GIS局部放電帶電檢測技術(shù)分析與現(xiàn)場應用

魏翀， 熊俊， 楊森

(1.上海交通大學 電氣工程系，上?！?00240; 2廣州供電局有限公司電力試驗研究院，廣東 廣州　510410)

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GIS局部放電帶電檢測技術(shù)分析與現(xiàn)場應用

魏翀1， 熊俊2， 楊森2

(1.上海交通大學 電氣工程系，上海200240; 2廣州供電局有限公司電力試驗研究院，廣東 廣州510410)

局部放電帶電檢測是診斷GIS絕緣狀態(tài)最有效的方式之一。在分析特高頻法和超聲波法各自優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出了適合現(xiàn)場應用的聲電聯(lián)合檢測法。在一起220 kV GIS現(xiàn)場案例中，運用方法對GIS內(nèi)部缺陷進行了快速、準確的定位。隨后的停電解體驗證了檢測結(jié)果的正確性，為GIS局放帶電測試技術(shù)的應用積累了寶貴經(jīng)驗。

GIS；局部放電；帶電檢測；聲電聯(lián)合；故障定位

0　引　言

封閉式氣體絕緣組合電器(GIS)具有占地面積小、可靠性高、受外界環(huán)境影響小、維護簡單等優(yōu)點，近年來被廣泛地應用于電力系統(tǒng)中[1-2]。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，在設(shè)計制造、安裝調(diào)試過程中可能存在GIS內(nèi)部絕緣表面臟污、尖刺、自由粒子、固體絕緣內(nèi)部缺陷等。任由這些缺陷在運行過程中不斷發(fā)展將會導致嚴重事故。另外，GIS具有封閉式的結(jié)構(gòu)特性，故障后的檢修需要較長的時間并耗費大量的人力物力。

對GIS進行局部放電帶電檢測是評估GIS運行狀態(tài)的重要手段?？梢蕴崆鞍l(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部潛在的故障或缺陷，保證其安全可靠運行。帶電檢測是短時間帶電的現(xiàn)場測試，具有靈活度高、經(jīng)濟性好、系統(tǒng)維護工作量小的優(yōu)勢，適合我國當前電力生產(chǎn)模式和經(jīng)營模式。然而目前大部分GIS帶電檢測案例只是采用單一檢測方法或先后采用特高頻法和超聲波法對GIS進行檢測[3-5]。本文在辨析超聲波法和特高頻法各自特點的基礎(chǔ)上，制定了一種聲電聯(lián)合的GIS局部放電檢測方法，并給出了利用該方法檢測220 kV GIS設(shè)備內(nèi)部故障的實例?，F(xiàn)場檢測經(jīng)驗證明該方法具有效率高、定位準確的優(yōu)勢。

1　GIS局部放電主要帶電檢測方法

1.1特高頻法(UHF)

特高頻法對伴隨局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(300 MHz≤f≤3 GHz)進行檢測，抵抗現(xiàn)場電暈干擾能力較強。GIS的同軸結(jié)構(gòu)是一種良好的波導結(jié)構(gòu)，特高頻電磁波在其內(nèi)部傳播過程中衰減較小，可以傳播到較遠的距離[6]。而GIS設(shè)備多處位置都裝有盆式絕緣子，這些環(huán)氧材料的絕緣子可以透射特高頻電磁波信號。現(xiàn)場檢測經(jīng)驗表明，利用在放電點附近的多個盆子都可以檢測到不同程度的特高頻信號的特點，可大大提高現(xiàn)場檢測的效率。

圖1　上升沿起點難以確定的特高頻信號

特高頻法采用時差定位法實現(xiàn)GIS局部放電源的定位。即通過計算兩個或多個不同位置的特高頻傳感器接收信號的時延來確定放電源的位置。根據(jù)費碼最短光程原理，兩路信號間的到達時延應為其各自波形上升沿起點的時間差[7]。電磁波以光速在GIS中傳播，時延的計算精度對該方法的定位精度影響很大，每1 ns的時延誤差將會帶來空間上0.3 m的定位誤差。當信號的起始脈沖較小而背景噪聲較大或信噪比很低時，特高頻信號的上升沿起點往往很難確定，如圖1所示信號。該信號為現(xiàn)場實測信號僅通過檢測人員的人工判斷，將無法準確的定位放電源，造成定位點與實際放電點之間的距離偏差較大。因此在現(xiàn)場檢測中，只使用特高頻法難以實現(xiàn)局部放電的精確定位，定位的有效范圍往往限制在1～2個氣室內(nèi)。

1.2超聲波法

超聲波法通過對GIS腔體外壁安裝超聲波傳感器檢測局部放電產(chǎn)生的超聲波信號。超聲波傳感器與電力設(shè)備的電氣回路無任何聯(lián)系，抗電磁干擾能力較強但容易受到機械干擾[8]。相比特高頻法，超聲波法的測量位置不受盆子限制，測量方案靈活多變。但超聲波法存在以下問題：信號的有效范圍較小，現(xiàn)場經(jīng)驗表明每隔0.5 m～1 m需要布置一個測量點；操作不便，外置式超聲傳感器需要通過粘結(jié)劑貼在殼體表面。如果采用超聲波法對變電站中所有GIS間隔進行普測，所需的現(xiàn)場工作量繁重且容易漏測。

超聲波法對局部放電源定位的方法分幅值法和時差法兩種。幅值法是根據(jù)超聲波信號的衰減特性，利用其峰值或有效值的大小定位，一般離信號源越近，信號越大。但由于波的擴散、反射和熱傳導均可造成衰減，且超聲波在不同媒介中傳播的衰減強弱不同，該方法只可實現(xiàn)初步定位。時差法是根據(jù)傳感器的空間坐標和超聲傳感器到達傳感器的時差，通過聯(lián)立球面方程或雙曲面方程計算空間坐標。但由于GIS各個氣室的結(jié)構(gòu)、尺寸不同，傳感器的空間坐標難以確定，使得在現(xiàn)場應用時受到一定的制約。

1.3聲電聯(lián)合檢測法

聲電聯(lián)合檢測法同時對局部放電源產(chǎn)生的超聲信號和特高頻信號進行檢測。如表1所示，利用兩者互補的特性，使其相比于單一超聲法和特高頻法有更強的抗干擾能力，并能提高定位精度。

該方法首先利用特高頻法有效測量范圍大的特點，高效率的對GIS間隔整體狀況進行巡檢。對存在疑似信號的區(qū)域再采用特高頻法和超聲法聯(lián)合進行定位分析。根據(jù)GIS的同軸結(jié)構(gòu)，利用了平分面法確定放電點所在平面。由于電磁波信號的傳播速度遠遠快于超聲信號的速度，以特高頻信號作為基準，超聲信號對基準的延遲時間乘以超聲信號在介質(zhì)中的傳播速度即為超聲傳感器與放電點間的直線距離。以此實現(xiàn)了放電點的準確定位。其現(xiàn)場檢測步驟如下：

(1) 將外置式特高頻傳感器a、b分別貼在可測得異常信號的盆式絕緣子上。若局放點位于如圖2所示位置，則特高頻傳感器b測得信號超前特高頻傳感器a測得信號?？沙醪脚卸ň址旁次恢锰幱趥鞲衅鱞兩側(cè)的氣室，即氣室B或氣室C。

圖2　聲電聯(lián)合法確定局放點位置示意圖

(2) 特高頻傳感器b位置不變，將兩個超聲傳感器分別貼在絕緣子兩側(cè)氣室(如圖2中1、2位置)。利用超聲波在GIS常用材料介質(zhì)中衰減較大的特性，比較兩位置測得超聲信號的幅值。如圖2所示情況，則2號位置的超聲傳感器幅值較大，將放電位置進一步縮小在氣室B。

(3) 以外置式特高頻傳感器b測得信號作為時間基點，保持一個超聲傳感器在2位置不變，在氣室B外壁上移動另外一個超聲傳感器。根據(jù)平分面法，使得兩路超聲信號的到時間基點的時延相同(如圖2中2、3位置)。則放電點位置在兩超聲傳感器的垂直平分面上。

(4) 將一個超聲傳感器移動到該垂直平分面與GIS外壁的交線上任意一點(可選圖2中4位置)。讀取該位置下超聲信號與時間基點間的時延，利用超聲波的傳播速度，確定放電點的具體位置。

表1　兩種檢測方法特點對比表

注：特高頻法抵抗低頻電暈干擾能力較強，但容易受到特高頻范圍內(nèi)電磁干擾的影響。

2　現(xiàn)場案例分析

采用上海交通大學自行研制的JD—S100局放帶電檢測系統(tǒng)在某500 kV變電站內(nèi)220 kV GIS多個部位檢測到典型的局部放電異常信號。根據(jù)信號幅值的強弱和時延的大小確定了局部放電產(chǎn)生的間隔，該間隔主要包括斷路器、刀閘、電流互感器、絕緣盆子等。通過聲電聯(lián)合檢測法確定放電點位于220 kV GIS上方刀閘A相的傳動機構(gòu)。

2.1檢測數(shù)據(jù)分析

在220 kV GIS上方刀閘A相附近測得的典型特高頻及超聲信號如圖3所示。通道2表示特高頻傳感器a測得信號，通道3表示超聲傳感器測得信號，通道4表示特高頻傳感器b測得信號。其中，特高頻傳感器b貼在A相刀閘氣室的盆式絕緣子上，特高頻傳感器a指向外部，用來檢測背景。

圖3　220 kV GIS上方刀閘A相典型測試信號

特高頻傳感器b檢測信號峰峰值達到5.41 V，而檢測背景的特高頻傳感器a的峰峰值僅為2.88 V。特高頻信號每個工頻周期內(nèi)存在2個局放脈沖，脈沖之間相角差穩(wěn)定在180°。超聲波信號的幅值較大，峰峰值達到1.77 V，并具有明顯的工頻相關(guān)性。測得的特高頻與超聲脈沖信號之間一一對應，脈沖個數(shù)較少、幅值較大、存在間歇性與懸浮電極放電的特征相符，應為懸浮電極類放電[9]。兩種檢測方法相互佐證，可以有效的避免外部干擾對單一檢測技術(shù)的影響，提高檢測的準確性。

為了確定放電源的位置，首先將兩特高頻傳感器分別貼于A相刀閘兩側(cè)的兩個盆式絕緣子上，測得典型的信號如圖4所示。通道4為在A相刀閘靠近出線側(cè)盆式絕緣子上測得的信號，該信號超前另一路特高頻信號。放電點位置靠近A相刀閘靠近出線側(cè)盆式絕緣子，完成了初步定位。

圖4　A相刀閘兩側(cè)絕緣子測得的特高頻信號

圖5　聲電聯(lián)合法定位測試現(xiàn)場照片

利用聲電聯(lián)合法對放電點進行精確定位。以特高頻信號作為參考，同時采用兩路超聲傳感器進行時延定位分析。如圖5所示，將特高頻傳感器固定在A相刀閘靠近出線的盆式絕緣子上，將超聲傳感器a粘貼在刀閘的上端，超聲傳感器b貼在刀閘的下端。

圖6　聲電聯(lián)合法定位測試結(jié)果

聲電聯(lián)合法測得的典型信號如圖6所示。通道1為超聲傳感器a測得信號，通道3為超聲傳感器b測得信號，通道4為特高頻傳感器測得信號。超聲傳感器a測得信號在時間上超前超聲傳感器b測得信號，即放電源應該靠近刀閘的上端。根據(jù)平分面法，通過多次移動兩個超聲傳感器進行對比分析，最終確定放電點靠近刀閘A相頂部。

由于聲電聯(lián)合定位法以電信號和超聲波信號之間的時間差作為故障點到超聲波傳感器的時間，以等值聲速乘以傳播時間就是故障點到達超聲波傳感器的距離。當超聲傳感器貼近刀閘A相頂部時，特高頻脈沖與超聲脈沖之間的時間差Δt約100 μs，參見圖6。如按照SF6中超聲波的傳播速率來計算，放電源與超聲傳感器之間的距離約為16 mm?？紤]到GIS外殼有一定的厚度，該放電源應該臨近GIS外殼。當局部放電源靠近GIS外殼時，產(chǎn)生的電磁波傳播路徑為沿GIS外殼內(nèi)表面繞向傳播路徑而非直線路徑[10]。沿直線傳播的特高頻信號到達時間應早于圖6通道4測得信號到達時間，故障點與外殼內(nèi)壁的距離應略大于16 mm。

2.2檢測結(jié)果判斷

圖7　放電源位置定位

綜上所述，刀閘A相放電源應位于如圖7所示的位置，考慮到該處實際安裝的是刀閘的傳動機構(gòu)，因此放電現(xiàn)象應是由于刀閘的傳動機構(gòu)產(chǎn)生的；此外由于放電類型為懸浮電極放電，該傳動機構(gòu)應該存在連接部件松動的情況。

2.3解體檢查

圖8　刀閘解體后照片

對異常220 kV GIS進行現(xiàn)場停電解體，GIS的內(nèi)部情況如圖8所示。在刀閘的絕緣桿與傳動機構(gòu)的連接處發(fā)現(xiàn)明顯的放電痕跡，放電點四周有大量灰色粉末。

該故障是由于絕緣桿與傳動機構(gòu)的連接部位接觸不良或經(jīng)長時間的震動出現(xiàn)松動，造成連接部位形成非接觸狀態(tài)。進而造成懸浮電位并產(chǎn)生局部放電，長時間的放電引起金屬件的電腐蝕進而又加劇放電產(chǎn)生惡性循環(huán)。驗證了本文提出的聲電聯(lián)合法檢測的準確性。

3　結(jié)束語

局部放電帶電檢測能在不斷電、不改變運行狀態(tài)的情況下了解GIS的設(shè)備工況。便于電力公司有針對性的指導檢修工作。采用單一檢測方法或先后采用特高頻法和超聲波法對GIS進行檢測在現(xiàn)場應用時仍存在較多不足。筆者在辨析特高頻法和超聲波法特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合一起220 kV GIS刀閘局部放電異常的帶電檢測案例，給出了聲電聯(lián)合法的檢測步驟、現(xiàn)場的檢測信號波形和后續(xù)設(shè)備的解體照片?，F(xiàn)場檢測情況表明，聲電聯(lián)合法檢測具有效率高，靈敏度強，定位準確的優(yōu)勢。

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Analysis and Field Application of Live Detection of Partial GIS Discharge

WEI Chong1, XIONG Jun2, YANG Sen2

(1. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Electric Power Test and Research Institute, Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510410, China)

Live detection of partial discharge is one of the most effective methods for GIS insulation diagnosis. After analyzing the advantages and disadvantages of UHF method and ultrasonic method, this paper presents an approach combining both methods for field application. In a 220kV GIS on site, internal defects in the GIS are located quickly and preciously in the new method. The following service interruption and disintegration verifies the correctness of the detection results, thus providing valuable experience for live detection of partial GIS discharge.

GIS;partial discharge; live detection; combination of UHF and ultrasonic methods,;fault location

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.032

TM711

A

1000-3886(2016)02-0106-03

魏翀 (1991-)，男，安徽合肥人，碩士生，主要從事輸變電設(shè)備局部放電帶電檢測技術(shù)的研究。熊俊 (1983-)，男，江西宜豐人，高級工程師，主要從事高壓設(shè)備預防性試驗管理、狀態(tài)檢測新技術(shù)應用與推廣工作。楊森(1989-)，男，湖南長沙人，助理工程師，長期從事高壓設(shè)備預防性試驗、狀態(tài)監(jiān)測新技術(shù)應用工作。

定稿日期: 2015-12-04