GIS設(shè)備超聲波局放信號(hào)異常的分析

徐 華，顧文濤，沈中元

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

全封閉組合電器GIS具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。對(duì)浙江電網(wǎng)最近12年的近20起GIS設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)分析表明，絕緣故障占60%。實(shí)踐證明，開展局部放電（簡(jiǎn)稱局放）檢測(cè)可以有效避免GIS事故的發(fā)生，GIS設(shè)備的局放既是內(nèi)部絕緣故障的先兆，也是絕緣故障的典型表現(xiàn)。

1 超聲波和特高頻局放測(cè)量技術(shù)

1.1 超聲波局放測(cè)量技術(shù)

當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，由于分子的劇烈撞擊、氣泡的形成和發(fā)展、顆粒的跳動(dòng)以及固體材料的微小振動(dòng)，會(huì)發(fā)出幾十至幾百千赫茲的瞬態(tài)高頻超聲波，信號(hào)波長(zhǎng)較短，方向性較強(qiáng)，能量較為集中。超聲波向四周傳播時(shí)，經(jīng)過氣體介質(zhì)和金屬殼體后到達(dá)電氣設(shè)備容器的表面。超聲波局放檢測(cè)就是將傳感器貼于設(shè)備表面，傾聽與捕捉由設(shè)備內(nèi)部故障如局放、部件松動(dòng)、電弧與過熱等產(chǎn)生的瞬態(tài)超聲脈沖信號(hào)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚缦辔惶卣髯R(shí)別與定位等，以此來判別故障狀態(tài)。圖1為超聲波檢測(cè)GIS設(shè)備局放信號(hào)的原理圖示。

圖1 超聲波檢測(cè)局部放電的原理圖示

超聲波測(cè)量技術(shù)有以下特點(diǎn)：

（1）抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)頻帶一般取10～100 kHz。

（2）容易實(shí)現(xiàn)局部放電定位[2]。

（3）能根據(jù)超聲信號(hào)的波形特征、頻譜特征和傳播衰減特征等進(jìn)行故障診斷[3]。超聲波信號(hào)在SF6氣體中的傳播速度約為140 m/s，在鋼板中的傳播速度約為6000 m/s。

（4）GIS體外傳感儀器簡(jiǎn)單，使用方便安全。

（5）超聲信號(hào)衰減明顯，在SF6中為26 dB/m，在空氣中為0.9 dB/m。

超聲波診斷的最大靈敏度約30 kHz，在10～100 kHz范圍內(nèi)也相對(duì)靈敏。超聲波傳感器固定方式如圖2所示，先將松緊帶穿過固定塊兩端的固定環(huán)，松套在GIS的外殼上，然后把聲發(fā)射傳感器放在固定塊下面，在傳感器和外殼之間涂抹耦合劑，再收緊松緊帶。一般每隔1 m設(shè)1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)宜選殼體的底部。

圖2 超聲波傳感器固定方式

目前，超聲波測(cè)量技術(shù)在運(yùn)用中的難點(diǎn)是信號(hào)的標(biāo)定，即難以對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行有效評(píng)估。

1.2 特高頻局放測(cè)量技術(shù)

GIS局部放電特高頻（以下簡(jiǎn)稱UHF）信號(hào)傳感由英國(guó)學(xué)者首先提出和研究，在檢測(cè)靈敏度和抗干擾能力方面顯示了良好的特性。GIS內(nèi)有局放發(fā)生時(shí)，會(huì)伴隨1個(gè)很陡的電流脈沖（上升時(shí)間小于1 ns），并在GIS腔體內(nèi)激勵(lì)出頻率高達(dá)數(shù)吉赫茲的電磁波。UHF測(cè)量就是利用UHF傳感器來檢測(cè)該電磁波信號(hào)。UHF檢測(cè)GIS設(shè)備局部放電的原理如圖3所示。

圖3 UHF檢測(cè)局部放電原理

UHF測(cè)量技術(shù)有以下特點(diǎn)：

（1）避開了電網(wǎng)中主要的電磁干擾頻段（主要集中在300 MHz以下），具有良好的抗電磁干擾能力[3]，檢測(cè)頻帶為 300～1500 MHz。

（2）對(duì)GIS的各種放電性缺陷均有較高的靈敏度，但不能發(fā)現(xiàn)墊圈松動(dòng)、粉塵飛舞等非放電性缺陷。

（3）根據(jù)電磁波信號(hào)的衰減和時(shí)差，可進(jìn)行局放定位[4]。

（4）根據(jù)放電脈沖的波形特征和UHF信號(hào)的頻譜特征，可進(jìn)行故障診斷。

（5）信號(hào)傳播衰減較小，絕緣屏障會(huì)造成約2 dB的信號(hào)衰減，轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)會(huì)造成約6 dB的信號(hào)分散。

目前，UHF測(cè)量技術(shù)在運(yùn)用中面臨的難點(diǎn)是視在放電量的標(biāo)定問題，即難以對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行有效評(píng)估。

2 缺陷情況介紹

在對(duì)某126kV GIS進(jìn)行帶電檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某線路隔離開關(guān)及接地開關(guān)氣室附近內(nèi)部有異聲，但聲音較小。使用超聲波檢測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其它氣室的超聲波信號(hào)有效值都與背景值相近，約0.32mV，沒有50 Hz和100 Hz的相關(guān)性信息，但該線路隔離開關(guān)及接地開關(guān)氣室的信號(hào)有效值偏大，約為3.57mV，50 Hz相關(guān)性不明顯，而100 Hz相關(guān)性則較明顯。改變帶通濾波器的上限頻率至20～100 kHz，信號(hào)基本無變化；使用特高頻局放技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，在該氣室附近的檢測(cè)點(diǎn)均未檢測(cè)到局放信號(hào)；使用SF6分解物測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，也未測(cè)到SO2和H2S信號(hào)。

3 原因分析

為查找缺陷部位，使用網(wǎng)格法對(duì)超聲波信號(hào)偏大的氣室及相鄰氣室的殼體表面進(jìn)行劃分，如圖4所示，在每個(gè)網(wǎng)格處測(cè)量超聲波信號(hào)。在殼體的另一側(cè)、上側(cè)和下側(cè)也使用同樣的方法進(jìn)行劃分，但測(cè)得的數(shù)據(jù)相對(duì)偏小。各點(diǎn)的超聲波有效值測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，根據(jù)測(cè)試結(jié)果、結(jié)構(gòu)布置和內(nèi)部異聲可得到以下結(jié)論：

（1）電流互感器、電壓互感器、避雷器氣室的超聲波信號(hào)均較隔離開關(guān)及接地開關(guān)氣室的信號(hào)小，說明缺陷在隔離開關(guān)及接地開關(guān)氣室內(nèi)。

圖4 隔離開關(guān)氣室殼體的網(wǎng)格劃分及編號(hào)

表1 各網(wǎng)格處測(cè)量的超聲波信號(hào)有效值 mV

（2）超聲波信號(hào)在隔離開關(guān)及接地開關(guān)氣室較大范圍內(nèi)存在，說明缺陷位于中心導(dǎo)體上。

（3）28，29號(hào)網(wǎng)格的超聲波信號(hào)有效值較其它網(wǎng)格大，說明缺陷位于28，29號(hào)網(wǎng)格附近。

（4）結(jié)合三相導(dǎo)體的內(nèi)部布置，可以確定較大的超聲波信號(hào)來自于B相導(dǎo)體。

（5）內(nèi)部異聲的原因可能是B相導(dǎo)體的某個(gè)部件松動(dòng)，在內(nèi)部電場(chǎng)作用下發(fā)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生了幅值較大的超聲波信號(hào)。

4 解體檢查

設(shè)備停運(yùn)解體后，發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)及接地開關(guān)氣室B相靠近盆式絕緣子的導(dǎo)體屏蔽罩有輕微松動(dòng)，屬于產(chǎn)品本身的固有缺陷，設(shè)備生產(chǎn)廠家在后期產(chǎn)品中已停用該型號(hào)屏蔽罩。更換屏蔽罩后，重新進(jìn)行超聲波局放測(cè)試，隔離開關(guān)氣室及附近氣室的超聲波缺陷信號(hào)均消失，輕微異聲也同時(shí)消失。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于較小的局放信號(hào)，難以用化學(xué)分解物測(cè)試來檢測(cè)相關(guān)分解物。

（2）利用超聲波檢測(cè)儀器發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)時(shí)，可使用網(wǎng)格法對(duì)缺陷氣室外殼進(jìn)行劃分測(cè)量，找到信號(hào)幅值最大點(diǎn)，再根據(jù)幅值及信號(hào)與50 Hz和100 Hz的相關(guān)性進(jìn)行初步分析，從而確定缺陷的具體位置。

（3）對(duì)因部件松動(dòng)引起的較小的局放信號(hào)，特高頻法檢測(cè)不夠靈敏。

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