局部放電檢測技術(shù)在海洋石油設(shè)施上的推廣應(yīng)用

摘要：首先根據(jù)國內(nèi)海洋石油采掘業(yè)電氣設(shè)備維保的發(fā)展要求并結(jié)合陸地國家電網(wǎng)公司相關(guān)試行標(biāo)準(zhǔn)，基于帶電檢測的物理機(jī)理，介紹了幾種不同于傳統(tǒng)電氣設(shè)備常規(guī)檢測方法的帶電檢測方法。接著對(duì)這些方法的基本原理進(jìn)行闡述，并分析了其各自的特點(diǎn)及在海洋油氣設(shè)施上的應(yīng)用情況，結(jié)合對(duì)實(shí)際檢測案例結(jié)果的橫向?qū)Ρ龋偨Y(jié)了該類帶電檢測方法在海洋石油設(shè)施上應(yīng)用的一些特點(diǎn)及注意事項(xiàng)。最后結(jié)合傳統(tǒng)電氣設(shè)備檢測方法，總結(jié)了提高海洋石油設(shè)施電氣設(shè)備缺陷檢測水平并發(fā)揮其最大經(jīng)濟(jì)效益，提高人員檢測技能與素質(zhì)的意義。

關(guān)鍵詞：局部放電;超高頻法;超聲法;暫態(tài)地電壓法;紅外熱成像

0? ? 引言

隨著海洋油氣設(shè)施規(guī)模的整合與擴(kuò)大，其復(fù)雜程度也越來越大。經(jīng)濟(jì)效應(yīng)對(duì)生產(chǎn)連續(xù)性及設(shè)備低故障率的要求越來越高。傳統(tǒng)的設(shè)備定期檢修、被動(dòng)檢修模式已經(jīng)越來越不適應(yīng)生產(chǎn)形勢的要求，帶來的弊病也越來越多，表現(xiàn)如下：設(shè)備檢修盲目性大，普遍存在過修、失修現(xiàn)象，設(shè)施壯大對(duì)檢修人員數(shù)量與質(zhì)量及定期安排的挑戰(zhàn)增大，檢修模式跟不上裝備水平的進(jìn)步。要有效克服上述弊端，適應(yīng)新形勢的要求，勢必需要改變思維觀念，尋求更先進(jìn)有效的辦法來解決問題。

基于形勢與要求，我們參考了國家電網(wǎng)公司2010年制訂的《電力設(shè)備帶電檢測技術(shù)規(guī)范（試行）》，并結(jié)合該規(guī)范里提到的區(qū)別于傳統(tǒng)的帶電檢測方法，精心對(duì)該規(guī)范涉及的幾種新檢測方法的技術(shù)原理進(jìn)行了剖析與了解，同時(shí)組織相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際操作，取得了很好的效果。

該規(guī)范提到的區(qū)別于傳統(tǒng)的帶電檢測方法大致有如下幾種：高頻或超高頻局部放電檢測法、紅外熱像法、超聲波信號(hào)檢測、暫態(tài)地電壓檢測。

當(dāng)外加電壓在電氣設(shè)備中產(chǎn)生的場強(qiáng)足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但在放電區(qū)域內(nèi)未形成固定放電通道的放電現(xiàn)象稱為局部放電。局部放電檢測技術(shù)正是基于電氣設(shè)備的絕緣處在不佳狀態(tài)時(shí)會(huì)表現(xiàn)出區(qū)別于正常時(shí)的不同細(xì)微物理變化，通過對(duì)這些物理信號(hào)的捕捉與鎖定而確定其存在故障隱患，它是在設(shè)備還未真正發(fā)生故障前進(jìn)行檢測，因而有效性及經(jīng)濟(jì)效果非常明顯。

設(shè)備因?yàn)檫\(yùn)行過電壓、雷電波沖擊、諧波畸變、設(shè)備所使用的絕緣材料不均勻或內(nèi)部存在空洞與雜質(zhì)、導(dǎo)體表面存在凸出部分、絕緣強(qiáng)度不足及所處環(huán)境潮濕過熱等原因，一旦介質(zhì)內(nèi)部或表面處于強(qiáng)電場情況下就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這是導(dǎo)致電氣設(shè)備產(chǎn)生放電的因素。

局部放電現(xiàn)象是一種脈沖形式的放電，它會(huì)在電力設(shè)備內(nèi)部和周圍空間產(chǎn)生一系列的聲、光、電、氣和機(jī)械振動(dòng)等物理現(xiàn)象和化學(xué)變化，在產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象的同時(shí)會(huì)為監(jiān)測電力設(shè)備內(nèi)部絕緣狀態(tài)提供檢測信號(hào)。

1? ? 高頻與超高頻局部放電檢測

高頻局部放電檢測技術(shù)是指對(duì)頻率介于3～30 MHz的局部放電信號(hào)進(jìn)行采集、分析、判斷的一種檢測方法。超高頻檢測技術(shù)是指對(duì)頻率介于300～3 000 MHz的局部放電信號(hào)進(jìn)行采集、分析、判斷的一種檢測方法。二者的區(qū)別在于針對(duì)不同類型的電氣設(shè)備在產(chǎn)生局部放電時(shí)發(fā)出不同波段的電磁脈沖而進(jìn)行有選擇性的取舍使用，現(xiàn)在陸地電網(wǎng)的實(shí)際檢測中已經(jīng)形成針對(duì)不同類型的設(shè)備相對(duì)固定的檢測方法，而且隨著檢測儀器的功能及標(biāo)準(zhǔn)的完善，均已形成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的檢測措施。

（1）超高頻局部放電檢測技術(shù)依據(jù)的原理主要是通過分置在不同設(shè)備部位的傳感器采集放電信號(hào)，采用專用軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行過濾與計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果自動(dòng)保存并進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)放電信號(hào)的存在。典型設(shè)計(jì)是將一個(gè)50 Hz周期分成64個(gè)檢測時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段的長度約為312 μs（圖1）。在每一個(gè)檢測時(shí)間段，檢測儀的超高頻信號(hào)峰值俘獲電路都將本時(shí)間段內(nèi)振幅最強(qiáng)的光電采集信號(hào)峰值保存起來，并對(duì)俘獲的信號(hào)峰值進(jìn)行數(shù)字化處理;在該50 Hz周期結(jié)束的時(shí)候，檢測儀軟件從本50 Hz周期各個(gè)檢測時(shí)間段俘獲的光電采集信號(hào)峰值中選取最大者保存，并將此信號(hào)峰值與前面的50 Hz周期已記錄的信號(hào)峰值進(jìn)行比較，保留其中的最大值。如果一個(gè)信號(hào)的峰值超過了系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值，系統(tǒng)就認(rèn)為測到了一次局部放電，發(fā)生了一次局部放電事件。系統(tǒng)通過信號(hào)特征提取與局放信號(hào)圖譜判斷局放類型。

超高頻法的優(yōu)點(diǎn)在于，檢測靈敏度高，信號(hào)傳輸衰減慢，現(xiàn)場該頻段干擾小，不受機(jī)械干擾，可以實(shí)現(xiàn)快速定位。

（2）高頻局部放電檢測技術(shù)依據(jù)的原理主要是對(duì)局放電路里的三電容等效電路進(jìn)行計(jì)算（圖2）。

對(duì)于變壓器，利用變壓器或電抗器繞組與鐵芯之間的分布電容形成的耦合通路，如果變壓器或電抗器內(nèi)部發(fā)生局部放電，產(chǎn)生的高頻信號(hào)通過耦合通路經(jīng)鐵芯接地線構(gòu)成回路，卡裝在鐵芯接地線上的高頻電流傳感器即可接收到變壓器內(nèi)部的放電信號(hào)并在巡檢儀上顯示出相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)（圖3）。

高頻脈沖電流法是檢測變壓器本體局部放電的有效手段，對(duì)線圈、鐵芯、夾件上的局部放電信號(hào)尤為敏感。

2? ? 超聲波信號(hào)檢測法

檢測原理：電力設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電現(xiàn)象的時(shí)候，同時(shí)會(huì)伴有幅值很低的聲波發(fā)射，采用地電壓檢測技術(shù)進(jìn)行檢測很難發(fā)現(xiàn)隱患。此時(shí)，可以采用超聲探測進(jìn)行檢測，由于沿邊放電頻率很高（40 kHz），使用局放測試儀可以更靈敏地反映放電頻譜中指向性最強(qiáng)的超聲波部分，有利于判斷故障位置（圖4）。該方法的檢測頻帶：20～200 kHz。

超聲法與被測設(shè)備之間無電氣連接，可以避免多種電氣干擾。聲測法的靈敏度不會(huì)隨被測物電容量變化而變化，因而聲學(xué)方法廣泛用于大電容器的檢測，并且聲學(xué)方法通常能指出一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)PD源的位置，定位精度高;但它存在靈敏度低、傳播衰減快、測試范圍小、判別標(biāo)準(zhǔn)比較困難的缺點(diǎn)，因而一定程度上應(yīng)用受到限制。

超聲法對(duì)某些類型的放電比較敏感，而對(duì)有些類型的放電則檢測靈敏度較低。如在GIS中，對(duì)于移動(dòng)中的顆粒，這個(gè)方法比傳統(tǒng)的局放測量法和UHF優(yōu)越;而對(duì)于檢測來自絕緣子上顆粒引起的放電時(shí)，這個(gè)方法還存在一些問題，由于在環(huán)氧樹脂絕緣中超聲信號(hào)衰減很大，所以這種方法不能測量環(huán)氧樹脂絕緣中的缺陷（例如氣泡）。在變壓器中，該方法對(duì)內(nèi)部深層次放電不敏感，定位及診斷對(duì)使用者要求高。大量實(shí)踐證明，對(duì)于交流變壓器、電抗器、換流變壓器都可以進(jìn)行局部放電超聲波檢測和定位。

超聲波檢測在實(shí)踐中需要密切注意定位的有效性和有效波型的識(shí)別，不管是使用信號(hào)衰減法還是時(shí)差定位法，定位需要注意：

（1）仔細(xì)搜尋疑似放電信號(hào)，傳感器間距小于60 cm;

（2）初步判斷疑似信號(hào)性質(zhì)，排除干擾;

（3）繼續(xù)搜索，尋求最好的信號(hào)獲取位置;

（4）觀察信號(hào)一致性，判斷是否存在固定聲源;

（5）初步定位，給出明確坐標(biāo)，此時(shí)傳感器坐標(biāo)測量務(wù)必準(zhǔn)確;

（6）對(duì)定位點(diǎn)位置進(jìn)一步檢測，獲得精確定位結(jié)果;

（7）長時(shí)間錄波和回放對(duì)換流變定位很重要;

（8）定位數(shù)據(jù)結(jié)合色譜和變壓器結(jié)構(gòu)往往能得到正確結(jié)論。

3? ? 暫態(tài)地電壓法

局部放電發(fā)生時(shí)，在接地的金屬表面將產(chǎn)生瞬時(shí)地電壓，這個(gè)地電壓將沿金屬的表面向各個(gè)方向傳播。暫態(tài)地電壓檢測方法通過檢測地電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備局部放電的判別和定位（圖5）。開關(guān)柜類設(shè)備應(yīng)用此檢測措施已經(jīng)較為普遍。

檢測原理：

（1）局部放電發(fā)生時(shí)，電子快速由帶電體向接地的非帶電體遷移，如柜體。

（2）放電點(diǎn)產(chǎn)生高頻電流波，并向兩個(gè)方向傳播;受集膚效應(yīng)影響，電流波僅集中在金屬柜體內(nèi)表面?zhèn)鞑ィ粫?huì)直接穿透。

（3）在金屬斷開或絕緣連接處，電流波轉(zhuǎn)移至外表面，并以電磁波形式進(jìn)入自由空間。

（4）電磁波上升沿碰到金屬外表面，產(chǎn)生暫態(tài)對(duì)地電壓（TEV，Transient Earth Voltage）。

4? ? 紅外熱像檢測

利用紅外熱成像技術(shù)，對(duì)電氣系統(tǒng)中具有電流、電壓致熱效應(yīng)或其他致熱效應(yīng)的帶電設(shè)備進(jìn)行檢測和診斷。

隨著儀器的成熟，加上檢測方法簡單易操作，可使用范圍廣泛，紅外熱像檢測方法已經(jīng)基本普及，無需多述，但在操作時(shí)還是需要注意對(duì)于操作環(huán)境的識(shí)別及提高檢測者自身排除干擾及識(shí)別故障隱患的能力。

5? ? 實(shí)際應(yīng)用效果分析

2018年4月在中國南海某油田的5個(gè)采油平臺(tái)利用便攜式局放儀和綜合式局放儀開展了檢測活動(dòng)，使用暫態(tài)地電壓TEV法和超聲法對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行檢測，采用高頻局部放電法和超聲法對(duì)干式及油浸型變壓器進(jìn)行檢測，對(duì)1 kV以上的中高壓電纜使用局部放電巡線儀進(jìn)行高頻局放和超聲檢測。

抽取其中某個(gè)平臺(tái)連續(xù)兩年的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。該平臺(tái)的檢測量為14臺(tái)13.8 kV等級(jí)中壓開關(guān)柜、8臺(tái)主生產(chǎn)變壓器和25個(gè)中高壓電纜點(diǎn)。

該平臺(tái)2018年與2019年的測試結(jié)論對(duì)比如表1所示。

分析這兩年的檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)個(gè)別設(shè)備檢測值出現(xiàn)異常，通過使用不同的儀器進(jìn)行復(fù)核，部分異常現(xiàn)象消失，特別是超聲檢測結(jié)果出現(xiàn)多處超標(biāo)的情況，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行分析，海洋油氣平臺(tái)本身受空間體積限制，受海浪、生產(chǎn)機(jī)器振動(dòng)影響，超聲檢測事實(shí)上在一定程度上受到明顯的干擾，說明該方法在這種環(huán)境下的應(yīng)用受到一定限制，容易導(dǎo)致對(duì)結(jié)果的誤判，這從設(shè)備在檢測后一直能正常運(yùn)行就可反映出來，雖然如此，超聲波檢測方法還是有非常大的使用參考價(jià)值。

6? ? 實(shí)際操作需注意的事項(xiàng)

通過對(duì)上述檢測結(jié)論的對(duì)比分析，可以明顯感受到局放檢測技術(shù)在海洋石油設(shè)施上使用時(shí)應(yīng)該考慮如何消除環(huán)境對(duì)檢測的影響，從而識(shí)別出潛在的隱患，練就識(shí)別圖譜的火眼金睛。

特別是在海洋油氣設(shè)施上開展的檢測活動(dòng)，一定要慎重選擇在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間段及合適的氣象條件下進(jìn)行，并密切關(guān)注、積極排除周圍電磁、振動(dòng)、溫濕度等的影響，否則檢測結(jié)果極易受到干擾，造成誤判。同時(shí)，需要制定嚴(yán)密的作業(yè)規(guī)程，以保證人員、設(shè)備和電網(wǎng)安全為前提，多種檢測方式聯(lián)合并用、綜合分析，正確定位可能存在的缺陷，不誤判、不過判，根據(jù)缺陷形式和位置及時(shí)采取措施，避免設(shè)備缺陷釀成大事故，并為狀態(tài)較差的設(shè)備、家庭缺陷設(shè)備制訂下一周期的重點(diǎn)檢測措施。局放檢測應(yīng)結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行方式以及傳統(tǒng)的檢測方式進(jìn)行，各取所長與所需，有效監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，根據(jù)結(jié)果對(duì)相同運(yùn)行方式及型號(hào)的同類型設(shè)備進(jìn)行橫向及縱向比較，根據(jù)規(guī)范要求嚴(yán)格執(zhí)行帶電檢測的項(xiàng)目、周期和標(biāo)準(zhǔn)，把檢測結(jié)果嚴(yán)格與檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，確定設(shè)備及電網(wǎng)是否正常或存在缺陷、異常。檢測人員要認(rèn)真領(lǐng)會(huì)并全面掌握各類設(shè)備電暈放電、內(nèi)部放電、沿面放電的單個(gè)脈沖頻域波形、相位圖譜、分類圖譜等的圖形特征，能正確識(shí)別雷達(dá)噪聲、馬達(dá)噪聲、閃光噪聲、電話噪聲的典型圖譜，能在檢測儀的結(jié)果圖里正確、及時(shí)排除干擾。

7? ? 結(jié)語

基于傳統(tǒng)的電力設(shè)備檢測試驗(yàn)操作規(guī)程，加上對(duì)近些年國內(nèi)開始試行的幾種新型局部放電檢測原理的分析與介紹及陸地電網(wǎng)公司應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，油氣行業(yè)完全有理由相信本文所述區(qū)別于傳統(tǒng)檢測辦法的局部放電檢測措施能切實(shí)有效地提高對(duì)電力設(shè)備的檢測效果，排除油氣設(shè)施上電力設(shè)備在潮濕、腐蝕性惡劣環(huán)境里的故障隱患，降低事故損失，提高工作效率，克服傳統(tǒng)檢測辦法的弊端。局部放電數(shù)據(jù)分析技術(shù)不是簡單地回答“是”與“否”，其目標(biāo)是在海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)“異常者”，總結(jié)出指導(dǎo)檢修的普遍性規(guī)律。充分認(rèn)識(shí)到狀態(tài)檢修是設(shè)備檢修模式發(fā)展的必然階段，是生產(chǎn)精益化管理的核心內(nèi)容。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 國家電網(wǎng)公司.電力設(shè)備帶電檢測技術(shù)規(guī)范（試行）[S]，2010.

[2] 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程：Q/CSG 114002—2011[S].

[3] 電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50150—1991[S].

[4] 陳化鋼.電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)方法及診斷技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

收稿日期：2020-05-08

作者簡介：薛旭（1973—），男，河北陽原人，電氣工程師，電氣主管，研究方向：海洋油氣設(shè)施電氣設(shè)備應(yīng)用、防潮、控制、潛油電泵變頻拖動(dòng)。