GIS局部放電超聲波檢測(cè)技術(shù)

1、GIS局部放電超聲波檢測(cè)技術(shù)1、 GIS局部放電超聲波檢測(cè)原理 SF6氣體絕緣組合電氣設(shè)備（GIS）因其具有故障低、免維護(hù)等特點(diǎn)而在電力系統(tǒng)中被廣泛使用。但是GIS具有全封閉的特殊性，使得除了進(jìn)行微水檢測(cè)等少數(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目外，現(xiàn)行的高壓電氣設(shè)備例行試驗(yàn)的大多數(shù)項(xiàng)目無(wú)法采用GIS，長(zhǎng)期以來它幾乎處于無(wú)維護(hù)狀態(tài)。GIS設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)的缺陷，不容易進(jìn)行排查。隨著GIS電壓等級(jí)的提高和體積的縮小，GIS內(nèi)部電場(chǎng)越來越高。GIS內(nèi)部主要絕緣介質(zhì)有SF6氣體和環(huán)氧絕緣構(gòu)件等。當(dāng)絕緣存在缺陷時(shí)，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布便會(huì)發(fā)生畸變，導(dǎo)致局部放電而使內(nèi)部絕緣受到破壞，同時(shí)往往伴隨著超聲信號(hào)的產(chǎn)生。因此目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用局部放電

2、超聲波檢測(cè)技術(shù)等非電量測(cè)量法來檢測(cè)GIS故障。通過收集這些聲信號(hào)，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)加以分析，可以對(duì)GIS的運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)估。局部放電超聲波檢測(cè)原理如下圖 在GIS的各類故障中，絕緣故障占有較大比例。實(shí)際運(yùn)行情況表明，故障發(fā)生時(shí)常常并沒有進(jìn)行系統(tǒng)操作，也不存在過電壓。導(dǎo)致這些絕緣故障的主要是一些曉得絕緣缺陷，如內(nèi)部故障缺陷、自由顆粒、毛刺、接觸不良、固體絕緣表面臟污等。隨著這些微小缺陷的逐漸擴(kuò)大，會(huì)使放電所產(chǎn)生的電荷在固體絕緣表面逐漸積累，導(dǎo)致電場(chǎng)分布的嚴(yán)重畸變。要及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些潛在的絕緣缺陷，必須依靠局部放電超聲波檢測(cè)。 GIS可分為三相共體式和分相式兩種。盡管GIS在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不盡相同，但內(nèi)部結(jié)

3、構(gòu)基本一致，主要有SF6氣體、絕緣支座、拉桿、盤式絕緣子、導(dǎo)電體、氣室外殼等。GIS絕緣故障的發(fā)生，可能是在產(chǎn)品產(chǎn)生、現(xiàn)場(chǎng)安裝以及運(yùn)行操作等過程中。如下圖，導(dǎo)致GIS產(chǎn)生局部放電的原因具體分為以下幾種： （1）氣室內(nèi)導(dǎo)體上和金屬外殼上的異常凸起。GIS在裝配過程中留下的焊疤或較大的毛刺等，往往在老煉試驗(yàn)中無(wú)法清除，便在運(yùn)行的氣室內(nèi)留下異常凸起點(diǎn)。此類缺陷危害較大，會(huì)造成氣室內(nèi)局部場(chǎng)強(qiáng)不均勻。當(dāng)局部場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到某一水平時(shí)，凸起點(diǎn)將出現(xiàn)尖端閃絡(luò)。對(duì)于雷電或操作的快速暫態(tài)沖擊，凸起點(diǎn)閃絡(luò)將會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿。一般超過12mm的凸起點(diǎn)被認(rèn)為是有害的缺陷。 （2）氣室內(nèi)自由金屬顆粒在電場(chǎng)作用下獲得電荷，并受到靜

4、電力的作用，如果這種力超過其重力，顆粒就會(huì)從外殼上升，并在氣室內(nèi)運(yùn)動(dòng)而造成間隙性電暈放電。顆粒的形狀及其位置直接影響到氣室的耐壓水平。顆粒越長(zhǎng)，越接近高壓導(dǎo)體，其危險(xiǎn)程度就越大。如果吸附于絕緣子上，可能會(huì)導(dǎo)致絕緣子表面閃絡(luò)受損，可能造成更大的危害。 （3）電動(dòng)和機(jī)械力造成氣室內(nèi)零配件松動(dòng)。如果屏蔽罩松脫，將直接導(dǎo)致電位浮懸，電氣絕緣距離縮短，交流耐壓水平大幅度下降。如該懸浮屏蔽接近電極，將導(dǎo)致屏蔽與電極見大規(guī)模放電。 （4）固體絕緣內(nèi)部的空隙和缺陷。在電場(chǎng)作用下，固體絕緣內(nèi)部的空隙和缺陷會(huì)產(chǎn)生局部放電或固體表面樹枝狀放電，長(zhǎng)期累積效應(yīng)使固體絕緣老話直接擊穿，此類缺陷直接影響到GIS的使用壽命。

5、 當(dāng)GIS中的缺陷在電壓作用下發(fā)生局部放電時(shí)，局放產(chǎn)生的能量是周圍SF6氣體的溫度驟然升高，從而形成局部過熱，所產(chǎn)生的擾動(dòng)以壓力波的形式傳播，其類型包括縱波、橫波和表面波。不同的電氣設(shè)備、環(huán)境條件和絕緣狀況產(chǎn)生的聲波頻譜都不相同。GIS中沿SF6氣體傳播的只有縱波，這種超聲縱波以球面波的形式向周圍傳播。由于超聲波的波長(zhǎng)較短、方向性將強(qiáng)，所以它的能量也較為集中，因而可以通過設(shè)置在外壁的壓敏傳感器收集超聲放電信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。 GIS發(fā)生局部放電時(shí)，傳感器檢測(cè)頻率較低，易受到環(huán)境噪聲的影響；傳感器檢測(cè)頻率較高，則信號(hào)衰減嚴(yán)重。GIS中的超聲波信號(hào)頻率集中在20200kHz。由于聲音信號(hào)在SF6

6、氣體中的傳輸速度很低（約140m/s,約為在油中傳播速度的1/10，在空氣中傳播速度的1/2）,在傳播時(shí)衰減很大（26dB/m，約為空氣或油中的20倍），且衰減量隨著頻率的12次方增加，顧超聲波診斷方法在對(duì)局部放電放電量大小的分析上受到電源距離影響很大，一般不用于定量分析。如果傳感器接近缺陷，可達(dá)到檢測(cè)5pC放電信號(hào)的靈敏度水平，但在測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離缺陷的情況下，靈敏度大為降低。但正是由于超聲波在SF6氣體中具體衰減快這一點(diǎn)，使得利用超聲波技術(shù)檢測(cè)GIS時(shí)具有定位的特性。2、 GIS局部放電超聲波檢測(cè)診斷方法 1、GIS各類缺陷局部放電的特點(diǎn) （1）毛刺缺陷 金屬外殼和帶電導(dǎo)體上的凸起部分，即毛刺，

7、會(huì)引起局部電場(chǎng)升高，這種缺陷對(duì)工頻耐壓水平影響較小，因?yàn)楣ゎl電壓變化緩慢，毛刺等缺陷有時(shí)間形成與外加電場(chǎng)方向相反的空間電荷，使其局部放電其實(shí)放電電壓升高。對(duì)于雷電沖擊或者隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的快上升沿的瞬態(tài)過電壓，由于持續(xù)時(shí)間短，來不及形成與外加電場(chǎng)方向相反的空間電荷，因此這種類型缺陷將使雷電沖擊耐受水平大大降低。通常導(dǎo)體上超過12mm的凸起是明顯有害的，由于殼體上的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，所以殼體上的類似凸起危害較小。 如下圖，雖然導(dǎo)體上的毛刺與殼體上的毛刺的放電特征是一樣的，都屬于電暈放電，但是由于導(dǎo)體上的毛刺位于氣室中心，其產(chǎn)生的壓力波會(huì)呈扇形在整個(gè)氣室傳遞，在殼體外能在較廣的范圍內(nèi)接收到信號(hào)，而殼體

8、上的毛刺信號(hào)較集中，在放電處信號(hào)最強(qiáng)。也可以根據(jù)SF6氣體對(duì)高頻信號(hào)的衰減特性，調(diào)整帶通濾波器的上限頻率，然后根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度來判斷是亮體還是導(dǎo)體上的毛刺放電。如果信號(hào)強(qiáng)度明顯降低，表明是殼體上的毛刺放電；如果信號(hào)變化不大，表明導(dǎo)體上的毛刺放電。 導(dǎo)體和殼體毛刺放電（電暈放電）的信號(hào)特征： 具有50Hz和100Hz的頻率相關(guān)性，50Hz相關(guān)性更強(qiáng)； 峰值與有效值的比值低； 信號(hào)的頻率分成比較窄，一般小于80kHz。 （2）自由顆粒缺陷 如圖所示，自由顆粒在GIS中受到電力場(chǎng)和重力場(chǎng)作用，如果電力場(chǎng)超過重力，顆粒將會(huì)上下跳動(dòng)。顆粒每碰撞殼體一次，就發(fā)射一個(gè)寬帶瞬態(tài)聲脈沖，在殼體內(nèi)來回傳播。來

9、自這種自由顆粒的聲信號(hào)是顆粒端部的局部放電和顆粒碰撞殼體產(chǎn)生的聲信號(hào)的混合。 自由顆粒的超聲波信號(hào)特征： 信號(hào)水平高； 信號(hào)表征不重復(fù)，隨機(jī)性強(qiáng)； 信號(hào)幅值波動(dòng)范圍大； 峰值系數(shù)大； 50Hz、100Hz信號(hào)含量少。 自由移動(dòng)顆粒對(duì)雷電沖擊耐受電壓水平影響較小，但它們的存在可能使工頻耐受電壓水平明顯降低。降低的多少取決于顆粒的形狀和位置，顆粒越長(zhǎng)且越接近高壓導(dǎo)體，危險(xiǎn)性越大；如果顆粒移動(dòng)到絕緣子上，則變得更危險(xiǎn)。絕緣子上的顆粒隨著時(shí)間的推移也可能使絕緣子表面劣化，從而引起閃絡(luò)。 自由顆粒危險(xiǎn)性評(píng)估： 顆粒的危險(xiǎn)性與顆粒的長(zhǎng)度、跳躍高度以及飛行時(shí)間有關(guān)。顆粒越大，跳躍高度越高，飛行時(shí)間越長(zhǎng)，越危

10、險(xiǎn)。 顆粒碰撞到導(dǎo)體可能導(dǎo)致?lián)舸?盆式絕緣子上的顆粒是非常危險(xiǎn)的，可能造成盆式絕緣子表面損壞。 （3）懸浮屏蔽缺陷 機(jī)械振動(dòng)或接觸不良會(huì)引起電位懸浮，懸浮金屬體可能導(dǎo)致電氣絕緣距離縮短，交流耐壓水平大幅度下降，當(dāng)懸浮屏蔽與導(dǎo)體之間的電壓超出耐受電壓時(shí)就會(huì)發(fā)生大規(guī)模放電或電弧產(chǎn)生，如下圖 其信號(hào)特征為： 工頻耐壓水平降低； 信號(hào)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)； 100Hz的相關(guān)性強(qiáng)烈。 電位懸浮一般發(fā)生在開關(guān)氣室的屏蔽松動(dòng)、PT/CT氣室絕緣支撐松動(dòng)或偏離、母線氣室絕緣支撐松動(dòng)或偏離，或者氣室連接部位接插件偏離或螺母松動(dòng)時(shí)。 2、各類缺陷的診斷方法 不同的缺陷會(huì)產(chǎn)生不同的放電現(xiàn)象，所檢測(cè)到的放電信號(hào)也有所不同

11、，見下表。局部放電測(cè)試裝置利用超聲波原理采集到GIS內(nèi)的局部放電信號(hào)，根據(jù)不同放電信號(hào)的不同特征可診斷出類型。自由顆粒缺陷毛刺缺陷懸浮屏蔽缺陷信號(hào)水平高低高峰值/有效值高低高工頻頻率相關(guān)性無(wú)強(qiáng)弱2倍工頻頻率相關(guān)性無(wú)弱強(qiáng) 如果在連續(xù)測(cè)量中，初步判斷可能存在顆粒缺陷，可采用脈沖測(cè)量方式進(jìn)行確認(rèn)。脈沖測(cè)量方式反映了顆粒的大小與飛行時(shí)間的關(guān)系。 如果在連續(xù)測(cè)量中，初步判斷可能存在毛刺或者懸浮屏蔽缺陷，可采用相位測(cè)量方式確認(rèn)。相位測(cè)量方式可用來判斷測(cè)量信號(hào)是否與工頻周期存在關(guān)系。3、 影響GIS局部放電超聲波檢測(cè)的因素 1、背景噪聲的影響 在測(cè)試GIS局部放電的時(shí)候，測(cè)試結(jié)果往往會(huì)受到背景噪聲的影響。由

12、于變電站的情況一般都很復(fù)雜，電暈放電、機(jī)械振動(dòng)等都會(huì)產(chǎn)生聲波，可能會(huì)對(duì)GIS局部放電的測(cè)試結(jié)果帶來一定的影響，所以濾除背景噪聲是非常必要的。 2、傳感器的影響 傳感器的測(cè)試精度以及檢測(cè)頻段會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來一定的影響。另外，由于GIS的筒壁是圓弧形的，所以傳感器必須緊貼GIS筒壁，否則會(huì)引入外來干擾，影響測(cè)試結(jié)果。 3、測(cè)試人員的影響 由于目前GIS局部放電測(cè)試沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)狀況也各不相同，所以測(cè)試時(shí)需要測(cè)試人員具有一定的判斷經(jīng)驗(yàn)。4、 典型實(shí)例分析 應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)某次某次地震后某電站GIS設(shè)備進(jìn)行局部放電檢測(cè)。如下圖左側(cè)所示為無(wú)缺陷設(shè)備測(cè)試圖譜，右側(cè)所示為GIS C相某分支出線的測(cè)

13、試圖譜。（a）為連續(xù)測(cè)量方式，（b）為脈沖測(cè)量方式，（c）為相位測(cè)量方式。 從兩圖對(duì)比可以看出，C相某分支出線有較明顯的放電信號(hào)，且局部放電信號(hào)與100Hz相關(guān)性很強(qiáng)。根據(jù)分析和判斷，該部位可能因地震而產(chǎn)生松動(dòng)，形成懸浮電位。打開后緊固，設(shè)備恢復(fù)正常。 利用超聲波檢測(cè)技術(shù)隊(duì)某變電站GIS進(jìn)行局部放電檢測(cè)。母線氣室手孔附近檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)超過100mV，而50Hz和100Hz相關(guān)性都出現(xiàn)，且數(shù)值相差不多。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，此處沒有絕緣支撐，只能是殼體上的雜志或尖峰放電。打開后發(fā)現(xiàn)手孔和殼體底部都有雜質(zhì)，是由于固體吸附殼體干燥過熱所產(chǎn)生的氧化物碎屑。該實(shí)例中的相關(guān)測(cè)試圖譜及實(shí)物照片如下圖。五、總結(jié)

14、超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)高壓電氣設(shè)備的檢測(cè)具有易于實(shí)現(xiàn)帶電檢測(cè)、便于空間定位、抗干擾能力較強(qiáng)等特點(diǎn)。目前采樣超聲波檢測(cè)技術(shù)測(cè)量局部放電信號(hào)是將超聲波傳感器貼在接地的高壓電氣設(shè)備外殼進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行和操作沒有任何影響，從而減少了設(shè)備停電檢查的時(shí)間，提高了設(shè)備的供電可靠性。高壓電氣設(shè)備局部放電產(chǎn)生的聲波頻率分布范圍很廣，包括了超聲波頻率，而現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境干擾（如運(yùn)行中變壓器的勵(lì)磁噪聲、散熱器風(fēng)扇、冷卻器噪聲、潛油泵噪聲、循環(huán)油噪聲等）的頻率大多屬于可聽聲音頻段，因此，選擇局部放電產(chǎn)生的超聲頻段進(jìn)行檢測(cè)容易避開背景噪聲干擾的影響。 目前利用超聲波法測(cè)量局部放電的主要局限性是不能進(jìn)行定量分析，檢測(cè)靈敏度不是很高。對(duì)于檢測(cè)來自絕緣材料內(nèi)部的缺陷，雖然絕緣體內(nèi)部缺陷將使放電上升、產(chǎn)生電樹枝，并可能引起擊穿，但由于絕緣固體中超聲波信號(hào)衰減很大，故超聲波檢測(cè)法很難檢測(cè)到絕緣材料中的缺陷等。并且由于聲波在傳播途徑中衰減、畸變嚴(yán)重，聲測(cè)法基本上不能反映放電量的大小。 在今后的高壓電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)方法中，超聲波與其他電量信號(hào)的聯(lián)合檢測(cè)方法將成為在線檢測(cè)的主要發(fā)展方向。在對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行巡檢時(shí)，可首先利用超高