特高頻時差定位法在GIS局部放電檢測中的應(yīng)用

馬建濤，馮新巖，崔 勇，楊承龍，石秀巖

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250018）

0 引言

由于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS）設(shè)備具有體積小、占地面積少、易于安裝、受外界環(huán)境影響小、運行安全可靠、檢修周期長等特點，近來在全國范圍內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛［1］。為及時掌握GIS設(shè)備的健康狀況，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，對運行過程中的GIS設(shè)備進(jìn)行帶電檢測非常必要。據(jù)統(tǒng)計［2］，GIS設(shè)備故障中絕緣缺陷占57.3%，機(jī)械缺陷占18.1%，若能有效檢測出GIS設(shè)備內(nèi)部的缺陷，對GIS設(shè)備長期運行與電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行意義重大。大部分GIS絕緣缺陷在故障發(fā)生前產(chǎn)生局部放電，通過捕捉局部放電產(chǎn)生的信號，并對其進(jìn)行分析、判斷、定位，可及時處理相應(yīng)缺陷并成功阻止設(shè)備缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)大。GIS設(shè)備內(nèi)發(fā)生局部放電時，電流脈沖（上升沿為納秒級）能在內(nèi)部激勵高達(dá)數(shù)吉赫茲的電磁波［2-3］，該類電磁波信號可通過特高頻時差定位法進(jìn)行檢測。

GIS 設(shè)備帶電檢測手段很多［2，4－5］，目前國內(nèi)外最常用的局部放電檢測方法主要有兩種，分別是特高頻局部放電檢測和超聲波局部放電檢測。由于超聲波信號（本質(zhì)是機(jī)械波）具有快速衰減的特性，導(dǎo)致其現(xiàn)場檢測過程中檢測點密集，且檢測范圍小，定位只能通過幅值法來確定，對精確定位放電源位置有一定局限性［2］。特高頻局部放電檢測主要是檢測異常信號發(fā)出的電磁波信號，電磁波在GIS內(nèi)部導(dǎo)體傳輸近似等效為同軸傳輸模式［6-7］，因此其信號衰減較小，檢測范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，可減少檢測時間從而提高檢測效率，因此得到較快發(fā)展。特高頻時差定位技術(shù)是特高頻局部放電檢測技術(shù)的升級應(yīng)用，通過放置在GIS上不同檢測點上的兩個或多個傳感器，計算信號源到達(dá)不同傳感器間的時間差，從而精確定位放電源［2，7］。

1 特高頻局部放電檢測原理

局部放電過程由于其伴隨正負(fù)電荷的中和，會出現(xiàn)陡度較大的電流脈沖，并向周圍輻射電磁波［2］。當(dāng)局部放電在GIS內(nèi)部很小的范圍內(nèi)發(fā)生時，擊穿過程快，產(chǎn)生很陡的脈沖電流，其上升時間小于1 ns，并激發(fā)頻率高達(dá)數(shù)吉赫茲的電磁波，其行波不僅以橫電磁波（TEM）形式傳播，還以更高階橫電波（TE）即縱向磁場分量傳播和更高階的橫磁波（TM）即橫向電場分量傳播。由于電磁波導(dǎo)的不連續(xù)性，導(dǎo)致電磁波的傳播發(fā)生反射后會成駐波，部分分量方向改變，沿氣室間隔之間的盆式絕緣子縫隙傳出，可通過外置式特高頻傳感器進(jìn)行檢測。因此，時差定位法可通過放電源附近外置傳感器進(jìn)行信號檢測。GIS設(shè)備特高頻局部放電傳感器安裝形式及檢測原理如圖1所示。

圖1 GIS設(shè)備特高頻局部放電傳感器安裝形式及檢測原理

2 特高頻時差定位檢測法

對局部放電源的準(zhǔn)確定位能快速有效地方便缺陷元件查找及放電類型的診斷，提高檢修工作效率。特高頻時差定位法原理基于距離放電源最近的傳感器檢測到的時域信號最超前。時差定位法主要適用于采用高速數(shù)字示波器的帶電檢測裝置中，定位方法如圖2所示。將傳感器分別放置在GIS設(shè)備上2個相鄰的測點，通過計算放電檢測信號的時差，計算局部放電源位置。放電檢測波形如圖3所示。

圖2 GIS中局部放電源位置

圖3 示波器檢測波形

局部放電源具體位置計算公式為

式中：x為放電源距離左側(cè)傳感器的距離，m；L為圖2中兩個傳感器之間的距離，m；c為電磁波傳播速度，3×108m/s；Δt為 2 個傳感器檢測到的時域信號波頭之間的時差，s。

3 案例分析

對某變電站GIS設(shè)備進(jìn)行帶電檢測時，使用特高頻局部放電檢測儀發(fā)現(xiàn)其500 kV GIS 5021間隔內(nèi)存在幅值較小的異常特高頻放電信號，利用特高頻時差定位法定位放電源位于5021開關(guān)1號母線側(cè)支撐絕緣子。解體后，支撐絕緣子外觀上未發(fā)現(xiàn)異常，對更換下來的支撐絕緣子進(jìn)行X射線探傷時，發(fā)現(xiàn)支撐絕緣子內(nèi)部存在兩個明顯的氣泡。更換新的支撐絕緣子，恢復(fù)后復(fù)測，異常信號消失。

3.1 特高頻局部放電信號檢測

使用特高頻局部放電檢測儀發(fā)現(xiàn)某變電站500 kV GIS 5021間隔氣室內(nèi)部存在幅值較小的異常放電信號，特高頻示波器檢測信號如圖4。檢測信號具有周期性，周期為20 ms，脈沖數(shù)量較少，由此分析該缺陷類型為空隙放電。

圖4 示波器檢測波形及時差定位

3.2 局部放電信號時差定位

為了精確查找GIS內(nèi)部放電位置，使用特高頻時差定位系統(tǒng)對放電信號進(jìn)行放電源定位，將2個傳感器分別放在該氣室的兩側(cè)的盆式絕緣上，通過高速示波器檢測放電源到達(dá)各氣室的時刻，時差定位、檢測現(xiàn)場、GIS結(jié)構(gòu)示意分別如圖4～圖6所示。

通過圖4，圖5可知，傳感器1與傳感器2的時差為6.5 ns，2個內(nèi)置傳感器距離3 m，代入式（1），計算得放電源距傳感器1處1.1 m處，對照GIS尺寸結(jié)構(gòu)（圖6），此處正好對應(yīng)于開關(guān)支撐絕緣子處。

圖5 現(xiàn)場檢測

圖6 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

3.3 GIS解體檢查處理

解體后，外觀上未發(fā)現(xiàn)異常，對更換下來的支撐絕緣子進(jìn)行X射線探傷時，發(fā)現(xiàn)支撐絕緣子內(nèi)部存在2個明顯氣泡。X射線探傷及切割如圖7所示。對該支撐絕緣進(jìn)行更換，處理后進(jìn)行復(fù)測，異常信號消失。

4 結(jié)語

特高頻時差定位檢測法能有效排除干擾，準(zhǔn)確定位GIS設(shè)備內(nèi)部放電源位置，從而提高檢修效率，縮短檢修時間，減少檢修成本。

現(xiàn)場實際檢測中的放電譜圖與典型放電譜圖不完全一致，因此在實際診斷放電類型時，需分清各類放電譜圖的主要特征，并結(jié)合放電源位置等因素對放電缺陷類型進(jìn)行綜合分析、判斷。

某些絕緣類缺陷可由絕緣件澆筑過程中工藝缺陷引起，因此，對絕緣件的出廠需要嚴(yán)格按照試驗規(guī)程和流程，進(jìn)行百分之百檢查，從根本上杜絕異常設(shè)備或附件投入使用。