王 偉 馮新巖 曲文韜 徐 亮

（山東電力集團(tuán)公司超高壓公司，濟(jì)南 250021）

1 引言

局部放電作為診斷GIS絕緣狀況的重要手段，其檢測技術(shù)一直受到制造廠家和運(yùn)行維護(hù)單位的關(guān)注[1-2]。傳統(tǒng)的脈沖電流法通過測量設(shè)備發(fā)生局部放電時產(chǎn)生的脈沖電流來確定視在放電量、局部放電脈沖等參數(shù)，技術(shù)成熟，可以對放電量進(jìn)行估算，但抗干擾能力差，現(xiàn)場測試的精度受到很大的影響[3]；化學(xué)檢測法抗電磁干擾能力強(qiáng)，但受到設(shè)備內(nèi)部吸附劑、干燥劑以及斷路器開斷時產(chǎn)生的電弧分解氣體的影響，其靈敏性較差；光學(xué)檢測法需多個傳感器，成本較高，在現(xiàn)場應(yīng)用很少[4]。另外，相位門極控制法、有限時域差分法還處于理論研究的階段，沒有成熟的儀器裝置應(yīng)用到現(xiàn)場[5]。

超聲波法和超高頻法作為目前兩種比較有效的檢測方法，抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，相比之下，超高頻法適合對設(shè)備進(jìn)行長期連續(xù)的監(jiān)測，需要廠家在設(shè)備制造時內(nèi)置傳感耦合器以保證測量精度。超聲波設(shè)備使用簡便，可以通過對設(shè)備的逐點(diǎn)測量進(jìn)行缺陷定位，更適合帶電巡檢和短期的在線監(jiān)測[6]。

2 超聲波檢測法

GIS發(fā)生局部放電時分子間劇烈碰撞并在宏觀上瞬間形成一種壓力，產(chǎn)生超聲波脈沖，信號波長較短，方向性較強(qiáng)，因此它的能量較為集中。將基于諧振原理的聲發(fā)射傳感器置于設(shè)備外殼上檢測這一脈沖信號，然后經(jīng)過前置放大、濾波、放大、檢波等處理環(huán)節(jié)，進(jìn)而通過信號分析以確定設(shè)備的絕緣狀況。圖1給出了超聲波檢測GIS設(shè)備局部放電的原理圖。

圖1 超聲波檢測局部放電原理圖

超聲波信號有橫波、縱波和表面波三種傳播形式，在SF6氣體中只有縱波可以傳播，而在帶電導(dǎo)體、絕緣子和金屬殼體等固體中傳播的除縱波外還有橫波。縱波在氣體、固體中衰減很大，橫波在固體中衰減小。

在傳播過程中，由介質(zhì)吸收效應(yīng)導(dǎo)致的高頻分量衰減、不同介質(zhì)傳播速率的差異以及邊界處產(chǎn)生的折、反射，都會對接收到的脈沖信號產(chǎn)生影響。因此檢測的有效性和靈敏性不僅取決于局部放電的類型和能量大小，還取決于聲信號在不同介質(zhì)的傳播特性和具體的傳播路徑。評估設(shè)備狀態(tài)特別是確定缺陷部位時，需要綜合考慮這些因素并結(jié)合GIS的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3 GIS典型缺陷的特征分析

3.1 毛刺放電

毛刺尖端處電場集中，電暈放電信號的起始時刻主要集中在外施電壓的負(fù)半周，最大放電量發(fā)生在峰值附近。隨著電壓的升高，局放脈沖增大，頻度增加，在正半周也可能發(fā)生放電。因此信號的50Hz相關(guān)性明顯，100Hz相關(guān)性較弱。

導(dǎo)體上的毛刺放電可以看成一個點(diǎn)源向其四周發(fā)射球面波，其高頻分量直接往腔體傳播且衰減很大，而低頻分量向多個角度傳播，傳播路徑較遠(yuǎn)，在殼體外較廣的范圍內(nèi)都能接收到信號。而殼體上的毛刺信號較集中，在放電處信號最強(qiáng)，且高頻分量衰減較小。利用這一點(diǎn)可以通過減小濾波器的上限頻率來區(qū)分二者，信號變化不明顯表明是導(dǎo)體毛刺放電，變化明顯時表現(xiàn)是殼體上的毛刺放電。圖2給出了超聲波對兩種放電模式檢測的示意圖。除此之外，導(dǎo)體毛刺比位于殼體上相同毛刺的起始放電電壓低很多，在相同電壓下，前者的局部放電量和脈沖幅值也高于后者，其危險性較高。

圖2 毛刺放電超聲檢測示意圖

3.2 懸浮屏蔽

松動或接觸不良會引起電位懸浮，懸浮部位與導(dǎo)體之間存在耦合電容，相當(dāng)于容性放電。圖3給出超聲檢測的示意圖。放電脈沖一般發(fā)生在電壓上升沿，在外施電壓的正負(fù)半周均能檢測，信號的100Hz相關(guān)性很強(qiáng)。由于耦合電容和放電時兩端的電壓差比較固定，因此隨著電壓的升高，放電量變化不大。檢測信號比較穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。

圖3 懸浮屏蔽超聲檢測示意圖

3.3 自由顆粒

如圖4所示，自由顆粒在電場力的作用下來回跳動，每次撞擊殼體都會產(chǎn)生一個寬帶的瞬態(tài)聲脈沖，與顆粒端部的局部放電信號相混合形成一個復(fù)合信號。放電信號的大小與金屬顆粒的位置有著密切的聯(lián)系，相比于殼體上的顆粒，絕緣子上的顆粒對電場的影響更為嚴(yán)重，在放電強(qiáng)度上明顯大于殼體顆粒。

仙草中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)及具有清暑解渴、抗氧化、抗損傷、抗缺氧、降血壓、降血糖、降血脂、抗菌、消炎、保肝、護(hù)肝等多種保健功能。因此，可以利用仙草加工制成仙草凍、仙草降脂茶、仙草涼茶、仙草奶茶、仙草沖劑、新型仙草凝凍劑等多種功能性保健食品。

圖4 自由顆粒超聲檢測示意圖

3.4 絕緣子缺陷

絕緣子內(nèi)部的氣隙放電工頻正負(fù)半周放電指紋基本對稱。放電脈沖一般出現(xiàn)在電壓幅值絕對值的上升部分，放電頻率依賴于所加電壓大小，只有在放電強(qiáng)烈時，才會擴(kuò)展到電壓絕對值下降部分的相位上，且每次放電的大小不相等。

絕緣子表面的缺陷易形成表面放電，導(dǎo)致絕緣子表面的絕緣劣化，甚至擊穿。其放電特征是：在電流最大相位過零時發(fā)生小電荷的局放脈沖，隨電壓上升會出現(xiàn)不規(guī)則的脈沖。

4 GIS局部放電的現(xiàn)場超聲檢測

以上分析奠定了超聲檢測的理論基礎(chǔ)，而現(xiàn)場的測試診斷會受到電磁干擾、傳感器安裝位置、殼體環(huán)流等多種因素的影響，下面結(jié)合AIA儀器在現(xiàn)場測試中的應(yīng)用對具體的診斷分析過程做下介紹。

4.1 傳感器的安裝

測試時利用聲耦合硅膠使傳感器與殼體接觸良好并保持靜止?fàn)顟B(tài)，必要時用綁帶固定以保持一定的壓力。考慮到聲信號在經(jīng)過絕緣子或法蘭時明顯衰減的特點(diǎn)，要求獨(dú)立的氣室、兩個法蘭之間至少有一個測量點(diǎn)。隔離開關(guān)、接地開關(guān)和斷路器的運(yùn)動部件容易產(chǎn)生自由顆粒，可以對這些部位進(jìn)行重點(diǎn)檢測，而自由顆粒在氣室中有向下運(yùn)動的趨勢，一般把傳感器安裝在設(shè)備殼體的下方。

4.2 信號的測量與分析

AIA超聲波局部放電測試儀有連續(xù)、相位和脈沖三種測量模式。連續(xù)測量模式以水平柱的方式給出了一個工頻周期中放電信號有效值和峰值信號以及與信號與 50Hz、100Hz的相關(guān)程度；相位模式主要用來判斷放電和是否和工頻周期存在關(guān)系；脈沖模式針對顆粒故障，給出了信號幅值與飛行時間的關(guān)系。表1給出了典型缺陷的特征判據(jù)。

表1 典型缺陷的特征判據(jù)

在表1完成缺陷的初步定性的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)具體的信號制定相應(yīng)的維護(hù)策略。對于毛刺放電，若信號的峰值Vp＞2 mV即可密切監(jiān)視或停電處理。對于懸浮屏蔽，除了信號幅值外，還應(yīng)關(guān)注信號100Hz含量(Vf2)與50Hz含量(Vf1)的比值，引起密切關(guān) 注 的 判 據(jù) 為 ： Vf2/Vf1＞＞1 且 Vp＞20mV 或1＜Vf2/Vf1＜2且Vp＞100m V。對于自由顆粒，可通過脈沖模式進(jìn)行危險性評估，如圖5所示，Vp＜500mV且t＜50ms和Vp＜150mV且 50ms＜t＜100ms 的斜線區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。

圖5 自由顆粒危險性評估示意圖

4.3 測試注意事項(xiàng)

（1）有些缺陷形成了機(jī)械振動，但沒形成懸浮電位，信號不穩(wěn)定，相位圖呈現(xiàn)多條豎線并在零點(diǎn)左右兩側(cè)均勻分布，此時建議加強(qiáng)監(jiān)視或停電處理。

（2）由壓變鐵芯的磁滯伸縮現(xiàn)象引起的噪聲信號表現(xiàn)出一定的100Hz相關(guān)性，而線圈在電場作用下產(chǎn)生的熱噪聲也會使測量幅值變大，與懸浮屏蔽的特征圖譜類似，但其信號幅值很低，且三相測試結(jié)果一致，檢測時應(yīng)注意區(qū)分以防止誤判缺陷。

5 診斷實(shí)例分析

在對某變電站 220kVGIS設(shè)備進(jìn)行巡視時，發(fā)現(xiàn)B相某CT氣室有異音，超聲波檢測信號如圖6和圖7所示。

圖6 連續(xù)測量模式圖

圖7 相位測量模式圖

由圖 6可以看出，信號的峰值達(dá)到 20mV，信號的 100Hz含量遠(yuǎn)大于50Hz含量。在圖7可以明顯看到一個周期內(nèi)有兩簇信號集中點(diǎn)。根據(jù)表1可以判斷CT內(nèi)部出現(xiàn)電位懸浮故障。

檢修人員與廠家協(xié)商后對設(shè)備進(jìn)行了解體，如圖8所示， CT的電極較短，沒能完全進(jìn)入適配孔中，并可見明顯的黑色粉末狀的 SF6氣體放電分解物。實(shí)踐證明了超聲波檢測GIS缺陷的有效性。

圖8 CT氣室放電圖示

6 結(jié)論

（1）本文分析了GIS典型缺陷的基本特征，為超聲波檢測、判斷設(shè)備故障提供了理論依據(jù)。

（2）本文給出了現(xiàn)場超聲波局放測試的注意事項(xiàng)和各種缺陷的特征圖譜和經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，對于現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員具有一定的參考價值。

（3）狀態(tài)檢修規(guī)程明確把運(yùn)行中GIS局部放電測量作為例行試驗(yàn)項(xiàng)目，診斷實(shí)例表明，超聲波法能有效的檢測GIS內(nèi)部的局部放電信號，可以作為一條有效的監(jiān)測手段長期開展，對于設(shè)備狀態(tài)評價具有重要的意義。

（4）由于絕緣體材料對聲波的高吸收性，超聲波法對于絕緣子內(nèi)部缺陷反映不靈敏，可以結(jié)合超高頻法、化學(xué)檢測法以提高故障診斷的適用性和有效性。

[1]金立軍,劉衛(wèi)東,錢家驪.GIS絕緣配合中的故障分析及診斷和檢測技術(shù)[J].中國電力,2002,35(3): 52-55.

[2]郭俊,吳廣寧,張血琴.局部放電檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電工技術(shù)學(xué)報,2005,20(2): 29-35.

[3]肖燕,郁惟鏞. GIS中局部放電在線監(jiān)測研究的現(xiàn)狀與展望[J].高電壓技術(shù),2005,31(1): 47-49.

[4]黎大健, 梁基重, 步科偉等. GIS中典型缺陷局部放電的超聲波檢測[J].高壓電器,2009,45(1): 72-75.

[5]李信,李成榕,李亞莎等. 有限時域差分法對 GIS局部放電傳播的分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報, 2005,25(15): 150-155.

[6]苑舜.全封閉組合電器局部放電超聲傳播特性及監(jiān)測問題的研究[J].中國電力, 1997,30(1):7-10.