GIS的带电检测中超声波局放检测技术的运用

　　摘    要：　GIS由于其结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活等优点而广泛应用于电力系统中, 随着GIS设备的广泛应用, 其带电检测的重要性日趋突出, 但GIS设备为全封闭结构, 因此运行中无法用传统检测方法对其内部绝缘状态进行监测, 只能通过超声波、超高频等带电检测手段对内部缺陷进行诊断.超声波检测法具有抗干扰性强、操作方便等特点, 利于现场实验, 因此采用超声波法对GIS缺陷进行分析研究, 从而达到降低设备发生故障的概率.

　　关键词：　GIS; 超声波; 局部放电;
 

　　Abstract：　Due to the compact structure, small footprint, high reliability, flexible configuration, etc.GIS are widely used in power systems.With the wide application of GIS equipment, the importance of charged detected has become more prominent;but because of the GIS equipment is fully enclosed structure, therefore traditional methods could not be used to monitor its internal insulation, only by ultrasound, ultra-high frequency detection means for charging the internal defect diagnosis.Because of strong anti-interference, easy to operate, ultrasonic testing method will help the field experiment, so the ultrasonic method is used for GIS defect analysis, aiming to achieve reduction of equipment fault probability.

　　Keyword：　GIS; ultrasonic; partial discharge;

　　近年来, 随着状态检修工作的深入推进, 通过带电检测的方式检查设备运行状况成为一种主流趋势.气体绝缘金属封闭开关设备GIS (gas insulated substation) 具有占地面积小、运行可靠性高、受外部环境影响小、检修周期长等优点, 在国内外应用越来越广泛.但由于其结构紧凑, 内部电场集中[1], 存在毛刺、自由金属颗粒、绝缘损坏、接触不良等缺陷时会产生局部放电, 最终导致GIS绝缘故障, 降低设备的利用率和可靠性.局部放电会在电力设备内部和周围空间产生一系列的光、声、电气和机械的振动等物理现象和化学变化, 通过对这些信号的检测, 可以及时有效地发现GIS内部存在的缺陷, 及时消除隐患, 避免重大事故的发生.因此常采用不同的局放检测方法如特高频法、超声波法、高频电流法等技术手段, 实现GIS的带电检测, 有效地判断GIS内部的绝缘缺陷.

　　1、 GIS内部常见缺陷分析

　　GIS是封闭式设备, 其内部由于安装或运行过程中产生气泡、金属颗粒等杂质会导致GIS设备运行出现缺陷, 颗粒的跳动以及固体材料的微小振动会发出超高频或超声波信号, 因此在不停电检修的前提下, 通过检测超声波与超高频信号观测GIS内部缺陷类型及缺陷的严重程度.

　　GIS内部缺陷中, 经常出现的缺陷类型包括电晕放电、悬浮放电、自由金属颗粒放电、空穴放电、沿面放电等放电现象[2].每种内部缺陷都有相应的测量特征.不同的放电类型所产生的原因不同, 当在不均匀的电场周围曲率半径小的电极附近, 当电压升高到一定值时, 由于空气游离就会产生电晕放电现象;悬浮电位则是由于在运输或运行过程中, 导体或绝缘子等与其他的金属构件接触不良, 导致电位悬浮, 与周边的部位形成电位差, 产生放电;空穴放电则是由于设备内部产生气泡或其他杂质, 在正常运行过程中产生局部放电;沿面放电是固体绝缘表面金属颗粒对绝缘表面、固体绝缘表面脏污或固体绝缘表面其他异物引起的放电.图1为GIS内部缺陷位置的示意图.

　　图1 GIS绝缘缺陷位置

　　如图1所示, 在GIS壳体、导体上均易出现由毛刺造成的电晕放电;在导体上易出现由于机械松动造成的悬浮放电;在盆式绝缘子、导体或壳体上易于出现气泡或杂质造成的空穴放电.产生局放的方式不同, 但不同类型的局部放电都会对GIS的绝缘造成破坏, 同时, 放电产生的气体或热效应, 有的使局部绝缘腐蚀、电导增加, 导致了绝缘性能下降, 在严重的局放作用下, 甚至会造成绝缘击穿.

　　2、 超声波局放检测技术原理

　　局部放电是引起绝缘老化并导致绝缘击穿的主要原因.当电力设备内部产生局部放电信号的时候, 会产生冲击的振动及声音.超声波法 (aEor ultrasonic) 通过在设备腔体外壁上安装超声波传感器或者通过空气超声波传感器来测量局部放电信号.该方法的特点是传感器与电力设备的电气回路无任何联系, 不受电气方面的干扰, 但在现场使用时易受周围环境噪声或设备机械振动的影响.

　　不同类型、不同频率的声波, 在不同的温度下, 通过不同媒质时的速率不同.表1列出了声波在20℃时几种媒质中的传播速度.

　　表1 声波20℃时的传播速度 (单位:m/s)

　　由表1可知, 声波在铝、钢、铜等媒质中的传播速率很高, 远远大于空气中的传播速度, 因此在进行超声波检测时, 需要将超声波探头与GIS罐体紧密接触, 或采用硅脂等耦合剂, 使传感器准确地检测到超声波信号.

　　超声波具有很强的穿透能力, 但是它在穿透各种介质时都会使波形发生某种程度的畸变, 而这种畸变主要表现为幅值的衰减.表2是超声波在不同介质中的相对衰减率.从表2可以看出, 声波在SF6及钢中衰减均较缓慢, 如果GIS内部发生放电[3], 其超声信号就能够较强地传输到GIS上的传感器.而将传感器分别布置在GIS的不同位置上, 就可以接收到不同的声波信号.

　　表2 纵波在不同介质中的衰减

　　超声波向四周传播开来, 经过气体介质和钢板一直到达电气设备容器的表面.检测此超声信号可以非常灵敏地判断设备内部是否发生局部放电.超声法可以非常有效检测到的缺陷有凸起 (毛刺) 、自由颗粒和电气悬浮等.不同的缺陷对应的缺陷图谱如图2~4所示.针对不同的缺陷类型3种检测方法提供不同的判断依据[4].表3为3种典型缺陷在不同检测模式下的测量特征.

　　图2 凸起 (毛刺) 缺陷的相位模式图

　　表3 GIS内部典型缺陷特征

　　3、 现场检测

　　为保证GIS设备安全可靠运行, 于2016年8月21日对某变电站GIS进行带电检测试验, 试验方式为超声波、超高频、红外测温及红外检漏, 该批次被试GIS为110kV设备, 所采用的试验设备见表4.

　　表4 试验设备清单

　　在进行超声波测试过程中, 发现草肖线C相存在异常信号, 其中频率成分2[100Hz]明显超出正常值, 此时对出现超声波异常信号附近的观察窗及可检测特高频信号的绝缘盆子进行特高频信号检测, 经初步检测未发现特高频异常信号, 此时所检测到的超声波及特高频信号, 因此为找出信号成因, 需采用多种带电检测手段对异常信号进行进一步分析、判断, 查找故障点, 分析故障原因.

　　3.1、 精确检测及定位

　　为了精确的判断异常位置, 故采用多种检测手段于8月24日对GIS进行进一步检测, 所采用的检测手段包括超声波检测、特高频检测、SF6微水、纯度、红外检漏、红外测温等.　　采用上海华乘的PDS-T90与厦门红相的PDT-840UH局放测试仪分别对故障点进行特高频测试, 没有明显的特高频异常信号出现, 如图6所示.对故障点附近的气室进行SF6微水、纯度分析, 测试结果为108.6μL/L、97.6%, 符合国标要求[5], 无异常.利用红外测温检测方式对GIS进行精确测温, 所观测的各气室、盆式绝缘子温度均合格.

　　利用超声波检测方式对GIS进行精确检测, 采用每隔0.5m设置一个检测点的检测方式, 最终在C相电缆终端发现超声波异常信号, 又利用不同厂家设备对疑似异常部位附近的电缆终端、气室进行精确检测, 最终确定疑似缺陷位置为C相电缆终端上侧的PT处, 疑似间隔及缺陷位置.

　　3.2 分析与判断

　　确定异常位置后, 还需要对缺陷类型进行判断, 依据已经检测到的超声波信号, 并对该信号进行分析判断, 并比对被测点与周围空气中的噪声信号[6].

　　在1304草尚II线间隔1320草肖线C相PT的圆圈范围内检测到明显的超声波信号, 耳机中也可听到典型的放电信号.采集到的超声波信号周期最大幅值为3.6mV, 有效值为1.6mV, 频率成分2[100Hz]>频率成分1[50Hz], 且放电信号稳定, 同时采集了超声波波形图谱及超声波飞行. 在PT处出现了较稳定的脉冲信号, 且信号幅值高于标准设定值.因此根据超声波信号的典型缺陷特征, 并结合已经得到的其他检测手段的检测数据, 可以判断该缺陷类型为机械振动导致的超声波异常, 需要对该位置进行持续观测, 若观测到的超声波信号持续增大, 且出现特高频异常信号则需根据停电计划进行解体, 排除隐患, 从而达到降低设备故障率的目的.

　　4、 结论

　　GIS设备结构紧凑、可靠性高, 但在制造、运输的过程中可能产生一些缺陷, 且由于其为集成式设备, 所以在出现缺陷时判断故障原因及类型较为困难, 超声波、特高频局放带电检测可有效发现GIS内部绝缘和放电缺陷.通过综合手段分析、判断, 能够准确找到故障点, 判断故障原因.本次故障为采用超声波方式检测出的PT内部机械振动缺陷, 因此建议加强对该气隔及相邻气隔的关注, 并缩短带电检测试验周期, 加强正常运行的GIS设备的带电检测工作.

　　参考文献：

　　[1]刘君华, 徐敏骅, 黄成军, 等.局部放电电磁波在GIS中的衰减特性[J].电工技术学报, 2010, 25 (8) :52-58.
　　[2]李秀卫, 云玉新.实测信号激励条件下GIS局部放电的电磁波传播特性研究[J].高压电器, 2011, 47 (12) :34-38.
　　[3]印华, 邱毓昌.GIS中局部放电测量用超高频方法的研究[J].高电压技术, 2004, 30 (10) :19-20.
　　[4]王昌长, 李福祺, 高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京:清华大学出版社, 2006.
　　[5]DL/T 617-2010.气体绝缘金属封闭开关设备技术条件[S].北京:中国电力出版社, 2010.
　　[6]李继胜, 赵学风, 杨景刚, 等.GIS典型缺陷局部放电测量与分析[J].高电压技术, 2009, 35 (10) :2440-2445.
　　[7]高凯, 倪浩, 司文荣.GIS局部放电检测及其波形特征分析[J].华东电力, 2010, 38 (10) :1513-1516.