GIS局部放電常規(guī)檢測和超聲波檢測方法的應用比較

1、2009年6月第45卷第3期 收稿日期:2008-12-25;修回日期:2009-02-13作者簡介:李德軍(1976,男,碩士研究生,從事GIS 的制造和研究工作。0引言隨著電力需求的不斷增大,電力設備電壓等級的不斷提高,電網(wǎng)中高壓GIS 的應用越來越廣泛。由于GIS 結(jié)構(gòu)緊湊,承受的工作場強往往很高,因此對GIS 設備的絕緣性能有很高的要求。但在GIS 制造、運輸和現(xiàn)場安裝調(diào)試的過程中,有時會產(chǎn)生一些絕緣性缺陷。這些缺陷在GIS 運行過程中可能會引發(fā)絕緣故障,甚至造成嚴重的系統(tǒng)事故1,2。研究表明,絕緣介質(zhì)在發(fā)生擊穿前都會產(chǎn)生局部放電,因此局部放電是設備絕緣缺陷的重要征兆和表現(xiàn)形式。通過檢

2、測GIS 局部放電,可以及時有效地發(fā)現(xiàn)GIS 內(nèi)部存在的故障缺陷3。筆者主要對GIS 幾種較為成熟的局部放電檢測技術(shù)進行介紹,并通過模擬GIS 運行中常見的幾種典型故障缺陷,重點介紹超聲波局部放電檢測和傳統(tǒng)電流脈沖局部放電檢測在GIS 出廠試驗階段的比較應用。同時通過這種比較,為超聲波局部放電檢測技術(shù)在GIS 現(xiàn)場交流耐壓試驗和運行階段的有效應用積累一些經(jīng)驗。1GIS 局部放電檢測技術(shù)概述局部放電的影響是多方面的,有物理的、化學的和電氣的,原則上,它們中的任何一個都能夠用來檢測局部放電的存在4。目前在GIS 局部放電檢測方面,技術(shù)比較成熟并且應用比較廣泛的主要有聲測法中的超聲波檢測法、電氣法中

3、的常規(guī)脈沖電流法GIS 局部放電常規(guī)檢測和超聲波檢測方法的應用比較李德軍1,2,沈威2,郭志強2(1.Shanghai Jiao t ong University ,Shanghai 200240,C hina ;2.Siemens High Voltage Switchgear Ltd.,Shanghai 200245,C hina Application Comparison between Conventional andUltrasonic Detection Methods for GIS Partial Discharge(1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院,上海200240;

4、2.上海西門子高壓開關(guān)有限公司,上海200245LI De -jun 1,2,SHEN Wei 2,GUO Zhi -qiang 2Abstract:Some popular technologies for detecting partial discharge (PD in GIS are described.Some typical simulated defects during GIS operation ,such as sharp protuberance on HV conductor ,sharp protuberance on inner surface of housin

5、g ,free particle ,floating electrode ,void in spacer ,and metal particle stuck on insulator surface ,etc.,were detected by means of the conventional pulse current detection and ultrasonic detection methods.The phase distributions of discharge pulse and ultrasonic wave pulse ,the magnitudes of discha

6、rge on different defects under given voltage ,and the features and magnitudes of root mean square and periodic peak values of ultrasonic waves from different defects ,are respectively compared.The major features of the ultrasonic wave patterns from the two detection methods are hence achieved.These

7、features may be taken as a reference for the application of ultrasonic detection of partial discharge to high voltage test and operation of GIS on site.Key words:GIS partial discharge ;ultrasonic detection ;ultra -high frequency detection摘要:介紹了幾種GIS 局部放電常用的檢測技術(shù),并應用常規(guī)脈沖電流檢測法和超聲波檢測法對模擬的GIS 運行中常見的幾種典型缺

8、陷,包括帶電導體上尖端、殼體內(nèi)壁上尖端、自由金屬顆粒、懸浮電位、絕緣子內(nèi)氣泡以及黏附在絕緣子表面的金屬顆粒等進行了檢測。再通過對測試系統(tǒng)記錄的放電脈沖和超聲波脈沖的相位分布比較、不同缺陷在一定電壓下的脈沖放電量大小比較,以及不同缺陷超聲波脈沖有效值和周期峰值的特征和大小比較,總結(jié)得到在上述各種典型絕緣缺陷情況下,應用這兩種檢測方法所得波形和信號的主要特征,為超聲波局部放電檢測技術(shù)在GIS 現(xiàn)場交流耐壓試驗和運行階段的有效應用提供參考。關(guān)鍵詞:GIS 局部放電;超聲波檢測法;超高頻檢測法中圖分類號:TM855文獻標志碼:A文章編號:1001-1609(200903-0099-05第45卷第3期2

9、009年6月Vol.45No.3J un .2009High Voltage Apparatus99··Jun.2009High Voltage Apparatus Vol.45No.3和超高頻檢測法。其它諸如光學檢測法和化學檢測法都因為自身的局限性還沒能廣泛應用。1.1常規(guī)脈沖電流法GIS 發(fā)生局部放電時,GIS 試品兩端產(chǎn)生瞬時的電壓變化U ,當把試品接入檢測回路時,就會產(chǎn)生脈沖電流。該脈沖電流信號通過輸入阻抗Z m 轉(zhuǎn)換成一個脈沖電壓信號,然后再通過濾波、放大器放大、信號采集以及計算處理,測定出局部放電的一些基本量(如:視在放電量q 、局部放電脈沖大小、數(shù)量與相位。該

10、技術(shù)成熟、應用廣泛,已經(jīng)形成了專業(yè)標準(IEC-60270和GB/T 7354。相對于其它方法,其對視在放電量的定量測量能更直觀地反映系統(tǒng)局部放電的劇烈程度。但缺點是抗干擾能力差,尤其是對于頻率f <10MHz 的噪音干擾,同時其測量頻率范圍一般小于1MHz ,信息量少,設備笨重不適合現(xiàn)場局部放電檢測。1.2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 ,其中包含橫波、縱波和表面波。在SF 6氣體中只有縱波可以傳播并且衰減很大,而在帶電導體、絕緣子和金屬殼體等固體中傳播的除縱波外還有橫波,橫波在固體中衰減小。由于超聲波的波長較短,因此它的方向

11、性較強,從而它的能量較為集中。通過安置在外殼上的超聲波傳感器可以接收到這些聲信號,再通過對聲信號進行分析判斷可以診斷出是否發(fā)生了局部放電3并能對放電缺陷進行定位。其測量頻率范圍通常在20100kHz ,在此頻段可以很好地濾除干擾獲得較好的信噪比。超聲波傳感器通常采用非侵入式結(jié)構(gòu)不需要預先安裝到GIS 本體中,檢測時不會對GIS 正常運行產(chǎn)生影響。但缺點是聲信號在通過氣體和絕緣子時衰減很嚴重,無法檢測出某些缺陷(如絕緣子氣泡引起的局部放電。1.3超高頻檢測法(UHF GIS 發(fā)生局部放電時,放電脈沖上升時間和持續(xù)時間都極短僅為幾個ns ,其相對應的頻域十分寬廣。該脈沖信號在GIS 腔體中傳播時會

12、引起電諧振,激發(fā)出頻率高達300MHz 3GHz 的電磁波。電磁波傳播時,不僅以橫向電磁波(TEM 形式傳播,而且還會建立高次橫向電波(TE 和橫向磁波(TM 。TEM 波為非色散波,可以以任何頻率在GIS 中傳播,但頻率越高衰減越快。TE 和TM 則不同,它們具有各自的截止頻率,只有當信號頻率高于截止頻率時才能傳播。GIS 的同軸結(jié)構(gòu)相當于一個良好的波導,信號在其內(nèi)部傳播時衰減很小,有利于局部放電檢測。超高頻法的原理就是根據(jù)局部放電所激發(fā)的電磁波的這些特性,利用內(nèi)置或外置的超高頻傳感器來接收這些電磁波并對其進行分析,從而判斷出缺陷類型和故障定位。其優(yōu)點是抗干擾能力強,測試靈敏度高。但缺點是與

13、常規(guī)脈沖電流法相比,檢測時無法對局部放電進行一個放電量大小的標定。2常規(guī)電流脈沖檢測法和超聲波檢測法的比較試驗2.1試驗電路圖1所示是由實際出廠絕緣試驗系統(tǒng)對實際252kV GIS 產(chǎn)品的通管模塊進行工頻耐壓及局部放電測量的試驗電路。其中試驗變壓器為380V/750kV 氣體絕緣金屬封閉型試驗變壓器。GIS 通管模塊由一根對接在試驗變壓器上的外殼內(nèi)徑為248mm 、中央導體直徑為80mm 、長3150mm 的通管和一個盤式絕緣子構(gòu)成。檢測系統(tǒng)有局部放電常規(guī)測量裝置(MWB 產(chǎn)200B4M-380V/750kV 型試驗變壓器、PD 產(chǎn)ICM -Compact 、Preamplifier RPA1

14、A 和CIL3M 局放測量系統(tǒng)和挪威Doble TransiNor 產(chǎn)便攜式AIA-2超聲波檢測裝置。常規(guī)局放檢測頻段為100800kHz ,全系統(tǒng)背景局放小于0.7kHzpC 。AIA 檢測儀則采用20100kHz 頻段。每次先在GIS 通管模塊中安放一個模擬缺陷,然后將通管和試驗變壓器對接,抽真空至1mbar ,再注入6.1bar 的SF 6氣體。靜置30min 后進行氣體的水分(150×10-6和濃度(98%檢測。2.2試驗結(jié)果分析和比較在GIS 內(nèi)分別模擬了帶電導體上尖端、殼體內(nèi)壁上尖端、自由金屬顆粒、懸浮電位、絕緣子內(nèi)氣泡以及黏附在絕緣子表面的金屬顆粒等6種典型故障缺陷。同

15、時通過測試系統(tǒng)記錄的放電脈沖和AIA 超聲波脈沖的相位分布比較、不同缺陷在一定電壓下的脈沖放電量大小比較,以及不同缺陷超聲波脈沖有效值和周期峰值的特征和大小比較,分析得出一些經(jīng)驗判據(jù)來幫助利用超聲波檢測法對GIS 局部放電類型進行識別。2.2.1帶電導體上的尖端在GIS 導體上安裝一根長5mm 、直徑1mm 的金屬尖刺并施加不同的電壓來模擬帶電導體上尖端放電缺陷。AIA 超聲波傳感器距離尖刺約2000mm 。100··2009年6月第45卷第3期 圖2所示是常規(guī)局部放電儀測得的127kV 試驗電壓下放電脈沖相位分布和放電量大小的情況: 在外加電壓負半周發(fā)生放電的次數(shù)和強度都

16、明顯大于正半周,成不對稱分布;最大放電量發(fā)生在外加電壓波峰附近,并隨著外加電壓的增加而變大。圖3所示是127kV 試驗電壓下超聲波脈沖相位分布和脈沖幅值的情況:超聲波脈沖在參考電壓正負半周的形狀和大小相似,并且隨著外加電壓的變化,其分布相位也會出現(xiàn)相應的漂移導致最大脈沖提前于或滯后于參考電壓波峰一定角度。 2.2.2殼體內(nèi)壁上的尖端 將帶電導體上的金屬尖刺移置并固定安裝到殼體內(nèi)壁上,尖端指向?qū)w,然后施加不同的電壓來模擬殼體內(nèi)壁上尖端放電的故障缺陷。AIA 超聲波傳感器距離尖刺大約2000mm 。在外加電壓294kV 下試驗結(jié)果見圖4、5。殼體上尖端的脈沖放電模式正好和帶電導體尖端的放電模式相

17、反,雖然也是不對稱分布,但其在外加電壓正半周的放電次數(shù)和放電量大小均明顯大于負半周。最大放電量發(fā)生在外加電壓波峰附近。而超聲波脈沖分布的形狀和大小仍然基本相似,相位也隨著外加電壓的變化而產(chǎn)生一定漂移。對于相同大小的尖端,處于殼體上時其起始放電電壓明顯比位于帶電導體上時要高很多。在相同放電電壓下,前者的局部放電量和超聲波脈沖的幅值也小于后者。值得注意的是,在局部放電常規(guī)檢測時,該模擬缺陷在規(guī)定電壓下的局部放電量小于國標規(guī)定的5pC 的限定值,試品的局部放電在合格范圍內(nèi)。而超聲波檢測結(jié)果能更突出地體現(xiàn)故障缺陷的存在。2.2.3自由金屬顆粒在GIS 腔體內(nèi)放置一顆直徑約4mm 的鋁箔揉制的球狀顆粒,

18、然后施加不同的電壓來模擬自由金屬顆粒放電的故障缺陷。在外加電壓90kV 下試驗結(jié)果見圖6、7。在外加電壓正負兩個半周內(nèi)的放電次數(shù)基本相同并成對稱分布;最大放電量發(fā)生在電壓正負波峰附近且大小相等。隨著外加電壓的升高,放電強度明顯增大。自由顆粒在電場的作用下會產(chǎn)生跳動并與外殼碰撞激發(fā)出超聲波。因為這種跳動和碰撞是無規(guī)律的,所以其激發(fā)的超聲波脈沖的分布很隨機雜亂無任何相位相關(guān)性。信號水平很高。 2.2.4懸浮電位將一個盆式絕緣子安裝在試品GIS 通管端部,其中央金屬導體距離通管的帶電導體大約20mm101··Jun.2009High Voltage Apparatus Vol.4

19、5No.3構(gòu)成一個懸浮電位,再通過施加不同的電壓來模擬該類缺陷的放電情況。AIA超聲波傳感器距離缺陷點大約1500mm。在外加電壓143kV下試驗結(jié)果見圖8、9。放電現(xiàn)象在正負兩個半周都比較明顯,尤其是外加電壓超過放電起始電壓后放電量隨電壓升高而快速增長,最大放電量發(fā)生在外加電壓波峰附近。超聲波脈沖也較為集中地分布于參考電壓波峰附近。2.2.5絕緣子上顆粒用膠帶將一根長5mm、直徑1mm的銅絲粘貼在盆式絕緣子上,距離其中央金屬導體約7mm,然后施加不同的電壓來模擬絕緣子上顆粒放電的故障缺陷。AIA超聲波傳感器距離缺陷點大約1500mm。在外加電壓294kV下試驗結(jié)果見圖10、11。在外加電壓波

20、形上升段發(fā)生的放電次數(shù)明顯高于下降段,正負兩個半周的放電次數(shù)和放電量大小分布十分相似, 只是局放相位與外加電壓相位會出現(xiàn)偏移而使得最大放電量沒有出現(xiàn)在外加電壓波峰附近。超聲波脈沖在參考電壓正負兩個半周上分布的形狀和大小基本相似,信號水平不高。2.2.6絕緣子中氣泡將一個帶有兩個空氣氣泡的絕緣子安裝到試驗GIS通管上,然后施加不同的電壓來模擬絕緣子氣泡放電的故障缺陷。AIA超聲波傳感器距離缺陷點大約500mm。在外加電壓294kV下試驗結(jié)果見圖12、13。放電情況在外加電壓正負兩個半周基本相同,并且具有很大的放電強度,但放電相位與外加電壓相位出現(xiàn)一定的偏移。由于環(huán)氧樹脂對放電信號衰減很大,絕緣子

21、內(nèi)部放電產(chǎn)生的超聲波脈沖信號都被其吸收掉而無法傳遞到外部,所以超聲波傳感器幾乎檢測不到任何超聲波脈沖,脈沖相位分布平坦等同于背景噪音水平。2.3故障特征分析和診斷通過上述試驗及分析,可以得出GIS典型故障放電在兩種檢測模式下的圖譜特征,從而為故障的類型診斷提供一些經(jīng)驗判據(jù)。具體放電圖譜特征見表1。3結(jié)論通過局部放電常規(guī)檢測與局部放電超聲波檢測對比試驗證明:(1超聲波檢測法對金屬尖端、自由金屬顆粒、懸浮電位等缺陷具有較高的靈敏性,而對絕緣子氣泡和絕緣子表面顆粒等缺陷不敏感。超聲波檢測法102··2009年6月第45卷第3期 表1GIS 局部放電故障圖譜特征缺陷類型常規(guī)局部放電

22、信號和特征AIA 脈沖信號和特征(信號水平指信號的有效值和峰值的大小帶電導體上的尖端信號幅值不高,放電集中于外加電壓的峰值附近;負半周局放幅值明顯高于正半周,局放首先發(fā)生在負半周峰值處,隨著電壓的增加,正半周峰值處也出現(xiàn)局放,同時局放的相位帶也隨之變寬,放電量也略有增加。在放電電壓穩(wěn)定不變的情況下,超聲波信號水平不高,幅值變化不大,隨著電壓升高信號幅值增大;含有較穩(wěn)定的50Hz 成分;峰值系數(shù)低。殼體上的尖端信號幅值不高,放電集中于外加電壓的峰值附近;正半周局放幅值明顯高于負半周,局放首先發(fā)生在外加電壓正半周峰值處,隨著電壓的增加,負半周峰值處也出現(xiàn)局放,出現(xiàn)局放的相位帶隨著電壓的增加而變寬。

23、信號水平低,幅值變化不大,隨著電壓升高信號幅值略有增大;含有較穩(wěn)定的50Hz 成分;峰值系數(shù)低。自由金屬顆粒信號幅值高,外加電壓瞬時值高時,局放幅值也高;局放可發(fā)生在任何相位處;局放圖譜呈現(xiàn)與外加電壓相對應的兩個正弦半波,局放的發(fā)生分布較均勻。信號水平高,幅值變化大,隨著電壓升高信號幅值大幅增大;基本無50Hz/100Hz 相關(guān)性;峰值系數(shù)高。懸浮電位信號幅值高,幅值分布較分散;局放主要發(fā)生在外加電壓峰值附近。信號水平高,幅值變化不大,隨著電壓升高信號幅值大幅增大;含有很高的100Hz 成分和一些50Hz 成分;峰值系數(shù)低。粘在絕緣盆上的顆粒信號幅值不高;局放在電壓零點前出現(xiàn),電壓上升段局放發(fā)

24、生率明顯高于下降段,局放相位與外加電壓相位會出現(xiàn)偏移。信號水平很低,幅值變化大,隨著電壓升高信號幅值略微增大;具有50Hz 相關(guān)性;峰值系數(shù)不高。絕緣盆中的缺陷信號幅值高;局放相位與外加電壓相位有偏移;電壓上升段局放發(fā)生率明顯高于下降段。信號水平極低,基本檢測不到。對上述窄帶型空心線圈進行了被測導體中心軸偏移試驗、角偏移試驗、平行外邊緣試驗、垂直外邊緣試驗,測試結(jié)果見表1。從表1列出的數(shù)據(jù)可以看出,與平板型空心線圈和組合型空心線圈相比,窄帶型空心線圈的互感系數(shù)受載流導線的位置變化較上述兩種空心線圈明顯,一方面是該線圈的中心孔特別大,等效內(nèi)直徑達1m ,另外一方面是與多塊長條PCB 板的連接處的間隙有關(guān),如果在連接處采用高磁導率的軟磁材料可有效減小導線位置變化帶來的誤差。4結(jié)語基于PCB 的窄帶型空心線圈能夠滿足理想空心線圈的要求,線性度大為提高,抗外界磁場影響的能力進一步增強,成本低,焊點少,易于生產(chǎn),測量準確度較高,適合用于電力系統(tǒng)保護等被測電流大的應用場合,是平板型空心線圈和組合型空心線圈的有效補充。參考文獻:1LJUBOMIR K.Rogowski Coils Suit Relay Protection and Measurement of Power Systems J.IEEE Computer Applica -tions in Power