基于特高頻法的500 kV GIS帶電檢測

葛志成，田世杰，范繼偉，黃 濤，董洪達(dá)，張賽鵬

(1．國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130012;2．國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130012;3．大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，長春 130012)

氣體絕緣組合電器(GIS)因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地少、等優(yōu)點(diǎn)，逐漸開始取代傳統(tǒng)的高壓電裝置。GIS在生產(chǎn)過程中工藝不良或安裝過程人為疏忽都會導(dǎo)致存在一定的缺陷，在高電壓下會引起局部放電(以下簡稱局放)等故障。特高頻(UHF)檢測法具有檢測靈敏度高、現(xiàn)場抗干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)局放在線定位等優(yōu)勢，被廣泛用于診斷局放產(chǎn)生的各類缺陷。GIS局放常伴有發(fā)聲、發(fā)光、機(jī)械波、電脈沖、SF6氣體化學(xué)變化等現(xiàn)象［1］。針對局放產(chǎn)生的聲、光、電、化學(xué)效應(yīng)，可采用聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)等方法來檢測。本文主要介紹用特高頻法帶電檢測GIS設(shè)備。

1 局放檢測特高頻法基本原理及應(yīng)用

局放檢測特高頻法基本原理:通過特高頻傳感器對局放時產(chǎn)生的300 MHz≤f≤3 GHz特高頻電磁信號(f為電磁信號頻率)進(jìn)行檢測。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況的不同，可以采用內(nèi)置式傳感器和外置式傳感器［2］。

正常運(yùn)行的GIS內(nèi)充有高壓SF6氣體，其絕緣強(qiáng)度和擊穿場強(qiáng)都很高。當(dāng)局放在很小范圍內(nèi)發(fā)生時，氣體擊穿過程很快，將產(chǎn)生持續(xù)時間為納秒級的脈沖電流，同時向四周輻射出0．3～3 GHz的電磁波［3］，應(yīng)用此電磁信號進(jìn)行局放檢測。

2 實(shí)例分析

2．1 帶電檢測設(shè)備局放情況

某500 kV變電站特高頻局放帶電檢測，采用PDS-T90對5012間隔C相1號母線側(cè)盆式絕緣子、2號母線側(cè)盆式絕緣子、50122隔離開關(guān)氣室上部盆式絕緣子檢測，查出特高頻局放信號。

特高頻信號異常間隔實(shí)物圖見圖1，其中測點(diǎn)①為1號母線側(cè)盆式絕緣子;測點(diǎn)②為2號母線側(cè)盆式絕緣子;測點(diǎn)③為50122隔離開關(guān)氣室上部盆式絕緣子。背景噪聲及1號盆式絕緣子、2號盆式絕緣子、3號盆式絕緣子處測得的特高頻信號見圖2至圖5。

從圖2可以看出，背景噪聲信號主要為白噪聲，幅值及相位分布較為均勻;而從圖3到圖5可以看出:各盆式絕緣子處信號具有明顯的相位分布特征，即正負(fù)半周各有一簇幅值較大的信號，符合局放信號特征，其中:PAPS為脈沖序列相位分布譜圖，PRPD為局放相位分布譜圖。

檢測發(fā)現(xiàn)，越靠近3號盆式絕緣子，信號幅值越大。局放信號在工頻相位正負(fù)半周均出現(xiàn)，且具有一定對稱性，放電次數(shù)較少，相位模式圖譜未有較為連續(xù)的包絡(luò)線，疑似為空穴或沿面放電。

圖1 某500 kV變電站間隔測點(diǎn)示意

圖2 背景噪聲

圖3 測點(diǎn)1的信號

2．2 缺陷的定位

采用特高頻信號時差法對缺陷部位進(jìn)行定位，通過改變傳感器的檢測位置逐漸縮小定位范圍。

現(xiàn)場傳感器放置位置(中線、上線、下線分別代表一個傳感器)及局放信號波形見圖6，中線傳感器放置在套管下方盆式絕緣子上，上線傳感器放置在斷路器氣室左側(cè)盆式絕緣子上，下線傳感器放置在斷路器右側(cè)盆式絕緣子上。

圖4 測點(diǎn)2的信號

圖5 測點(diǎn)3的信號

由局放信號波形可知，信號最先到達(dá)中線傳感器，其次為上線傳感器，最后為下線傳感器，中線傳感器信號上升沿超上線傳感器約3．5 ns(電磁波可傳播約1．05 m)，中線、上線兩傳感器間實(shí)際距離為1．7 m，計(jì)算可知信號源位于中線和上線傳感器之間，且在中線傳感器下方約0．33 m。

圖6 定位檢測傳感器位置及局放信號波形

2．3 缺陷氣室解體

打開缺陷氣室，該支撐絕緣子在澆鑄時低壓側(cè)內(nèi)嵌12根金屬螺桿，以便絕緣子與外殼金屬法蘭連接，金屬螺桿端部為半球形，在絕緣件斷裂面，對應(yīng)金屬螺桿端部有12個半球形凹槽，現(xiàn)場可見每個凹槽內(nèi)均有放電痕跡，見圖7。部分凹槽放電較為嚴(yán)重，環(huán)氧樹脂材料被燒焦。解體后的缺陷為隔離開關(guān)靜觸頭支撐絕緣子內(nèi)部螺栓端部空穴放電，與帶電檢測結(jié)果基本一致。

2．4 缺陷分析

分析認(rèn)為，支撐絕緣子螺栓端部凹槽放電的原因?yàn)槎瞬看嬖诳昭ǎ鶕?jù)電磁場理論，均勻電場中不同電介質(zhì)的電場強(qiáng)度分布滿足以下條件:

式中:ε1、ε2為兩種電介質(zhì)的介電常數(shù);E1、E2為兩種電介質(zhì)中的電場強(qiáng)度。

圖7 凹槽內(nèi)放電痕跡

當(dāng)支撐絕緣子中存在空穴時，由于空氣(空穴)的介電常數(shù)要小于環(huán)氧樹脂(支撐絕緣子)，因此空氣中的電場強(qiáng)度要高于環(huán)氧樹脂，而空氣的擊穿場強(qiáng)卻遠(yuǎn)小于環(huán)氧樹脂，因此空穴極易發(fā)生擊穿，從而產(chǎn)生局放。空穴中的放電會加速絕緣子的老化開裂，造成絕緣子機(jī)械強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致絕緣子的斷裂。空穴的形成與絕緣子斷裂互為因果關(guān)系，絕緣子內(nèi)部裂紋會導(dǎo)致空穴形成，空穴中放電的老化效應(yīng)又會加速絕緣子開裂。

3 結(jié)論

特高頻法有利于絕緣缺陷的類型識別。不同類型絕緣缺陷局放產(chǎn)生的特高頻信號具有不同的頻譜特征。特高頻法可以快速精確地判定空穴放電缺陷位置，為制定GIS設(shè)備的維修計(jì)劃、提高檢修工作效率提供了有力的支持。