超聲波和特高頻在GIS局部放電檢測(cè)中的聯(lián)合應(yīng)用

謝耀恒，徐 波，段肖力，吳水鋒，孫利朋

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

超聲波和特高頻在GIS局部放電檢測(cè)中的聯(lián)合應(yīng)用

謝耀恒，徐 波，段肖力，吳水鋒，孫利朋

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

介紹了特高頻和超聲波在GIS缺陷檢測(cè)中的聯(lián)合診斷方法，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用該方法成功發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部局部放電缺陷，并采用時(shí)差法對(duì)放電源進(jìn)行定位，最終準(zhǔn)確找到并解體消除缺陷，避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該方法能有效地診斷出GIS內(nèi)部缺陷。

局部放電；超聲波；特高頻；帶電檢測(cè)；故障診斷

GIS(gas insulated switchgear)設(shè)備的安全運(yùn)行對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要，一旦發(fā)生故障，將引起大面積停電事故。由于GIS設(shè)備機(jī)構(gòu)的特殊性，其停電檢修時(shí)除需要投入大量的人力物力外，還需要較長(zhǎng)的維修時(shí)間，造成較大經(jīng)濟(jì)損失〔1〕。GIS在設(shè)備制造、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行等環(huán)節(jié)均可能產(chǎn)生設(shè)備安全隱患，造成絕緣缺陷。主要缺陷形式包括:固體絕緣件內(nèi)部放電、懸浮電位、尖端放電、自由微粒等。放電過程中會(huì)激發(fā)電磁波，并產(chǎn)生超聲波信號(hào)，高能量放電還會(huì)伴隨SF6氣體分解，產(chǎn)生相應(yīng)的化學(xué)產(chǎn)物。目前現(xiàn)場(chǎng)較多采用特高頻、超聲波、氣體分解物檢測(cè)技術(shù)對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行局部放電故障檢測(cè)和定位〔2-3〕。

文中結(jié)合某220 kV變電站GIS設(shè)備內(nèi)部缺陷檢測(cè)案例，介紹GIS局部放電缺陷超聲波和特高頻聯(lián)合檢測(cè)(以下簡(jiǎn)稱聲電聯(lián)合檢測(cè))、診斷和定位的方法及過程，并結(jié)合設(shè)備解體情況分析缺陷產(chǎn)生原因。

1 局部放電檢測(cè)方法

1.1 超聲波法

超聲波局部放電檢測(cè)法是利用壓電式傳感器，接收放電時(shí)產(chǎn)生的脈沖波，該方法可通過定位超聲波來源確定放電位置，且受周圍電磁干擾影響較小，但超聲波信號(hào)傳播途徑復(fù)雜，且容易受到其他振動(dòng)信號(hào)的干擾〔4-5〕。

1.2 特高頻法

特高頻檢測(cè)法是通過接收局部放電發(fā)生過程中輻射的特高頻電磁波實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電的有效檢測(cè)，檢測(cè)頻段一般為300 MHz～3 GHz，由于現(xiàn)場(chǎng)的電暈干擾主要集中在300 MHz頻段以下，因此特高頻法能有效地避開現(xiàn)場(chǎng)的電暈等干擾，常用于GIS、全封閉罐式斷路器、變壓器等設(shè)備的局放帶電檢測(cè)，但其定位精確度有限，需結(jié)合其他方法共同定位局放發(fā)生位置〔6-7〕。

1.3 聲電聯(lián)合檢測(cè)法

聲電聯(lián)合法是同時(shí)提取局放信號(hào)的特高頻信息和超聲信息，通過對(duì)兩種信號(hào)的對(duì)比分析，判斷信號(hào)是否具有一致性，能更加有效地排除現(xiàn)場(chǎng)干擾，提高缺陷類型識(shí)別的準(zhǔn)確性。

采取聲電聯(lián)合定位技術(shù)能將特高頻法快速定位和超聲法精確定位的特點(diǎn)有效結(jié)合，首先利用特高頻法初步定位放電發(fā)生位置，再通過測(cè)量不同位置超聲波的傳播時(shí)差，結(jié)合信號(hào)傳播路徑，計(jì)算局部放電發(fā)生位置，從而提高局部放電定位的準(zhǔn)確性。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)案例

對(duì)某220 kV變電站GIS設(shè)備進(jìn)行例行帶電檢測(cè)工作時(shí)，通過超聲波和特高頻檢測(cè)發(fā)現(xiàn)110 kV GIS 516間隔C相出線氣室內(nèi)存在內(nèi)部嚴(yán)重局部放電缺陷，并通過聲電聯(lián)合診斷及定位，定位故障點(diǎn)位于C相套管底座下部支撐絕緣子與導(dǎo)電桿連接處，放電類型為懸浮放電。幾天后解體檢查后，發(fā)現(xiàn)該516 C相出線氣室內(nèi)支撐絕緣子屏蔽罩與導(dǎo)電桿連接處等電位彈簧螺栓松動(dòng)，導(dǎo)電桿及屏蔽罩上有明顯燒傷痕跡，支撐絕緣子上布滿放電粉塵。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障部位處理后，恢復(fù)后復(fù)測(cè)無異常信號(hào)，避免了一起電網(wǎng)設(shè)備事故。

110 kV GIS 516間隔C相出線氣室和傳感器布置如圖1所示。采用超聲波法和特高頻法分別對(duì)516間隔C相出線氣室進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)到的超聲波和特高頻信號(hào)如圖2，3所示。

根據(jù)超聲波和特高頻檢測(cè)結(jié)果分析，超聲波連續(xù)圖譜100 Hz相關(guān)性明顯，相位圖譜1個(gè)工頻周期內(nèi)有兩簇波峰，特高頻圖譜1個(gè)工頻周期內(nèi)有2簇幅值等高信號(hào)，符合懸浮電位典型放電特征，由此可判斷516間隔C相出線氣室存在內(nèi)部局部放電缺陷，缺陷類型為懸浮電位放電。

圖1 出線間隔及檢測(cè)位置示意圖

圖2 超聲局放檢測(cè)圖譜

圖3 特高頻局放檢測(cè)圖譜

為了精確查找內(nèi)部放電位置，借助高速示波器采用超聲波和特高頻聯(lián)合定位技術(shù)對(duì)放電源進(jìn)行了定位。首先特高頻傳感器和超聲波傳感器布置如圖1所示，檢測(cè)到的信號(hào)如圖4所示。由圖4可知，特高頻和超聲均檢測(cè)到了局放信號(hào)，并且能一一對(duì)應(yīng)，說明兩者檢測(cè)到的為同一信號(hào)；另外，每10 ms出現(xiàn)了一次放電，特高頻信號(hào)間隔等寬、脈沖幅值幾乎相等，說明該信號(hào)為典型懸浮放電，通過原始時(shí)域波形分析也驗(yàn)證了之前的檢測(cè)結(jié)果。

圖4 多周期特高頻和超聲波時(shí)域波形圖

通過聲電聯(lián)合定位，將特高頻信號(hào)作為放電起始點(diǎn)，根據(jù)特高頻信號(hào)與超聲波信號(hào)間的時(shí)延差計(jì)算出放電源位置，由此可初步定位出放電源在套管附近。由于516間隔C相出線氣室沒有盆式絕緣子，進(jìn)一步精確定位采用兩個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行，布置示意圖如圖5所示，超聲時(shí)域信號(hào)波形如圖6所示(通道3-1號(hào)超聲傳感器、通道4-2號(hào)超聲傳感器)。通過多次移動(dòng)超聲傳感器根據(jù)兩個(gè)超聲波傳感器時(shí)延差定位，定位結(jié)果表明異常信號(hào)點(diǎn)位置在圖5中2號(hào)超聲傳感器附近，即支撐絕緣子屏蔽罩與導(dǎo)電桿連接處。

圖5 超聲定位傳感器布置

圖6 定位時(shí)域波形圖

3 設(shè)備解體檢查情況

對(duì)516出線間隔進(jìn)行解體檢查，根據(jù)超聲波定位結(jié)果，打開516間隔出線氣室C相側(cè)面蓋板，對(duì)GIS內(nèi)部進(jìn)行檢查，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)516 C相靠套管側(cè)水平導(dǎo)電桿與支撐絕緣子連接處有較多放電粉塵，對(duì)C相水平導(dǎo)電桿拆除發(fā)現(xiàn)，水平導(dǎo)電桿與屏蔽罩等電位螺栓彈簧已燒蝕。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)解體情況

4 原因分析及缺陷處理

516出線間隔內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。根據(jù)GIS帶電檢測(cè)及定位結(jié)果，并結(jié)合解體分析，判斷該缺陷原因?yàn)?導(dǎo)電桿與支撐絕緣子屏蔽罩通過連接螺栓彈簧等電位連接，由于516 GIS C相水平導(dǎo)電桿與支撐絕緣子屏蔽罩產(chǎn)生錯(cuò)位，導(dǎo)致導(dǎo)電桿與屏蔽罩等電位螺栓彈簧接觸不良，產(chǎn)生懸浮放電；放電導(dǎo)致螺栓彈簧燒蝕，屏蔽罩完全懸浮，隨后在導(dǎo)電桿離屏蔽罩距離較近處繼續(xù)產(chǎn)生懸浮放電，放電產(chǎn)生大量金屬粉塵。

圖8 GIS內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

更換損壞的螺栓，對(duì)導(dǎo)電桿表面進(jìn)行處理，徹底清理放電形成的粉塵，對(duì)氣室氮洗抽真空后注入合格SF6氣體，靜止24 h后進(jìn)行SF6氣體微水及分解產(chǎn)物、交流耐壓、回路電阻試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后投入運(yùn)行，運(yùn)行后再次對(duì)該間隔進(jìn)行GIS超聲波及超高頻局放檢測(cè)，無異常。

5 結(jié)語

1)特高頻和超聲波法兩種帶電檢測(cè)技術(shù)聯(lián)合檢測(cè)，可有效發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部潛伏性缺陷，提高缺陷診出率，并可根據(jù)特高頻和超聲波實(shí)現(xiàn)缺陷定位，為GIS檢修提供重要參考。

2)故障診斷應(yīng)充分結(jié)合帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)、停電試驗(yàn)等多種方式，必要時(shí)通過解體檢查來查找故障部位，分析故障原因，避免遺漏設(shè)備可能存在的缺陷。

3)懸浮電位缺陷本身發(fā)生事故的概率較小，但在本次事件中，懸浮電位放電強(qiáng)度較大，可能會(huì)產(chǎn)生金屬粉塵導(dǎo)致閃絡(luò)擊穿、金屬部件如屏蔽罩接觸不良(或松動(dòng))可能導(dǎo)致金屬部件脫落等引發(fā)事故風(fēng)險(xiǎn)。

4)GIS設(shè)備出廠及交接試驗(yàn)不一定能發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱藏的缺陷。設(shè)備投運(yùn)后，設(shè)備狀態(tài)可能發(fā)生較大變化，因此在設(shè)備投運(yùn)后應(yīng)加強(qiáng)帶電檢測(cè)。

〔1〕唐炬，魏鋼，侍海軍，等.氣體絕緣組合電器局部放電的超高頻檢測(cè)〔J〕.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，27 (4):1-5.

〔2〕司文榮，李軍浩，袁鵬，等.氣體絕緣組合電器多局部放電源的檢測(cè)與識(shí)別〔J〕.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(16): 119-126.

〔3〕李立學(xué)，滕樂天，黃成軍，等.GIS局部放電超高頻信號(hào)的包絡(luò)分析與缺陷識(shí)別〔J〕.高電壓技術(shù)，2009.35(2):260-265.

〔4〕司文榮，黃華，傅晨釗，等.超聲檢測(cè)進(jìn)行氣體絕緣組合電器典型絕緣缺陷識(shí)別〔J〕.高壓電器，2011，47(12): 11-18.

〔5〕黎大健，梁基重，步科偉，等.GIS中典型缺陷局部放電的超聲波檢測(cè)〔J〕.高壓電器，2009，45(1):72-75.

〔6〕李忠，陳杰華，胡迪軍，等.基于超高頻檢測(cè)技術(shù)研究GIS中的局部放電〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(1):41-44.

〔7〕錢勇，黃成軍，江秀臣，等.基于超高頻法的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀及展望〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(1): 40-43.

Combined application of ultrasonic and ultra high frequency techniques in the partial discharge detection of gas insulated switchgear

XIE Yaoheng，XU Bo，DUAN Xiaoli，WU Shuifeng，SUN Lipeng
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，Hunan，China)

The combined diagnostic method for partial discharge(PD)detection of gas insulated switchgear(GIS)is presented in this paper.The inner fault of GIS was found by the combined diagnostic method，the discharge power was located by the time difference method，and the potential defect is eliminated in the end to prevent serious accidents.The live application shows that the method presented in the paper can diagnose the defects in GIS more successfully.

partial discharge(PD)；ultrasonic wave；ultra high frequency(UHF)；live detection；fault diagnosis

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0063-03

謝耀恒(1985)，男，博士，工程師，主要從事電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)和診斷技術(shù)研究工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.016

2015-12-29 改回日期:2016-02-24