周宏偉，劉成華，蓋 磊，趙祥龍，徐再興，黃曉明

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰611830；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000； 3.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，成都610021）

一起GIS盆式絕緣子局部放電案例分析

周宏偉1，劉成華2，蓋 磊2，趙祥龍2，徐再興2，黃曉明3

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰611830；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000； 3.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，成都610021）

目前，GIS局部放電檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用到GIS檢測(cè)。簡(jiǎn)述了GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電主要有自有顆粒放電，懸浮電位放電，電暈放電、絕緣支柱絕緣下降等GIS常見的典型局部放電故障，針對(duì)以上GIS內(nèi)部典型故障，給出了可檢測(cè)GIS局部放電特高頻檢測(cè)和超聲波檢測(cè)的兩種常用檢測(cè)方法，利用上述檢測(cè)方法可對(duì)局部放電類型進(jìn)行判斷，對(duì)放電源進(jìn)行定位，進(jìn)而可準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)。

特高頻檢測(cè)方法；超聲波檢測(cè)方法；故障分析

0 引言

目前，SF6全封閉式組合電器（GIS）具有運(yùn)行可靠性高、占用空間少、維護(hù)工作量小、不受外界環(huán)境條件的影響等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。但由于各種設(shè)備需封閉在金屬外殼內(nèi)，而從外部無(wú)法觀察到金屬外殼內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行的狀況，一旦內(nèi)部存在尖端放電、電暈放電、內(nèi)部絕緣受損或者內(nèi)部導(dǎo)通回路接觸不良等缺陷，都會(huì)造成設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電，從而會(huì)對(duì)電力設(shè)備造成嚴(yán)重傷害[1]。

當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，設(shè)備周圍空間就會(huì)產(chǎn)生一系列的光、聲、電氣、機(jī)械振動(dòng)的物理現(xiàn)象和化學(xué)變化，局部放電檢測(cè)技術(shù)就是通過(guò)上述物理和化學(xué)信號(hào)的變化，來(lái)檢測(cè)電力設(shè)備內(nèi)部的絕緣情況和運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部缺陷，避免對(duì)電力設(shè)備造成損害。

1 超聲波與特高頻檢測(cè)技術(shù)介紹

1.1 超聲波局部放電檢測(cè)技術(shù)介紹

GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，同時(shí)伴隨產(chǎn)生超聲波信號(hào)（頻率高于20 kHz的聲波），超聲波信號(hào)由絕緣介質(zhì)和金屬件傳導(dǎo)到GIS設(shè)備外殼。通過(guò)在GIS設(shè)備外殼上安裝的超聲波傳感器，可以耦合檢測(cè)到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，進(jìn)而判斷GIS設(shè)備的局部放電情況[2]。如圖1所示。

圖1 超聲波局部放電檢測(cè)原理圖Fig.1 The schematic diagram of ultrasonic partial discharge detection

GIS局部放電超聲波檢測(cè)儀一般由超聲波傳感器和檢測(cè)主機(jī)兩部分組成。超聲波傳感器單元包括超聲波傳感器和前置調(diào)理器，用于檢測(cè)GIS設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)的超聲波信號(hào)；檢測(cè)主機(jī)單元包括數(shù)據(jù)采集單元、控制與處理分析單元、存儲(chǔ)單元、人機(jī)交互單元和輔助單元，完成傳感器信號(hào)的調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換、檢測(cè)分析過(guò)程的控制、檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析、檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和導(dǎo)入導(dǎo)出、檢測(cè)設(shè)置、信息顯示、測(cè)試信息錄入和儲(chǔ)能電池管理等。如圖2所示。

圖2 超聲波局部放電檢測(cè)儀組成Fig.2 The composition of ultrasonic partial discharge detector

具有定位功能的GIS局部放電超聲波檢測(cè)儀，可以利用超聲波信號(hào)到達(dá)不同位置傳感器的信號(hào)時(shí)延或強(qiáng)度進(jìn)行定位[3]。

GIS超聲波局部放電檢測(cè)所用的傳感器應(yīng)用最為廣泛的是以壓電陶瓷為材料的諧振式傳感器，見圖3。

圖3 超聲波傳感器Fig.3 The ultrasonic sensor

諧振式傳感器利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，在局部放電產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波作用下產(chǎn)生交變電場(chǎng)。雖然GIS局部放電所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)具有一定的隨機(jī)性，每次局部放電的聲波信號(hào)頻譜不同，但整個(gè)局部放電聲波信號(hào)的頻率分布范圍卻變化不大，處于20～200 kHz頻段，傳感器諧振頻率一般選擇為40 Hz[4]。

1.2 特高頻法局部放電檢測(cè)技術(shù)介紹

特高頻局部放電帶電檢測(cè)儀用于GIS特高頻局部放電測(cè)試，一般由UHF傳感單元、信號(hào)處理單元和分析診斷單元組成。UHF傳感單元用于耦合GIS內(nèi)局部放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)，包括特高頻傳感器和射頻同軸傳輸電纜，安裝方式主要有內(nèi)置式和外置式。信號(hào)處理單元對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、檢波處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換。分析診斷單元實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)的分析、處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并具備人機(jī)交互功能[5]。 見圖4。

圖4 特高頻局部放電檢測(cè)儀組成Fig.4 The composition of UHF partial discharge detector

特高頻傳感器是一種耦合GIS設(shè)備內(nèi)部300～1 500 MHz頻段的特高頻電磁波信號(hào)的天線，見圖5。

圖5 特高頻傳感器Fig.5 The UHF sensor

1.3 局部放電定位檢測(cè)技術(shù)介紹

局部放電定位儀以特高頻技術(shù)為主，結(jié)合超聲波技術(shù)聯(lián)合測(cè)試（簡(jiǎn)稱聲電聯(lián)合法），用于GIS放電源精確定位，一般由特高頻傳感器單元、超聲波傳感器單元、信號(hào)調(diào)理裝置、濾波器、專用連接線纜和示波器組成，見圖6。

圖6 局部放電定位儀組成Fig.6 The composition of partial discharge position finder

2 案例分析

2.1 案例經(jīng)過(guò)

2015年3月20日，在設(shè)備特巡過(guò)程中，對(duì)某220 kV變電站110 kV GIS某一間隔分支母線端部盆式絕緣子進(jìn)行GIS超聲波和GIS特高頻帶電檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，懷疑內(nèi)部有局部放電現(xiàn)象，并采取措施制定跟蹤復(fù)測(cè)方案。結(jié)合4月份停電計(jì)劃，2015年4月6日，經(jīng)公司運(yùn)檢部、廠家技術(shù)人員確認(rèn)，檢修人員對(duì)該110 kV GIS間隔分支母線進(jìn)行了拆除，拆除后發(fā)現(xiàn)該絕緣盆子出現(xiàn)裂紋，隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)閃絡(luò)故障，不能繼續(xù)使用，檢修人員立即對(duì)該盆子進(jìn)行了更換處理，消除一起重大GIS設(shè)備隱患，避免大面積停電事故的發(fā)生。

2.2 檢測(cè)過(guò)程

1）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)：2015年3月20日，對(duì)220 kV變電站110 kV設(shè)備區(qū)進(jìn)行局部放電檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)110 kV GIS某間隔間隔分支母線端部盆式絕緣子位置信號(hào)明顯異常，發(fā)現(xiàn)在GIS罐體下部局放信號(hào)最大值為41.4 mV，有效值為40 mV，其背景值僅為0.1 mV，異常信號(hào)較為明顯，且該異常信號(hào)有明顯100 Hz的相關(guān)性，呈現(xiàn)出明顯的100 Hz頻率相關(guān)性。脈沖模式集中，對(duì)比典型缺陷圖譜，沿該點(diǎn)圓周方向測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該異常信號(hào)仍然存在，信號(hào)幅值較大，也表現(xiàn)出明顯的100 Hz頻率相關(guān)性，初步判斷該氣室存在可能是疑似懸浮放電信號(hào)。由于該設(shè)備只能進(jìn)行超聲波模式測(cè)試，建議利用多種方法對(duì)該GIS氣室進(jìn)行進(jìn)一步檢查分析，以進(jìn)一步對(duì)該異常信號(hào)確認(rèn)、進(jìn)行定位。

2）超聲波檢測(cè)：2015年3月22日，對(duì)該氣室進(jìn)一步檢查分析，其測(cè)試結(jié)果與上次測(cè)試結(jié)果基本相似，并且在超聲波模式下，用耳機(jī)可聽到明顯“吱吱”的聲音?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試見圖7。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)物圖Fig.7 Site detection sample

測(cè)試人員首先利用超聲波進(jìn)行測(cè)試，在該氣室上選取多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)1、2、3作為較典型的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，圖8和圖9為超聲波連續(xù)模式下的測(cè)試圖譜。

圖8 連續(xù)模式下超聲波圖譜Fig.8 The ultrasonic spectrum of continuous mode

圖9 相位模式下超聲波圖譜Fig.9 The ultrasonic spectrum of phase mode

從上面測(cè)試結(jié)果可看出，該氣室測(cè)試信號(hào)峰值在38.8 mV，信號(hào)幅值較大，該信號(hào)有明顯的50 Hz和100 Hz頻率相關(guān)性，50 Hz頻率相關(guān)性為11.8 mV，100 Hz頻率相關(guān)性為18.1 mV，在相位模式下一個(gè)工頻周期里，測(cè)試結(jié)果也表現(xiàn)出明顯的兩簇異常信號(hào)，其測(cè)試的最大幅值為42.4，其測(cè)試結(jié)果和連續(xù)模式下的信號(hào)基本一致。

測(cè)試數(shù)據(jù)的幅值、50 Hz相關(guān)性、100 Hz相關(guān)性較大，脈沖模式集中，點(diǎn)較均勻的聚集在兩簇，對(duì)比典型缺陷圖譜，該異常信號(hào)與懸浮電位典型的放電圖譜十分相符[6]。

3）特高頻檢測(cè)：測(cè)試人員運(yùn)用特高頻檢測(cè)方法對(duì)該氣室盆式絕緣子測(cè)試，在該氣室臨近的盆式絕緣子上檢測(cè)有異常信號(hào)，也表現(xiàn)出明顯的相位特征，放電脈沖幅值穩(wěn)定，且相鄰放電時(shí)間間隔基本一致，符合典型的懸浮電位放電的特征。與超聲波所測(cè)量的信號(hào)基本相符，判斷應(yīng)為同一個(gè)信號(hào)源[7]。

圖10和圖11分別為脈沖序列模式和相位模式下得到的PRPS和PRPD圖譜。

圖10 PRPS圖譜Fig.10 The ultrasonic spectrum of PRPS mode

2.3 解體檢查

2015年3月26日，檢修人員對(duì)GIS氣室進(jìn)行解體檢修，發(fā)現(xiàn)該氣室A相導(dǎo)體的絕緣支柱有明顯放電痕跡，A相導(dǎo)體與絕緣支柱部分已經(jīng)燒焦燒黑，見圖12至圖14，并且該氣室A相導(dǎo)體表面已經(jīng)附著較多放電白色粉末，證實(shí)該氣室存在放電缺陷。

圖11 PRPD圖譜Fig.11 The ultrasonic spectrum of PRPD mode

圖12 設(shè)備放電解體圖1Fig.12 The discharge disintegration figure 1 of equipment

圖13 設(shè)備放電解體圖2Fig.13 The discharge disintegration figure 2 of equipment

圖14 設(shè)備放電解體圖3Fig.14 The discharge disintegration figure 3 of equipment

經(jīng)以上分析發(fā)現(xiàn)：GIS氣室導(dǎo)體是支柱絕緣子支撐固定，以保證GIS導(dǎo)體內(nèi)部導(dǎo)體與導(dǎo)體之間，導(dǎo)體與GIS外殼有足夠的絕緣能力，但設(shè)備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，內(nèi)部絕緣子受到電動(dòng)力、高電壓以及溫度變化影響，支柱絕緣子與導(dǎo)體之間螺絲松動(dòng)，造成支柱絕緣與導(dǎo)體之間發(fā)生移位產(chǎn)生間隙，從而在導(dǎo)體與支柱絕緣子之間形成兩個(gè)電極，那么就會(huì)在導(dǎo)體之間形成電位差，當(dāng)兩極之間的電位達(dá)到一定程度，就會(huì)造成懸浮電位放電，隨著放電幅值增大和放電頻率的增加，會(huì)造成支柱絕緣子的老化，絕緣能力下降，會(huì)燒壞燒焦絕緣子[8-10]，通過(guò)對(duì)GIS解體分析，基本與測(cè)試結(jié)果吻合，證實(shí)測(cè)量的結(jié)果正確。

3 結(jié)論

通過(guò)以上介紹和相關(guān)案例分析，超聲波、特高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)是GIS設(shè)備內(nèi)部局部放電和絕緣缺陷一種重要檢測(cè)的手段，它可以有效地發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部的放電故障，并對(duì)缺陷進(jìn)行定性和定類，做到發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理，可有效地避免對(duì)電力設(shè)備造成損害和電網(wǎng)GIS跳閘事故的發(fā)生[11-14]。但由于檢測(cè)的信號(hào)較弱，現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜干擾較多，有時(shí)一次放電包含多種放電類型，這給檢測(cè)人員帶來(lái)較大的困難，要想掌握本項(xiàng)技術(shù)還需要在實(shí)踐中不斷積累，加強(qiáng)對(duì)各種放電缺陷類型的分析診斷的積累，提高對(duì)缺陷分析診斷能力；另外，對(duì)于GIS內(nèi)部存在的缺陷，應(yīng)注意采用多種檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行相互驗(yàn)證，如：SF6氣體成份分析，對(duì)于絕緣件內(nèi)部的缺陷，必要時(shí)可采取對(duì)于采用X光探傷技術(shù)來(lái)加以輔助。

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The Partial Discharge Case Analysis of GIS Basin Insulator

ZHOU Hongwei1， LIU Chenghua2,GAI Lei2,ZHAO Xianglong2， XU Zaixing2,HUANG Xiaoming3
（1.Sichuan Water Conservancy Vocational College,Dujiangyan 611830， China;2.State of Grid Linyi Power Supply Company，Linyi 276000,China;3.China Power Engineering Consulting Group Southwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610021,China）

At present,the GIS partial discharge detection technology has been widely applied to the GIS.This paper briefly describes the types of partial discharge in GIS,such as free particle discharge,suspended potential discharge,corona discharge,insulation support discharge，and for the above cases，this paper gives two kinds of common detection principle of GIS partial discharge:UHF partial discharge detection and ultrasonic partial discharge detection,the detection methods can be used to judge the type of partial discharge,locate the discharge power,and find out the fault point accurately.

UHF detection method；ultrasonic testing method； failure analysis

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.034

2016-03-16

周宏偉 （1965—），女，副教授，研究方向：從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化，高電壓技術(shù)方面的教學(xué)和架空輸電線路設(shè)計(jì)。