析應是由于母線氣室B 相支撐絕緣件松動，引起懸浮放電，將金屬部件燒蝕，如繼續長期運行下去，極易導致絕緣擊穿故障。更換缺陷部件，對異常信號部位進行復測，超聲信號有效值0.3 mV，峰值0.5 mV，無相位相關性，據此可判斷內部局放信號消失，設備運行恢復正常。母線氣室放電痕跡見圖4。

圖4 母線氣室放電痕跡

4 結論

超聲波局放帶電檢測是新型的帶電檢測技術，與傳統的電力預防性試驗檢測相比，具有無需停電、靈活性強、試驗時間短等諸多優點，更適合長流程鋼廠。其能夠及時發現GIS 設備潛在缺陷，在局部放電發展為絕緣擊穿之前，開展檢修消缺工作，可有效地解決GIS設備在無法拆卸情況下內部故障排查的難題，避免發生重大、突發停電事故，延長GIS 設備使用壽命，確保供電系統的安全穩定運行，對于提高電網運行效率具有十分重要的意義。