GIS局部放電超聲波檢測技術(shù)_圖文

1、GIS局部放電超聲波檢測技術(shù)1、GIS局部放電超聲波檢測原理SF6氣體絕緣組合電氣設(shè)備（GIS）因其具有故障低、免維護等特點而在電力系統(tǒng)中被廣泛使用。但是GIS具有全封閉的特殊性，使得除了進行微水檢測等少數(shù)試驗項目外，現(xiàn)行的高壓電氣設(shè)備例行試驗的大多數(shù)項目無法采用GIS，長期以來它幾乎處于無維護狀態(tài)。GIS設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)的缺陷，不容易進行排查。隨著GIS電壓等級的提高和體積的縮小，GIS內(nèi)部電場越來越高。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，內(nèi)部場強分布便會發(fā)生畸變，導(dǎo)致局部放電而使內(nèi)部絕緣受到破壞，同時往往伴隨著超聲信號的產(chǎn)生。因此目前國內(nèi)外廣泛采用局部放電超聲

2、波檢測技術(shù)等非電量測量法來檢測GIS故障。通過收集這些聲信號，并根據(jù)實際經(jīng)驗加以分析，可以對GIS的運行狀況進行評估。局部放電超聲波檢測原理如下圖在GIS的各類故障中，絕緣故障占有較大比例。實際運行情況表明，故障發(fā)生時常常并沒有進行系統(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大，會使放電所產(chǎn)生的電荷在固體絕緣表面逐漸積累，導(dǎo)致電場分布的嚴(yán)重畸變。要及時發(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。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)計上不盡相同，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一

3、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)場安裝以及運行操作等過程中。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，往往在老煉試驗中無法清除，便在運行的氣室內(nèi)留下異常凸起點。此類缺陷危害較大，會造成氣室內(nèi)局部場強不均勻。當(dāng)局部場強達到某一水平時，凸起點將出現(xiàn)尖端閃絡(luò)。對于雷電或操作的快速暫態(tài)沖擊，凸起點閃絡(luò)將會導(dǎo)致絕緣擊穿。一般超過12mm的凸起點被認(rèn)為是有害的缺陷。（2）氣室內(nèi)自由金屬顆粒在電場作用下獲得電荷，并受到靜電力的作用，

4、如果這種力超過其重力，顆粒就會從外殼上升，并在氣室內(nèi)運動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，越接近高壓導(dǎo)體，其危險程度就越大。如果吸附于絕緣子上，可能會導(dǎo)致絕緣子表面閃絡(luò)受損，可能造成更大的危害。（3）電動和機械力造成氣室內(nèi)零配件松動。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。在電場作用下，固體絕緣內(nèi)部的空隙和缺陷會產(chǎn)生局部放電或固體表面樹枝狀放電，長期累積效應(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。當(dāng)GIS中的缺陷

5、在電壓作用下發(fā)生局部放電時，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。由于超聲波的波長較短、方向性將強，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并對信號進行分析。GIS發(fā)生局部放電時，傳感器檢測頻率較低，易受到環(huán)境噪聲的影響；傳感器檢測頻率較高，則信號衰減嚴(yán)重。GIS中的超聲波信號頻率集中在20200kHz。由于聲音信號在SF6氣體中的傳輸速度很低

6、（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，可達到檢測5pC放電信號的靈敏度水平，但在測量點遠離缺陷的情況下，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，使得利用超聲波技術(shù)檢測GIS時具有定位的特性。2、GIS局部放電超聲波檢測診斷方法1、GIS各類缺陷局部放電的特點（1）毛刺缺陷金屬外殼和帶電導(dǎo)體上的凸起部分，即毛刺，會引起局部電場升高，這種缺陷

7、對工頻耐壓水平影響較小，因為工頻電壓變化緩慢，毛刺等缺陷有時間形成與外加電場方向相反的空間電荷，使其局部放電其實放電電壓升高。對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)時間短，來不及形成與外加電場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，由于殼體上的電場強度降低，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)生的壓力波會呈扇形在整個氣室傳遞，在殼體外能在較廣的范圍內(nèi)接收到信號，而殼體上的毛刺信號較集中，在放電處信

8、號最強。也可以根據(jù)SF6氣體對高頻信號的衰減特性，調(diào)整帶通濾波器的上限頻率，然后根據(jù)接收到信號的強度來判斷是亮體還是導(dǎo)體上的毛刺放電。如果信號強度明顯降低，表明是殼體上的毛刺放電；如果信號變化不大，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）的信號特征：具有50Hz和100Hz的頻率相關(guān)性，50Hz相關(guān)性更強；峰值與有效值的比值低；信號的頻率分成比較窄，一般小于80kHz。（2）自由顆粒缺陷如圖所示，自由顆粒在GIS中受到電力場和重力場作用，如果電力場超過重力，顆粒將會上下跳動。顆粒每碰撞殼體一次，就發(fā)射一個寬帶瞬態(tài)聲脈沖，在殼體內(nèi)來回傳播。來自這種自由顆粒的聲信號是顆粒端部的局部放電

9、和顆粒碰撞殼體產(chǎn)生的聲信號的混合。自由顆粒的超聲波信號特征：信號水平高；信號表征不重復(fù)，隨機性強；信號幅值波動范圍大；峰值系數(shù)大；50Hz、100Hz信號含量少。自由移動顆粒對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，顆粒越長且越接近高壓導(dǎo)體，危險性越大；如果顆粒移動到絕緣子上，則變得更危險。絕緣子上的顆粒隨著時間的推移也可能使絕緣子表面劣化，從而引起閃絡(luò)。自由顆粒危險性評估：顆粒的危險性與顆粒的長度、跳躍高度以及飛行時間有關(guān)。顆粒越大，跳躍高度越高，飛行時間越長，越危險。 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

10、險的，可能造成盆式絕緣子表面損壞。（3）懸浮屏蔽缺陷機械振動或接觸不良會引起電位懸浮，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就會發(fā)生大規(guī)模放電或電弧產(chǎn)生，如下圖其信號特征為：工頻耐壓水平降低；信號穩(wěn)定，重復(fù)性強；100Hz的相關(guān)性強烈。電位懸浮一般發(fā)生在開關(guān)氣室的屏蔽松動、PT/CT氣室絕緣支撐松動或偏離、母線氣室絕緣支撐松動或偏離，或者氣室連接部位接插件偏離或螺母松動時。2、各類缺陷的診斷方法不同的缺陷會產(chǎn)生不同的放電現(xiàn)象，所檢測到的放電信號也有所不同，見下表。局部放電測試裝置利用超聲波原理采集到GIS內(nèi)的局部放電信號，根據(jù)不同放

11、電信號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水平高低高峰值/有效值高低高工頻頻率相關(guān)性無強弱2倍工頻頻率相關(guān)性無弱強如果在連續(xù)測量中，初步判斷可能存在顆粒缺陷，可采用脈沖測量方式進行確認(rèn)。脈沖測量方式反映了顆粒的大小與飛行時間的關(guān)系。如果在連續(xù)測量中，初步判斷可能存在毛刺或者懸浮屏蔽缺陷，可采用相位測量方式確認(rèn)。相位測量方式可用來判斷測量信號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的因素1、背景噪聲的影響在測試GIS局部放電的時候，測試結(jié)果往往會受到背景噪聲的影響。由于變電站的情況一般都很復(fù)雜，電暈放電、機械振動等都會產(chǎn)生聲波，可能會對GIS局部放電的測試

12、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試精度以及檢測頻段會給測試結(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，否則會引入外來干擾，影響測試結(jié)果。3、測試人員的影響由于目前GIS局部放電測試沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場狀況也各不相同，所以測試時需要測試人員具有一定的判斷經(jīng)驗。4、典型實例分析應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)對某次某次地震后某電站GIS設(shè)備進行局部放電檢測。如下圖左側(cè)所示為無缺陷設(shè)備測試圖譜，右側(cè)所示為GIS C相某分支出線的測試圖譜。（a）為連續(xù)測量方式，（b）為脈沖測量方式，（c）為相位測量方式。從兩圖對比可以看出，C相某分

13、支出線有較明顯的放電信號，且局部放電信號與100Hz相關(guān)性很強。根據(jù)分析和判斷，該部位可能因地震而產(chǎn)生松動，形成懸浮電位。打開后緊固，設(shè)備恢復(fù)正常。利用超聲波檢測技術(shù)隊某變電站GIS進行局部放電檢測。母線氣室手孔附近檢測時發(fā)現(xiàn)檢測信號超過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。該實例中的相關(guān)測試圖譜及實物照片如下圖。五、總結(jié)超聲波檢測技術(shù)對高壓電氣設(shè)備的檢測具有易于實現(xiàn)帶電檢測、便于空間定位、抗干擾能力較強等特點。目前采樣超聲波檢

14、測技術(shù)測量局部放電信號是將超聲波傳感器貼在接地的高壓電氣設(shè)備外殼進行檢測，對設(shè)備的運行和操作沒有任何影響，從而減少了設(shè)備停電檢查的時間，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)場的環(huán)境干擾（如運行中變壓器的勵磁噪聲、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)生的超聲頻段進行檢測容易避開背景噪聲干擾的影響。目前利用超聲波法測量局部放電的主要局限性是不能進行定量分析，檢測靈敏度不是很高。對于檢測來自絕緣材料內(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衰減很大，故超聲波檢測法很難檢測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)備局部放電檢測方法中，超聲波與其他電量