GIS支撐絕緣子內部放電缺陷綜合診斷方法現場應用

代 暉，熊 攀，周電波，楊 帆，薛志航，何宇航，姚 曉

(1.國網四川省電力公司瀘州供電公司，四川 瀘州 646000；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

作為狀態檢修的重要支撐手段，氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear，GIS)局部放電帶電檢測已在電網全面深入開展，發現了大量設備內部潛伏性缺陷，提升了設備運行可靠性。從大量實驗室研究和現場檢測情況看，在GIS各類局部放電中，固體絕緣放電缺陷檢測和診斷難度最大。其中，澆筑工藝不良、運行受力不均引起的支撐絕緣子內部放電缺陷，因激發的超聲波信號衰減嚴重，很難被檢測到，因此無法通過相對簡單的幅值定位法確定缺陷位置；而在檢修期間，因缺陷位于絕緣子內部，肉眼不可見，也為最終的診斷確認和檢修消缺帶來了困難[1-3]。

針對現場檢測存在的問題，國內外各高校、科研院所和企業持續開展GIS固體絕緣局部放電檢測和診斷技術的研究。目前，在特征量提取、模式識別和監測預警等方面取得了相當的研究成果，部分成果已逐步應用于現場，有效提升了GIS固體絕緣局部放電缺陷的檢出率[4-7]。然而，從大量現場檢測情況和設備檢修案例分析來看，仍有相當數量的固體絕緣放電缺陷未能被準確檢測及定位，或者被檢測以及定位后，由于缺乏檢查手段未能最終對缺陷進行準確診斷，從而影響了檢修消缺。上述情況表明，GIS固體絕緣現場局部放電檢測技術還有諸多需要提升的地方[8-12]。

為提升GIS支撐絕緣子內部放電缺陷現場檢測水平，更好地指導設備運維檢修，下面將特高頻局部放電檢測法、多通道信號時延定位法和X射線成像檢測法進行結合并開展現場應用，對應用效果的評估表明該綜合診斷方法提升了GIS支撐絕緣子局部放電檢測的靈敏度和準確性。

1 GIS帶電檢測方法

1.1 特高頻局部放電帶電檢測法

GIS支撐絕緣子內部存在氣隙或者裂紋，由于缺陷位置局部場強增加到一定程度會引起局部絕緣擊穿，每一次擊穿放電都會產生一個陡脈沖電流，激發出頻率在特高頻頻段(300 MHz～3 GHz)的電磁波信號。該特高頻電磁波信號在GIS內傳播，經盆式絕緣子、隔離開關/接地開關觀察窗等非金屬屏蔽部位泄漏到GIS外部。利用特高頻傳感器在非金屬屏蔽部位接收局部放電產生的電磁波信號后，通過信號特征判斷缺陷類型、診斷缺陷情況，即為特高頻局部放電帶電檢測法。

1.2 多通道信號時延定位法

GIS支撐絕緣子內部放電激發的超聲波信號在傳播中經歷多層界面衰減，很難傳輸至金屬殼體被超聲波傳感器檢測到，而由于特高頻傳感器僅能在非金屬屏蔽部位接收電磁波信號，無法像超聲波傳感器一樣直接在缺陷部位進行檢測，因此，對于GIS支撐絕緣子內部放電，無法通過幅值定位法找到缺陷位置，只能通過多通道信號時延定位法進行缺陷精確定位。

多通道時延定位法通過多個不同位置的特高頻傳感器接收局部放電電磁波信號，讀取信號到達各傳感器的時延，經過定位算法計算來確定局部放電源的位置。對于GIS這種獨特的管道結構而言，使用時延定位方法時可將其視為線形結構，在一維或二維空間內進行定位計算，在理想情況下，僅需2個相鄰測點同時接收信號，并采用式(1)進行計算即可得到放電源位置[13]。時延定位方法硬件方面需要采樣率最低為5 GS/s、帶寬最低為500 MHz的高性能4通道示波器。

(1)

式中：c為電磁波在GIS內部SF6氣體中的等效傳播速度，約為3×108m/s；L為兩個特高頻傳感器間的距離；Δt為信號到達兩個特高頻傳感器的時間差；x為局部放電源到達某個特高頻傳感器的距離。

1.3 X射線成像檢測法

X射線有很強的穿透性，在對著物體照射后，一部分射線能量被物體吸收，還有一部分射線能量因散射被消耗，故最終穿透物體的X射線強度有一定程度的減弱。單色窄束射線衰減規律如式(2)所示。

I=I0e-μT

(2)

式中：I0為照射到物體前的X射線強度；I為穿透物體后的X射線強度；μ為X射線的衰減系數；T為吸收體等效厚度，cm。

基于上述原理，可以實現X射線成像檢測。對被檢物體完成X射線成像檢測后，把膠片放到觀光燈上觀察透射光線，可看到由對比度(膠片上相鄰區域的黑度差)構成的不同形狀的影像，據此可觀察到被檢物體內部情況。

隨著相關技術的飛速發展，比膠片成像技術更加靈活、準確的DR直接數字成像技術被逐步用于電力設備檢測。X射線DR直接數字成像技術將大量的新型X射線探測元根據需要以陣列方式組合到一起，再結合相應的信號、圖像處理單元形成整套檢測系統，實現從X射線發射、穿透射線接收到信號處理、圖像優化的全過程。相比傳統的X射線檢測機，DR直接數字成像X射線檢測系統便于攜帶、使用靈活、射線能量強，現場開展GIS成像檢測能夠通過信號數字化處理獲得更理想的圖片。

2 GIS支撐絕緣子內部放電缺陷現場檢測

以某110 kV變電站110 kV GIS 為例(該GIS為河南平高電氣股份有限公司生產的ZF5-110型GIS)，開展特高頻局部放電帶電期間檢測，在I母多個盆式絕緣子位置檢測異常信號。檢測儀器顯示，異常信號幅值可達65 dB，呈現顯著的100 Hz頻率相關性，初步分析具有局部放電信號特征，如圖1所示。

圖1 實測支撐絕緣子內部放電特高頻PRPS圖譜1

2.1 信號圖譜特征分析

在盆式絕緣子位置測得異常特高頻脈沖信號的情況下，首先分析信號是設備內局部放電信號還是設備外干擾信號。將傳感器離開盆式絕緣子放置于外部空間，不斷移動傳感器觀察不同位置檢測到的異常信號幅值，若盆式絕緣子處檢測到的信號幅值大于外部空間所有位置檢測到的異常信號幅值，則初步判斷異常信號來自于GIS內部；否則，異常信號有可能來自GIS外部，而在外部空間中檢測到的異常信號幅值最大位置，可由此繼續檢測找到外部干擾方向乃至位置。以所檢測的110 kV GIS為例，特高頻傳感器在盆式絕緣子位置檢測到的異常信號幅值始終大于在外部空間中檢測到的信號幅值，因此判斷異常信號來自GIS內部。在初步判斷異常信號來自GIS內部的情況下，對異常信號進行特征分析，判斷缺陷類型。

該110 kV GIS盆式絕緣子部位用不同設備檢測的特高頻PRPS(phase resolved pulse sequence)圖譜如圖1和圖2所示，可見異常信號普遍呈顯著的100 Hz頻率相關性(即一個工頻周期出現2簇放電脈沖)，具有懸浮電位放電或固體絕緣放電特征。對圖1所對應的放電缺陷，用示波器對其進行信號檢波，如圖3所示，可見信號在一個工頻周期內出現至少2個幅值較大的脈沖，但脈沖幅值、間隔時間均有差異，體現出一定的極性，初步判斷為固體絕緣內部氣隙放電特征。正負半周放電脈沖幅值、個數和時間間隔是否具有對稱性等取決于支撐絕緣子內部氣隙、裂紋情況以及缺陷發展階段、放電嚴重程度。

圖2 實測支撐絕緣子內部放電特高頻PRPS圖譜2

圖3 實測支撐絕緣子內部放電特高頻檢波圖譜

2.2 支撐絕緣子缺陷精確定位

以如圖1所示異常信號對應的I母存在局部放電缺陷的110 kV GIS為例，通過時延定位法對GIS內部放電缺陷進行精確定位，為確保定位的準確性，在軸向和圓周方向分別進行定位計算。

如圖4所示為多個特高頻測點布置，首先在軸向確定缺陷位置。如圖5所示為圖4中3個特高頻傳感器采集到的異常信號波頭，特高頻信號到達測點1的時間領先于到達測點2和測點3，表明缺陷最接近測點1，測點1信號領先測點2約1 ns，測點1與測點2距離約75 cm，利用式(1)進行計算，得到缺陷位于測點1和測點2之間；從設備結構看，缺陷只可能位于3個特高頻測點下方的母線上，計算得到，放電源距離測點1約22.5 cm，距離測點2約52.5 cm。

圖4 軸向定位特高頻測點布置

圖5 軸向定位三通道信號時域波形

如圖6所示，在圖4測點1所在盆式絕緣子布置2個特高頻傳感器，對缺陷進行圓周方向定位。圖7為圖6中2個特高頻傳感器采集到的異常信號波頭，特高頻信號到達測點1的時間略微領先于到達測點2，表明缺陷更接近測點1。測點1信號領先測點2約0.4 ns，測點1與測點2距離約50 cm，利用式(1)進行計算，忽略母線與盆式絕緣子高度差，得到缺陷位于測點1和測點2之間，距離測點1約19 cm，距離測點2約31 cm。

圖6 圓周方向定位特高頻測點布置

圖7 圓周方向定位兩通道信號時域波形

綜合軸向定位和圓周方向定位結果，局部放電缺陷位于母線上，具體位置在圓圈所示的手孔上，如圖8所示。綜合設備結構進行分析，因缺陷部位無接頭和屏蔽罩，排除因接觸不良導致的懸浮電位放電缺陷；由于存在支撐絕緣子，初步分析為支撐絕緣子局部放電缺陷。

圖8 軸向缺陷所在位置

3 GIS支撐絕緣子X射線成像檢測

根據特高頻局部放電帶電檢測和精確定位結果，對GIS進行解體檢修，取下檢測到異常信號的支撐絕緣子。對于存在內部放電的支撐絕緣子，從外表無法檢查到放電痕跡，考慮到多通道信號時延定位有可能因為信號折反射和疊加等因素導致定位結果存在一定誤差，現場解體檢修必須要確定存在缺陷的支撐絕緣子得以更換，設備才能重新投入運行。在此情況下，必須在變電站現場以最快速度確認支撐絕緣子內部狀況，而利用X射線DR直接數字成像技術對支撐絕緣子進行無損透視檢測是便捷、高效且相對準確的方法。以所述存在局部放電缺陷的支撐絕緣子為例，開展現場X射線成像檢測，現場檢測裝置包含X射線發射機和成像板，被檢測支撐絕緣子放置于X射線發射機和成像板之間(靠近成像板)進行檢測，如圖9所示。檢測完畢后可在數字圖像處理系統中對圖像進行優化。如圖10所示，經X射線成像檢測，存在局部放電缺陷的支撐絕緣子內部可見一道斜向貫穿性裂紋。結合同時期、同廠家、同類型支撐絕緣子多次出現內部氣隙、裂紋缺陷這一情況，分析是生產期間澆注工藝不良所致。據此，驗證了帶電檢測和精確定位結果，找到并更換了缺陷支撐絕緣子，設備經規定試驗后重新投入運行，缺陷消除。

圖9 支撐絕緣子現場X射線成像檢測

圖10 缺陷支撐絕緣子X射線成像檢測圖片

4 結 論

上面對基于特高頻法和X射線檢測法的GIS支撐絕緣子內部放電缺陷綜合診斷方法進行了分析和現場應用，通過特高頻法檢測及定位存在內部放電缺陷的支撐絕緣子，再通過X射線成像檢測確定支撐絕緣子缺陷情況，提升了運維檢修效率。

1)支撐絕緣子內部放電缺陷激發的特高頻信號普遍呈顯著的100 Hz頻率相關性，放電脈沖幅值、個數和時間間隔取決于支撐絕緣子內部氣隙、裂紋情況以及缺陷發展階段、放電嚴重程度。

2)GIS支撐絕緣子數量集中，為提升定位準確性，應在軸向和圓周方向均進行放電源定位計算。

3)X射線成像檢測用于透視電力設備、電氣材料內部具有較好的效果，既可用于缺陷確認診斷，還可以為家族性機械缺陷、材料缺陷排查提供可靠檢測手段，其中，對于絕緣件內部氣隙、裂紋和罐體內部異物等缺陷，具有良好的檢測效果和檢測準確性。