带电检测技术在GIS缺陷检测中的应用

吴水锋，齐 飞，黎治宇，范 敏

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

带电检测技术在GIS缺陷检测中的应用

吴水锋，齐 飞，黎治宇，范 敏

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

介绍了目前常用的GIS带电检测技术手段及检测方法，给出了一种精确缺陷定位方法。结合利用带电检测技术发现的500 kV HGIS设备潜伏性缺陷的典型案例，对特高频及超声波检测、气体成分分析、红外热像检测、声电联合定位技术等带电检测技术手段的实际应用进行了详细分析，通过解体验证了综合检测手段的有效性和检测结果的正确性。

带电检测；特高频；超声波；气体成分分析；红外检测；声电联合定位

气体绝缘金属封闭开关设备(以下简称GIS)由于其占地面积小，灭弧能力强，运行可靠、检修周期长且不受环境污染和高海拔影响等优点，在电力系统中得到了广泛的应用。然而GIS设备由于在设计、装配、安装、长期运行等原因，可能出现各种缺陷，其缺陷性质大致有放电、过热以及振动等。如任由这些缺陷发展，可能会影响GIS设备的运行安全，严重时造成设备损坏〔1〕。

GIS设备停电试验虽然能够发现部分缺陷，但停电试验电压较低，难以反应设备运行状态下的真实状况；并且高压设备的绝缘劣化是一个长期累积和发展的过程，停电试验难以及时发现该类潜伏性缺陷〔2〕。GIS设备带电检测技术能够在不停电的情况下，及早发现设备内部局部放电及其它缺陷信号，判断GIS内部缺陷信息及其严重程度，实现缺陷的精确定位〔3-4〕，对故障提出预警，从而可以实现有计划的安排检修，减少设备损坏和事故发生。

1 常用局部放电带电检测技术简述

目前，现场经常采用的GIS局部放电带电检测方法主要有特高频局部放电带电检测、超声波局部放电带电检测、SF6气体成分分析、红外热成像检测。

1.1 特高频局部放电带电检测

当GIS设备内部存在局部放电时，击穿过程很快，将产生很陡的脉冲电流，其上升时间小于1 ns〔5〕，并激发出频率高达300～3 000 MHz的特高频电磁波信号。GIS的同轴结构相当于一个良好的波导，特高频电磁波信号在其内部传播时衰减很小，在经过盆式绝缘子等非金属连接部位时，特高频电磁波信号会向外传播〔6-7〕。

特高频局部放电带电检测就是根据局部放电所激发的电磁波的这些特性，利用内置或外置的特高频传感器来接收电磁波信号并对其进行分析，从而判断缺陷类型和进行缺陷定位。

1.2 超声波局部放电带电检测

当GIS设备内部存在放电或振动缺陷时，会产生冲击的声波或振动，以球面波的形式向外传播，把频率在20～100 kHz的声波称为超声波〔8〕，超声波信号通过壳体向外传播，

超声波局部放电带电检测就是通过放置在GIS壳体上的压敏传感器接收传播到壳体上的超声波信号，再通过对声信号的分析判断来诊断GIS内部是否发生了局部放电或异常振动缺陷〔9-10〕，并实现放电或异常振动缺陷的定位。

1.3 气体成分分析

当GIS设备内部存在放电或过热缺陷时，放电及过热产生的能量会导致SF6气体发生分解，产生SO2，H2S，CO等分解产物，不同的缺陷类型其分解产物有一定差别，通过采用SF6气体分解产物分析设备对SF6气体进行检测，来诊断GIS设备内部放电或过热缺陷〔11〕。

1.4 红外热像检测技术

任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。电力设备故障发热时也会发射红外线，并形成热像。红外热像检测技术是通过吸收这种红外辐射能量，测出电力设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。

1.5 缺陷定位技术

缺陷定位技术主要包括幅值定位和时延定位。幅值定位主要是利用特高频及超声波信号的衰减作用，距离放电源越近的传感器检测到的信号越强，但由于特高频信号在GIS腔体中衰减较小，因此采用特高频幅值定位时定位精度较差，往往只能将缺陷定位到某一个间隔或气室。时延定位技术是根据所测信号的时间差与被测信号的传播速度的乘积来计算放电源到传感器的距离，时延定位又可分为电电联合定位、声声联合定位以及声电联合定位技术，当能同时检测到特高频及超声波信号时，可采用声电联合定位法进行放电源定位。

声电联合定位示意图如图1所示，将超声波传感器放置于距离放电源较近且与放电源同气室的GIS外壳上，特高频传感器置于放电源气室的盆式绝缘子上，同时采集局放源的超声波信号及特高频电磁波信号。由于特高频电磁波信号在SF6气体中的传播速度较快，接近光速(约为0.3 m/ns)，超声波在SF6气体中的传播速度相对于电磁波较慢(约等于140 m/s)〔12〕，因此可以将特高频检测到信号的时刻作为信号的起始时刻，则超声波信号起始沿与特高频信号的时间差Δt可认为超声波信号从放电源传播到超声波传感器的时间，该时间差与超声波信号在SF6气体中传播速度的乘积即为放电源到超声波传感器的距离，计算公式如式(1)所示。

式中 v为超声波在SF6气体中的传播速度。

图1 声电联合定位示意图

2 GIS带电检测缺陷实例分析

2.1 缺陷类型分析

某500 kV变电站检测人员在对500 kV HGIS开展带电检测时，发现该站50211 C相气室特高频及超声波信号异常，检测到特高频检测图谱如图2所示，超声波检测图谱如图3所示。

检测人员随后开展了气体成分分析检测，50211隔离开关ABC三相气室SF6气体成分分析数据检测结果见表1。

表1 检测结果μL/L

图2 特高频检测图谱

图3 超声波检测图谱

对50211隔离开关C相气室开展红外热像检测，无异常，检测图谱如图4所示。

图4 50211隔离开关C相气室红外热像图谱

根据特高频检测图谱，PRPS图谱在一个工频周期内有两簇明显集聚，PRPD图谱在一个工频周期内有两簇信号，并呈“内八字”(见图2)；根据测得的超声波飞行时间图谱(见图3(b))不具有“三角驼峰”特征，飞行图的颗粒飞行时间小于20 ms，可以排除自由颗粒在电场作用下迁移放电的可能；根据连续图谱，100 Hz相关性明显，相位图谱显示一个工频周期内有两簇信号(见图3)，特高频及超声图谱均具有悬浮电位放电特征。

由表1可知，C相气室存在微量的SO2特征气体，同间隔其他相均未检测到SO2特征气体，红外热像检测无异常，可以排除发热的可能，该气室内存在放电。综合分析可以判断该气室内部缺陷为悬浮电位放电缺陷

2.2 缺陷定位分析

采用超声波幅值定位，测点分布如图5，测点7位于测点3正对面位置。

图5 超声波幅值定位测点分布图

各测点超声波测试数据见表2。

表2 各检测点超声波检测数据mV

根据各测点幅值分布可知，测点6信号幅值最大，初步判断该点距局放源最近。对测点6圆周方向进行检测，测点分布如图6所示，检测结果见表3。

图6 测点6圆周方向测点分布

表3 测点6圆周方向各测点信号幅值mV

测点6圆周方向上各测点信号幅值变化不大，基本可排除缺陷位于测点6所处位置壳体的可能。

采用声电联合定位技术进行检测，超声传感器一和二分别位于图5中测点6和测点5处。检测结果如图7所示。

由图7声电联合定位结果可知，测点6超声信号超前于测点5，特高频信号与超声传感器一信号起始沿时间差Δt约为600 μs，使用公式(1)计算可知放电源距离测点6为8.4 cm左右。

图7 声电联合定位结果

出线套管及升高座内部结构图如图8所示。由图8可知，套管屏蔽筒与其支撑绝缘件连接部位位于测点6所处水平面，并且该连接部位与升高座壳体距离为9 cm左右。因此，综合分析可以判断，缺陷位置位于套管屏蔽筒与其支撑绝缘件的连接部位。缺陷原因可能为出线套管屏蔽筒和其支撑绝缘子的固定螺栓松动，在电场作用下，发生悬浮电位放电。

图8 50211气室出线套管及升高座内部结构图

2.3 解体检查

12月3日，对该出线套管及升高座进行了解体分析，拆除升高座后发现其筒壁内有大量放电残留物。拆除屏蔽罩端盖后发现其与支撑绝缘件连接处紧固螺栓对应位置有6处放电痕迹。紧固螺栓及垫片表面有明显放电痕迹，已无金属光泽。

2.4 解体情况分析

1)根据升高座内部放电残留物及放电痕迹判断，该相出线套管运行中内部存在局部放电，放电位置位于屏蔽筒端部螺栓固定处，与带电检测定位分析结果一致。

2)结合现场检测图谱特征和解体后发现的放电痕迹及位置，该放电是由于屏蔽筒与其支撑绝缘件之间的固定螺栓松动造成的多处悬浮电位放电。

3)该套管屏蔽筒通过8颗螺栓固定在支撑绝缘件上，屏蔽筒全部重量由支撑绝缘件承担，应力较为集中；现场检查所有螺栓均未采取有效防松措施，且装配时力矩不足，投运后在重力、电场力等作用下极易发生松动。

2.5 处理后复测情况

现场对缺陷气室进行了处理，检修后耐压及带电检测结果正常，未发现局部放电信号。

3 结论及建议

1)采用带电检测技术能够有效的发现GIS设备存在潜伏性缺陷，有效指导检修决策及方案制定，提前检修处理，避免设备故障的发生。

2)采用缺陷定位技术能够准确的确定缺陷的部位，但在进行缺陷定位时应将定位结果与设备内部结构相结合，进行综合分析。

3)加强GIS设备工艺控制，严格把控设备入网质量，从源头上杜绝设备事故的发生。

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Typical application of energized test technique in GIS

WU Shuifeng，QI Fei，LI Zhiyu，FAN Min
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper introduces charged detection techniques and testing methods in GIS，as well as the method of defect localization.Combined with the typical case of 500 kV HGIS the paper analyzes charged detection techniques of UHF and ultrasonic testing，gas composition analysis，infrared temperature measurement and electro acoustic positioning technology.The effectiveness of the integrated test method and the correctness of the test results have been verified through disintegration.

charged detection；ultra high frequency(UHF)；acoustic emission(AE)；gas composition analysis；infrared temperature measurement；electro acoustic positioning

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0076-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.020

2015-12-29 改回日期:2016-02-24