葉淳錚

(福建省鴻山熱電有限責(zé)任公司，福建 石獅 362712)

1 引言

GIS設(shè)備與敞開式輸變電設(shè)備相比，具有占地面積和空間小、安裝快、受外界環(huán)境干擾小、運行安全可靠、利于環(huán)境保護、維護工作量少、檢修周期長等一系列優(yōu)點［1－2］。

隨著設(shè)備服役時間的增長及新GIS設(shè)備的不斷投運，GIS設(shè)備的故障次數(shù)呈逐步上升趨勢。對運行中GIS設(shè)備的絕緣性能進行跟蹤檢測是進行GIS狀態(tài)檢修風(fēng)險評估的重要手段。

影響GIS設(shè)備絕緣狀況的主要因素有:氣室內(nèi)導(dǎo)電體上和金屬外殼上的異常突起;氣室內(nèi)自由金屬顆粒;固體絕緣內(nèi)部的空隙和缺陷;電動和機械力造成的氣室內(nèi)零配件的松動;SF6氣體中含有水份等。

局部放電是反映絕緣缺陷的有效手段，局放發(fā)生時伴隨有物理的、化學(xué)的、光的、電以及磁的效應(yīng)。從原理上講，上述任何一種現(xiàn)象都可以用來揭示局部放電現(xiàn)象［3］。

本文主要介紹UHF、TEV以及X-ray三種新興的GIS局放監(jiān)測方法。

2 UHF檢測

英國Strathclyde大學(xué)提出的超高頻法目前已經(jīng)應(yīng)用到GIS生產(chǎn)和運行中，它是一種利用超高頻頻率信號進行局部放電在線監(jiān)測的方法。在超高頻法中傳感器并非起耦合的作用，而是接收超高頻信號的天線，所以超高頻法的原理與脈沖電流法是不同的。GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時，由于放電點處電荷的迅速轉(zhuǎn)移，形成持續(xù)時間很短的電流脈沖(ns級)，并產(chǎn)生頻率分量極其豐富的電磁信號(高達GHz)，通過傳感局部放電所產(chǎn)生的電信號進行局部放電檢測，有可能實現(xiàn)較高的靈敏度，并能夠及時發(fā)現(xiàn)早期的的局部放電。UHF檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

局部放電電信號傳感面臨的關(guān)鍵困難是電磁干擾問題。GIS局部放電在線監(jiān)測要求在GIS運行的現(xiàn)場條件下進行檢測，由于電暈放電等原因，現(xiàn)場條件下存在大量的電磁干擾信號，尤其常規(guī)局部放電檢測所使用的頻段(幾十kHz～幾百kHz)，干擾信號的強度有可能遠遠大于所要檢測的局部放電信號，使得局部放電檢測的電信號傳感器無法實現(xiàn)。GIS局部放電檢測的超高頻傳感方法正是針對抗電磁干擾問題提出的，并在超高頻頻段內(nèi)選擇合適的頻段進行局部放電的電信號傳感。

GIS運行現(xiàn)場的干擾源主要有:架空線和變電站母線上的電暈放電，導(dǎo)體接觸不良產(chǎn)生的電弧放電，站內(nèi)可控硅產(chǎn)生的強電脈沖，其他設(shè)備內(nèi)部的放電，無線電波，載波通訊，系統(tǒng)內(nèi)開關(guān)動作等。研究表明，這些干擾主要集中在300MHz以下頻段。雖然也存在超高頻干擾信號，由于傳播路徑上衰減很快，并且很容易被屏蔽，因此一般不能到達GIS。相比之下，GIS的同軸結(jié)構(gòu)是一個良好的波導(dǎo)，其內(nèi)部的局部放電輻射出的超高頻電磁波可在內(nèi)部有效地傳播，因此，選擇超高頻段的電磁信號作為檢測信號，可以避開常規(guī)電氣測試方法中難以識別的電系統(tǒng)中干擾，顯著提高了局部放電檢測的信噪比。

GIS局部放電超高頻傳感器的特點如下:a)超高頻頻段信號傳感，避開了電網(wǎng)中主要電磁干擾的頻率，具有良好的抗電磁干擾能力;b)局部放電的電磁信號傳感，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的檢測靈敏度;c)根據(jù)電磁脈沖信號的衰減和時差，可進行故障定位;d)根據(jù)放電脈沖的波形特征和超高頻信號的頻譜特征，可進行故障診斷;e)超高頻傳感器的有效檢測范圍大，檢測點少，檢測效率高，適用于自動在線監(jiān)測系統(tǒng);鑒于超高頻傳感的上述特點，近年來這種方式受到了廣泛的重視和研究，已成為GIS局部放電在線監(jiān)測的主要傳感方式，并得到了實際的應(yīng)用。

超高頻法最主要的優(yōu)點是:高靈敏度，并能通過放電源到不同傳感器的時間差對放電源進行精確定位。它對傳感器的采集精度和寬帶要求很高，因此造價較高。該方法的進一步研究方向為提高抗干擾性能以及實現(xiàn)模式識別和故障診斷。

圖1 UHFGIS檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 TEV檢測

高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時，放電量往往先聚集在與接地點相鄰的接地金屬部位，形成對地電流在設(shè)備表面金屬上傳播如圖2所示。對于內(nèi)部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，屏蔽連續(xù)時在設(shè)備外部無法檢測到放電信號，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續(xù)，局部放電的高頻信號會由此傳輸?shù)皆O(shè)備屏蔽外殼。因此，局部放電產(chǎn)生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關(guān)的襯墊傳出，并沿著設(shè)備金屬箱體外表面繼續(xù)傳播，同時對地產(chǎn)生一定的暫態(tài)電壓脈沖信號，該信號即為暫態(tài)對地電壓(TEV)。

圖2 TEV檢測原理

目前，TEV(Transient Earth Voltage)技術(shù)已應(yīng)用于開關(guān)柜局部放電檢測。TEV便攜式設(shè)備已由英國EA Technology公司推出，并在國內(nèi)外電力企業(yè)中獲得了強有力的推廣。通過TEV便攜式設(shè)備診斷絕緣劣化過程及絕緣故障的有效性已得到現(xiàn)場試驗的證明。

英國EA Technology公司研制的TEV系列局部放電檢測儀，其產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)外某些電力公司開始使用。

國內(nèi)的孫西方等人成功應(yīng)用EA公司研制的TEV檢測儀在某變電站10kV開關(guān)室內(nèi)測量到局部放電TEV信號，并用PDL1實現(xiàn)定位，定位結(jié)果顯示放電位置位于該開關(guān)柜后面板左下側(cè)。在設(shè)備停電維修時確認(rèn)該開關(guān)柜存在局部放電故障，并且開關(guān)柜后面板左下側(cè)C相電纜頭螺絲松動從而導(dǎo)致了局部放電。維修中緊固螺絲后再次進行通電測試，TEV信號大大減弱，故障順利排除，表明TEV檢測法可有效的發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜的局部放電故障。

何肖軍、徐志斌等人在某變電站使用Ultra TEV Plus檢測過程中，發(fā)現(xiàn)某3563開關(guān)柜局部放電數(shù)值達到了63dB，用PDL1定位后發(fā)現(xiàn)放電點位于該3563開關(guān)柜與3563線路避雷器開關(guān)柜中間母排C相的位置，打開開關(guān)柜檢查發(fā)現(xiàn)，兩開關(guān)柜中間C相母排處均壓環(huán)有局部放電，停電檢修后故障順利排除。

國內(nèi)某變電站開關(guān)室常規(guī)巡視時發(fā)現(xiàn)35kV ZS3.2開關(guān)柜附近有異常聲響，但很難判斷出具體位置及是否放電引起。經(jīng)PDL檢測發(fā)現(xiàn)整個35kV開關(guān)室背景分貝值較高，而柜內(nèi)穿板套管處為最高，經(jīng)初步確定為柜內(nèi)穿板套管內(nèi)放電產(chǎn)生異聲。后經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)的確是穿板套管內(nèi)均壓環(huán)彈簧因接觸不良產(chǎn)生放電。

目前，國外部分供電企業(yè)也開始使用超聲法以及TEV法進行局部放電監(jiān)測。新加坡電網(wǎng)公司應(yīng)用PDM03以及MiniTEV實現(xiàn)局部放電檢測的實踐證明:通過該系統(tǒng)可以有效的檢測出開關(guān)柜內(nèi)局部放電:如電纜接頭部位局部放電，內(nèi)部CT放電等，特別是對于肉眼難以發(fā)現(xiàn)的早期故障的發(fā)現(xiàn)有較好的效果。澳大利亞、英國等國家電網(wǎng)公司也在TEV檢測方面進行了較多的實踐。

在GIS局放檢測方面，研究發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)備外殼內(nèi)外表面感應(yīng)的電荷有一固定的比例，其產(chǎn)生的TEV信號與原始的放電電流有較強的相似性，而且這種設(shè)備外部的信號可以通過特制的電容型局放傳感器獲取出來。從而提供了一種新的對設(shè)備正常運行不產(chǎn)生任何干擾的局部放電檢測技術(shù)?；赥EV技術(shù)的局部放電傳感器通常利用其頭部的金屬電極與GIS或開關(guān)柜的外殼形成小電容。局部放電引起的電磁波信號通過小電容耦合到檢波電容上，再經(jīng)放大降噪后檢測出來。這種方法檢測頻帶可以達到1～25MHz，并可以達到較高的檢測靈敏度。

綜上，TEV檢測主要開關(guān)設(shè)備缺陷檢測中應(yīng)用，使用TEV進行GIS絕緣缺陷檢測的研究仍較少，具有良好的發(fā)展前景。

4 X-ray檢測

工業(yè)用X射線成像原理和我們通常在醫(yī)院、機場見到的拍片、CT、安檢系統(tǒng)工作原理一樣。X射線在穿透不同的物體時與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而強度變化，感光材料(膠片、IP板、DR板)接受到該強度變化信號后，經(jīng)信號處理形成我們常見的影像如圖3所示。通常，用于GIS檢測的一套完整的檢測系統(tǒng)包括:射線源(ERESCO 65 MF4，300KV)、IP板(軟)或DR板(DXR250V)、CR掃描儀(DR不需要)、Rhythm工作站(圖像顯示系統(tǒng)含圖像處理分析軟件)Rhythm Workstations including Rhythm Software、X 光機現(xiàn)場移動支架、移動工作站(車)等［4－5］。

圖3 X數(shù)字成像原理

研究X射線對SF6氣體的影響是采用X射線對GIS設(shè)備進行檢測的前提，通用電氣采用加拿大SF6DPD型SF6分解產(chǎn)物檢測儀，精度為 ±0.1μL/L，對樣品氣體和現(xiàn)場運行設(shè)備進行X射線照射，經(jīng)氣體成分測定，X射線沒有導(dǎo)致GIS設(shè)備SF6氣體的分解。

高的信噪比和高的對比度是圖像質(zhì)量最核心的技術(shù)指標(biāo)。他們直接影響結(jié)構(gòu)細節(jié)的分辨和故障的發(fā)現(xiàn)能力。2008年以前，CR、DR技術(shù)應(yīng)用受到局限的主要因素就是受上述兩指標(biāo)的綜合影響，圖像質(zhì)量達不到某些應(yīng)用的高要求。當(dāng)前技術(shù)能達到的最佳指標(biāo):信噪比:9級;對比度:9級。(視被檢材料的變化而不同)。完全能和傳統(tǒng)膠片的圖像媲美。

2010年，某供電局GIS發(fā)生故障，由GIS生產(chǎn)廠家來現(xiàn)場更換后，無法用常規(guī)手段檢查維修效果，故進行CR透視，圖4(a)是合格產(chǎn)品，圖4(b)是修復(fù)后的產(chǎn)品。經(jīng)比較，見圖中紅框部分，修復(fù)后產(chǎn)品中彈簧明顯錯位，判為修復(fù)不合格，需重新處理。本檢驗充分證明了X射線方法的有效性。

目前該方法的主要研究方向為進一步縮小設(shè)備體積，同時降低設(shè)備成本。

圖4 X-ray故障檢測圖像

5 結(jié)論

對三種新興的GIS絕緣缺陷故障監(jiān)測方法進行了介紹，對比分析了不同監(jiān)測方法的優(yōu)缺點，指出了不同方法的研究方向。

［1］ 邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1994.

［2］ 成永紅.電力設(shè)備絕緣檢測與診斷［M］.北京:中國電力出版社，2001.

［3］ 金立軍，劉衛(wèi)東，錢家驪.GIS絕緣配合中的故障分析及診斷和檢測技術(shù)［J］.中國電力，2002，25(2):52 －55.

［4］ 閆斌，何喜梅，吳童生，王志惠，李生平，GIS設(shè)備X射線可視化檢測技術(shù)，中國電力，2010，43(7):44 －47.

［5］ X射線數(shù)字成像技術(shù)，GE公司研發(fā)部.