一起220 kV电压互感器超声波局部放电缺陷分析

董洪达, 黄 涛, 冯世涛, 杨代勇, 张赛鹏, 矫立新, 葛志成, 陈冠遇

(1. 国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021；2. 国网长春供电公司，长春 130021)

近年来，气体绝缘封闭组合电器(GIS)设备以其结构紧凑、运行可靠性高、维护工作量小等优点，在电力系统中得到广泛应用。为维护设备正常稳定运行，GIS设备的缺陷检测十分重要[1-3]。传统的检测方法在局部放电类缺陷检测时，存在测量频率低、频带窄、容易受外界干扰信号影响的缺点，难以发现设备运行时内部的潜伏性缺陷，且仅用在预防性试验与交接试验中，无法对运行设备进行有效检测；而超声波局部放电检测具备抗干扰能力强、灵敏度高、定位准确、缺陷类型识别清晰等特点[4-5]，更适于检测设备运行过程中的内部缺陷，消除设备隐患，评估设备状态[6-9]。

在某500 kV变电站的带电检测过程中，超声波局部放电检测发现一起220 kV电压互感器内部缺陷。本文以此为例，根据超声波信号传输特点，提出超声波局部放电缺陷诊断流程，利用不同方法，对该缺陷的发现、定位、定性等方面逐步进行分析；并结合该电压互感器内部结构，最终确定缺陷位置与缺陷产生原因，提出相应检修策略。

1 电压互感器设备超声波局部放电测试

某500 kV变电站220 kV GIS设备，220 kV 5号乙母线电压互感器JDQXH-220，2014年8月出厂，2015年4月26日投运，在检出超声波局部放电异常信号之前，电压互感器运行正常。该电压互感器本体包括盆式绝缘子、导电管、器身、罐体。其中，器身由高压绕组、低压绕组、铁心、屏蔽层和夹件组成。

1.1 超声波局部放电检测过程

2016年10月13日，在某500 kV变电站带电检测过程中，发现220 kV 5号乙母线电压互感器间隔B相电压互感器气室存在超声波局部放电异常信号。

超声波信号在SF6气体中有明显的衰减现象，衰减值为26 dB/m。在局部放电检测时，若存在局部放电信号，不同测试点的测试值会有较大差异[10-12]，可以采用幅值比较法对局部放电源进行初步定位；不同频带的超声波信号在SF6气体中也有不同程度的衰减情况，可以通过改变仪器的测试频带来判断局部放电源是否位于设备内部；经过初步判断后，采用精确定位方法布置测试传感器，可以对缺陷进行准确定位；然后比较三相同位置超声波信号的图谱特征，即可判断缺陷类型，最后结合设备结构，确认该局部放电缺陷的位置和产生原因。通过对上述检测过程进行梳理，得到超声波局部放电诊断流程(见图1)。

现场检测分析按照诊断流程依次开展，为准确判断缺陷情况，选取不同型号仪器(M、N)同时进行检测。

图1 超声波局部放电检测流程

1.2 幅值比较法测试

根据诊断流程，首先采用幅值比较法进行检测，测试时超声波局部放电测试点间距保持在1 m以内，适当密集。背景测试点选取附近金属架构，在该间隔B相电压互感器气室罐体上、中、下分别对称(即罐体正面、背面)选取测试点1～6，对异常信号较强的罐体底部着重测试，分别在底部圆心测试点7、圆周上均匀分布选取测试点8～12。

通过对不同测试点幅值图谱的比较，找到超声波局部放电异常信号最大值点B12，并对A、C两相同位置进行测试，测试点幅值数据见表1。

由表1可知，在对B相电压互感器气室进行超声波局部放电测试中，测试点B12异常信号最强，而A、C两相的相同位置无异常信号，说明该局部放电信号源仅存在于B相气室。

表1 超声波局部放电测试点幅值数据 mV

随后通过改变检测频带方式判断局部放电信号源位于壳体还是内部，将仪器N的测量频率从100 kHz减小到50 kHz，B12处异常信号水平无明显变化，说明局部放电信号源不在该气室壳体上，应为内部缺陷。

1.3 平面分位法测试

为找出局部放电信号源的具体位置，在幅值比较法的基础上，采用平面分位法进行精确定位。平面分位法原理见图2，当局部放电源发射局部放电脉冲时，该脉冲向空间各个方向传播，由于超声波信号在SF6气体中衰减明显，信号在平面X上传播时，D1、D22点与局部放电源距离相等，2点检测到的超声波信号在幅值和时延上应当一致[13-15]。由此可见，利用D1、D22点超声波信号一致的特点，即可得出局部放电源应在D1、D2连线的垂直平分面上，以此类推，当分别在三个平面上检测局部放电信号时，就可以找出信号源的位置。

图2 平面分位法原理图

在采用幅值比较法时，已检测到B相电压互感器气室罐体底部B12处异常信号最强，在此处建立直角坐标系，用平面分位法进行精确定位，测试点分布见图3。

图3 平面分位法测点分布

在平面xoy上，选取测试点，使得两个测试点处的超声波信号在幅值和时延上一致，得到两点J1、J2，则局部放电源应在J1J2的垂直平分面a上。在平面xoy与a的交线上，按照同样方式找到信号一致的两个测试点K1、K2，得到K1K2的垂直平分面b，则局部放电源应在平面a与b的交线l1上。由于交线l1位于B相电压互感器气室罐体的内部，在该气室罐体表面选取交线l1的平行线l2，在平行线l2上找到对应的两个测试点S1、S2，得到S1S2的垂直平分面c，则局部放电源应在平面c与交线l1的交点S上，采用平面分位法得到局部放电源位于交点S处。

测试点对应超声波信号波形见图4，由于每次选取的两个测试点与局部放电源的距离近似相等(通过不断调整两测试点的位置，同时观察比较信号波形基本一致来得到)，所以图4中每一对测点的幅值和时延均基本保持一致，但由于在现场测试过程中，传感器尺寸较大，且大于两测试点到局部放电源的距离之差，因此局部放电信号在两个测试点处的幅值和时延上仍有一定偏差。

图4 测试点超声波信号波形

2 缺陷特征与原因分析

由上述2种定位结果可知，该超声波局部放电信号源位于B相电压互感器气室内部点S处，属于内部缺陷。根据幅值比较法的检测结果，测试点B12处的有效值和周期峰值最大，分别超出背景值10.51 mV、43.87 mV。B12处的频率成分均为100 Hz，且已达到3.7 mV；时域波形中一个工频周期内出现两簇脉冲信号，且信号强度一致；相位图谱信号均匀分布，呈竖条形。可见，该超声波局部放电异常信号图谱符合振动特征。

对于电压互感器而言，磁致伸缩效应也可能出现具有振动特征的图谱，但通常在三相同时存在，且幅值数据仅在几毫伏级别。而对于被测电压互感器，由表1可知，A、C相幅值数据与背景值几乎一致，仅B相幅值明显升高，且有效值、周期峰值均较大，说明该异常信号并不是由磁致伸缩效应导致的，而属于机械振动。

随后对该电压互感器B相气室进行特高频局部放电和SF6分解物检测，检测结果均未见异常，说明该气室的机械振动并未引起局部放电。

根据上述定位结果，该超声局部放电信号源应位于电压互感器B相气室内部，距离该气室罐体底部法兰外沿约5 cm，底部法兰平面约10 cm处，此处为铁心与夹件连接处，由此可知，该超声波局部放电信号应为夹件连接处松动，在电动力的作用下发生机械振动导致的。

该超声波局部放电信号源并未引起局部放电，未对设备的正常运行造成严重影响，但若缺陷持续发展，可能会引起悬浮放电等情况，应对该气室进行跟踪检测，结合停电机会进行解体检修，并验证超声波局部放电缺陷的分析结果。

3 结论

本文针对某500 kV变电站一起220 kV电压互感器局部放电缺陷，提出了超声波局部放电诊断流程，进行了检测与诊断工作，得出如下结论。

a.采用2种超声波局部放电检测方法将局部放电信号源定位到了该电压互感器B相气室内部，距离该气室罐体底部法兰外沿约5 cm，底部法兰平面约10 cm处。

b.该缺陷原因为电压互感器B相气室内部铁心与夹件连接处存在松动，在电动力的作用下发生机械振动。

通过对该案例的诊断与分析，验证了超声波局部放电诊断流程和定位分析方法的准确性，在以后的检测过程中，应采用文中检测流程和定位方法进行综合分析，以保证设备的安全稳定运行。