一起220kV變電站GIS設(shè)備局部放電缺陷的診斷分析

國網(wǎng)湖北省電力有限公司十堰供電公司 胡 丹

1 引言

目前，在一些新投建的大型變電站中大多采用安裝GIS設(shè)備，其主要原因在于GIS設(shè)備具有整體結(jié)構(gòu)布置緊湊、設(shè)備占地面積較少、性能可靠性高、故障率低等特征。工程實踐中，GIS內(nèi)部存在局部放電、絕緣破損的現(xiàn)象，由于本體設(shè)計緊湊的原因，對于停電檢查和運維的工作量相對較大。因此，需要對GIS設(shè)備進(jìn)行實時可疑的內(nèi)部放電信號的檢測，關(guān)注GIS的運行狀態(tài)，避免不良事故發(fā)生[1]。其中，超聲波（AE）法、特高頻（UHF）法是目前GIS內(nèi)局部放電信號的檢測較為常見的兩種檢測方法。

文獻(xiàn)[2]論述了在GIS殼體上安裝超聲波（AE）檢測器，通過檢測聲音及振動，實現(xiàn)對GIS內(nèi)局部放電信號的檢測。文獻(xiàn)[3]通過特高頻傳感器檢測GIS設(shè)備的局部放電引起的電磁波信號，基于電磁波信號頻帶的存在高低峰值，也就能夠有效避免一些常見的電磁干擾，實現(xiàn)放電引起的電磁波信號的檢測。文獻(xiàn)[4]研究變電站高壓電設(shè)備的局部放電檢測方法時，驗證了同時聯(lián)合應(yīng)用超聲波（AE）法和特高頻（UHF）法檢測放電信號，可以提高檢測精準(zhǔn)性。為此，本文通過以某220kV變電站2號主變A相正母閘刀氣室，局部放電缺陷利用超聲波和特高頻檢測分析案例，精準(zhǔn)診斷定位此起220kV變電站GIS內(nèi)部局部放電信號源。

2 GIS局部放電原理及常見檢測方法

目前，在GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電故障中，尖端放電和懸浮放電是較為常見的兩種。GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電是因為部分GIS設(shè)備，由于生產(chǎn)加工或者安裝調(diào)試過程中，GIS設(shè)備內(nèi)部的殼體由于多種客觀原因?qū)е鲁霈F(xiàn)可能出現(xiàn)一些毛刺或者尖端。在強(qiáng)電場的作用中，這些毛刺或者尖端一旦集中，就會強(qiáng)度擊穿GIS設(shè)備內(nèi)部的六氟化硫氣體，同時也就伴隨放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

基于此種現(xiàn)象定義為尖端放電，而所述的這種尖端放電同時也會激發(fā)大量的能量，若六氟化硫氣體將此激發(fā)的能量吸收后，就會對其六氟化硫氣體產(chǎn)生分解，最終將影響絕緣性能。此外，在這種尖端放電的這種情況下，GIS設(shè)備中的某一相就存在釋放電弧導(dǎo)致電極導(dǎo)電桿發(fā)生單相接地短路故障，同時也存在相間短路故障。上文所述中的短路故障最終將擊穿設(shè)備外殼燒傷電極導(dǎo)電桿。懸浮放電故障通常是因為GIS內(nèi)部一些連接部件松弛也所導(dǎo)致，一般情況下，GIS內(nèi)部所屬連接部件附加的電壓低于電極導(dǎo)電桿電壓，但是連接部件附加的電壓高于地電位，由于存電位差的存在也就相應(yīng)存在一個懸浮電位，基于此種現(xiàn)象定義為懸浮放電。

2.1 超聲波（AE）檢測原理

一般情況下，若GIS內(nèi)部存在局部放電缺陷時，都伴隨異常振動和異常聲音的出現(xiàn)。在設(shè)備正常運行中內(nèi)部的平均應(yīng)力和電場應(yīng)力是處于平衡狀態(tài)。但是出現(xiàn)局部放電時，所產(chǎn)生的電荷就會瞬間釋放和游離移動，打破內(nèi)部原有的平衡狀態(tài)，同時還會在介質(zhì)周圍出現(xiàn)振蕩變化，進(jìn)而引發(fā)周圍介質(zhì)的異常振動激發(fā)出聲波信號。為此，所使用得超聲波（AE）探儀就能檢測到這些異常振動所激發(fā)的聲波信號，此種檢測方法的優(yōu)點在于傳感器可以受到電磁波信號的干擾，但是缺點就是容易受到其他設(shè)備振動的影響。通常在對設(shè)備檢測時，超聲波（AE）探測儀都是連接于設(shè)備殼體表面上，同時還使用一些用粘接劑粘合以防止其他設(shè)備振動引起的干擾。超聲波（AE）檢測整體實施過程主要通過檢測儀傳感器，將檢測到聲波信號轉(zhuǎn)換為模擬信號后，將此模擬信號傳輸?shù)綑z測儀主服務(wù)器，基于I/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換處理，最后實現(xiàn)連接界面直觀顯示。

2.2 特高頻（UHF）檢測原理

當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時，會同時發(fā)出聲波和電磁脈沖信號。其中，電磁脈沖信號發(fā)射非常短，但是電磁脈沖信號存在一個沿波形信號的增強(qiáng)而增強(qiáng)的特點，基于此特點可以激發(fā)多個頻帶的電磁波。若GIS因內(nèi)部絕緣問題所誘發(fā)的局部放電故障時，所激發(fā)多個頻帶的電磁波在傳播過程中遇到環(huán)氧樹脂等非金屬材料時，會通過部件向外部傳播，此時的高頻傳感器就能檢測到。

2.3 GIS檢測平臺搭建

首先通過超聲波（AE）檢測數(shù)據(jù)和特高頻（UHF）檢測數(shù)據(jù)等檢測數(shù)據(jù)分析，然后結(jié)合示波器10ms圖譜進(jìn)行設(shè)備局部放電信號類型的確立，在干擾排除的前提下，通過特高頻（UHF）定位和聲電聯(lián)合定位分析，最后確定GIS中局部放電的精準(zhǔn)位置源。

3 案例闡述

3.1 現(xiàn)狀概況

2018年08月16日至2018年08月20日，對某220 kV變電站GIS設(shè)備的局部放電缺陷進(jìn)行超聲波（AE）和特高頻（UHF）局放電帶電檢測，檢測情況如下：

在2號主變220kV A相正母閘刀氣室檢測到異常特高頻（UHF）及超聲波（AE）信號。示波器顯示特高頻（UHF）信號的峰值為1.88V、超聲波（AE）信號的峰值為3V，綜合二者數(shù)據(jù)的判斷確立為GIS設(shè)備的局部類型為金屬性懸浮放電，同時還伴隨絕緣放電。經(jīng)聲電聯(lián)合定位于2號主變220kV A相正母閘刀靠正母側(cè)盆子。

3.2 檢測數(shù)據(jù)分析

2號主變220kV A相正母閘刀氣室檢測數(shù)據(jù)分析如下：

3.2.1 超聲波（AE）檢測數(shù)據(jù)分析

2號主變220kV A相正母閘刀氣室存在異常超聲波（AE）信號，信號峰值最大為354mV，頻率2始終高于頻率1，每周期出現(xiàn)2組脈沖波形，相位分布廣，判斷為金屬性懸浮放電，最大值位于2主變220kV A相正母閘刀氣室靠母線側(cè)盆子。

3.2.2 特高頻（UHF）檢測數(shù)據(jù)分析

在2號主變220kV A相開關(guān)氣體室中檢測到異常特高頻（UHF）信號，其信號峰值最大為66dB，每周期存在2組信號，相位寬，峰值大，判斷為金屬性懸浮放電，伴隨絕緣放電。

3.3 設(shè)備局部放電信號類型分析

2號主變220kV A相正母閘刀氣室，由示波器10ms圖譜如圖1所示，特高頻（UHF）最大幅值1.88V，超聲波（AE）最大幅值3V；在特高頻（UHF）頻譜中，每一個周期存在2個簇的脈沖信號，在每個簇的脈沖數(shù)較少，同時示波器聲電圖譜部分脈沖對應(yīng)，為此得出結(jié)論為：局部類型為金屬性懸浮放電并伴有絕緣放電。

圖1 示波器10ms波形圖

3.4 診斷定位分析

3.4.1 干擾排除

根據(jù)圖2可以看出，傳感器在GIS外殼的安裝位置及發(fā)生故障后的示波器圖譜，黃色傳感器的位置始終保持固定不變，通過調(diào)整紅色傳感器的安裝位置，從示波器圖譜中可以看出：黃色信號比紅色信號超前，判斷局放電來自GIS內(nèi)部。

圖2 GIS傳感器布置及示波器圖譜

3.4.2 特高頻（UHF）定位

傳感器就地布置圖/示波器圖譜如圖3所示，由（b）示波器圖譜圖中可知，紅色信號波形與黃色信號波形在起始點存在時域差，即Δ=4.72ns，通過實時就地測距紅色、黃色傳感器相距1.92m。通過時差定位法判斷，信號來源可能位于黃色、紅色傳感器之間區(qū)域段，再經(jīng)過精準(zhǔn)測距與紅色傳感器相距60cm，如圖3（a）中“紅色”標(biāo)注處所示。

圖3 傳感器布置圖/示波器圖譜

通過圖4中示波器圖譜可以看出：黃色波形起始沿與紅色波形起始沿重合，可以判斷出信號源處于紅、黃傳感器的中間，通過測算分析，信號源位于2號主變220kV A相正母閘刀氣室，如圖4中“紅色”標(biāo)記位置所示。

圖4 傳感器布置圖/示波器圖譜

經(jīng)過傳感器多個位置分別定位，信號源定位位置基本一致，定位于2號主變220kV A相正母閘刀靠母線側(cè)盆子區(qū)域。

3.4.3 聲電聯(lián)合定位分析

定位一。傳感器就地布置圖/示波器圖譜如圖5所示，三種不同顏色的超聲波信號的起始一段時間范圍內(nèi)特高頻信號基本一致，但是在測試后時間段內(nèi)就出現(xiàn)很大的差異，經(jīng)分析計算結(jié)果得出：局部放電位置判斷為位于紅色、黃色傳感器之間部位位置。

圖5 傳感器布置圖/示波器圖譜

定位二。從圖6示波器圖譜可以看出，綠色超聲波（AE）信號比紅色、黃色超聲波（AE）信號均超期很多，由此可以分析得出：并且表示局部發(fā)電信號位置在綠色傳感器范圍附近。

圖6 傳感器布置圖/示波器圖譜

定位三。從圖7示波器圖譜可以看出，綠色超聲波（AE）信號比黃色、紅色超聲波（AE）信號超前很多，與特高頻（UHF）信號的時差最小3.6us，環(huán)氧樹脂中的超聲波（AE）的傳播速度大2550m/s，計算出放電距離綠色超聲波（AE）傳感器0.89cm。

圖7 傳感器布置圖/示波器圖譜

4 結(jié)語

通過闡述超聲波（AE）、特高頻（UHF）兩種檢測GIS內(nèi)部故障的方法，兩種方法均有各自的優(yōu)、缺點，若僅僅依靠一種傳感器進(jìn)行檢測，則很難區(qū)分故障性質(zhì)及排除其他可能發(fā)生的故障，對檢測結(jié)果反應(yīng)不夠真實。因此，本文結(jié)合某220kV變電站GIS內(nèi)部局部放電檢測的應(yīng)用實例，同時使用兩種檢測方法進(jìn)行檢測，從試驗結(jié)果來看：兩種方法聯(lián)合使用，對判斷、排除外部信號干擾效果顯著，對真實信號檢測的準(zhǔn)確度高、可靠性高。