馬建濤，馮新巖，崔 勇，楊承龍，石秀巖

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250018）

0 引言

由于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS）設(shè)備具有體積小、占地面積少、易于安裝、受外界環(huán)境影響小、運(yùn)行安全可靠、檢修周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，近來(lái)在全國(guó)范圍內(nèi)應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1］。為及時(shí)掌握GIS設(shè)備的健康狀況，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的GIS設(shè)備進(jìn)行帶電檢測(cè)非常必要。據(jù)統(tǒng)計(jì)［2］，GIS設(shè)備故障中絕緣缺陷占57.3%，機(jī)械缺陷占18.1%，若能有效檢測(cè)出GIS設(shè)備內(nèi)部的缺陷，對(duì)GIS設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行與電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。大部分GIS絕緣缺陷在故障發(fā)生前產(chǎn)生局部放電，通過(guò)捕捉局部放電產(chǎn)生的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析、判斷、定位，可及時(shí)處理相應(yīng)缺陷并成功阻止設(shè)備缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)大。GIS設(shè)備內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，電流脈沖（上升沿為納秒級(jí)）能在內(nèi)部激勵(lì)高達(dá)數(shù)吉赫茲的電磁波［2-3］，該類電磁波信號(hào)可通過(guò)特高頻時(shí)差定位法進(jìn)行檢測(cè)。

GIS 設(shè)備帶電檢測(cè)手段很多［2，4－5］，目前國(guó)內(nèi)外最常用的局部放電檢測(cè)方法主要有兩種，分別是特高頻局部放電檢測(cè)和超聲波局部放電檢測(cè)。由于超聲波信號(hào)（本質(zhì)是機(jī)械波）具有快速衰減的特性，導(dǎo)致其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)點(diǎn)密集，且檢測(cè)范圍小，定位只能通過(guò)幅值法來(lái)確定，對(duì)精確定位放電源位置有一定局限性［2］。特高頻局部放電檢測(cè)主要是檢測(cè)異常信號(hào)發(fā)出的電磁波信號(hào)，電磁波在GIS內(nèi)部導(dǎo)體傳輸近似等效為同軸傳輸模式［6-7］，因此其信號(hào)衰減較小，檢測(cè)范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，可減少檢測(cè)時(shí)間從而提高檢測(cè)效率，因此得到較快發(fā)展。特高頻時(shí)差定位技術(shù)是特高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)的升級(jí)應(yīng)用，通過(guò)放置在GIS上不同檢測(cè)點(diǎn)上的兩個(gè)或多個(gè)傳感器，計(jì)算信號(hào)源到達(dá)不同傳感器間的時(shí)間差，從而精確定位放電源［2，7］。

1 特高頻局部放電檢測(cè)原理

局部放電過(guò)程由于其伴隨正負(fù)電荷的中和，會(huì)出現(xiàn)陡度較大的電流脈沖，并向周圍輻射電磁波［2］。當(dāng)局部放電在GIS內(nèi)部很小的范圍內(nèi)發(fā)生時(shí)，擊穿過(guò)程快，產(chǎn)生很陡的脈沖電流，其上升時(shí)間小于1 ns，并激發(fā)頻率高達(dá)數(shù)吉赫茲的電磁波，其行波不僅以橫電磁波（TEM）形式傳播，還以更高階橫電波（TE）即縱向磁場(chǎng)分量傳播和更高階的橫磁波（TM）即橫向電場(chǎng)分量傳播。由于電磁波導(dǎo)的不連續(xù)性，導(dǎo)致電磁波的傳播發(fā)生反射后會(huì)成駐波，部分分量方向改變，沿氣室間隔之間的盆式絕緣子縫隙傳出，可通過(guò)外置式特高頻傳感器進(jìn)行檢測(cè)。因此，時(shí)差定位法可通過(guò)放電源附近外置傳感器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。GIS設(shè)備特高頻局部放電傳感器安裝形式及檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 GIS設(shè)備特高頻局部放電傳感器安裝形式及檢測(cè)原理

2 特高頻時(shí)差定位檢測(cè)法

對(duì)局部放電源的準(zhǔn)確定位能快速有效地方便缺陷元件查找及放電類型的診斷，提高檢修工作效率。特高頻時(shí)差定位法原理基于距離放電源最近的傳感器檢測(cè)到的時(shí)域信號(hào)最超前。時(shí)差定位法主要適用于采用高速數(shù)字示波器的帶電檢測(cè)裝置中，定位方法如圖2所示。將傳感器分別放置在GIS設(shè)備上2個(gè)相鄰的測(cè)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算放電檢測(cè)信號(hào)的時(shí)差，計(jì)算局部放電源位置。放電檢測(cè)波形如圖3所示。

圖2 GIS中局部放電源位置

圖3 示波器檢測(cè)波形

局部放電源具體位置計(jì)算公式為

式中：x為放電源距離左側(cè)傳感器的距離，m；L為圖2中兩個(gè)傳感器之間的距離，m；c為電磁波傳播速度，3×108m/s；Δt為 2 個(gè)傳感器檢測(cè)到的時(shí)域信號(hào)波頭之間的時(shí)差，s。

3 案例分析

對(duì)某變電站GIS設(shè)備進(jìn)行帶電檢測(cè)時(shí)，使用特高頻局部放電檢測(cè)儀發(fā)現(xiàn)其500 kV GIS 5021間隔內(nèi)存在幅值較小的異常特高頻放電信號(hào)，利用特高頻時(shí)差定位法定位放電源位于5021開關(guān)1號(hào)母線側(cè)支撐絕緣子。解體后，支撐絕緣子外觀上未發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)更換下來(lái)的支撐絕緣子進(jìn)行X射線探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)支撐絕緣子內(nèi)部存在兩個(gè)明顯的氣泡。更換新的支撐絕緣子，恢復(fù)后復(fù)測(cè)，異常信號(hào)消失。

3.1 特高頻局部放電信號(hào)檢測(cè)

使用特高頻局部放電檢測(cè)儀發(fā)現(xiàn)某變電站500 kV GIS 5021間隔氣室內(nèi)部存在幅值較小的異常放電信號(hào)，特高頻示波器檢測(cè)信號(hào)如圖4。檢測(cè)信號(hào)具有周期性，周期為20 ms，脈沖數(shù)量較少，由此分析該缺陷類型為空隙放電。

圖4 示波器檢測(cè)波形及時(shí)差定位

3.2 局部放電信號(hào)時(shí)差定位

為了精確查找GIS內(nèi)部放電位置，使用特高頻時(shí)差定位系統(tǒng)對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行放電源定位，將2個(gè)傳感器分別放在該氣室的兩側(cè)的盆式絕緣上，通過(guò)高速示波器檢測(cè)放電源到達(dá)各氣室的時(shí)刻，時(shí)差定位、檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)、GIS結(jié)構(gòu)示意分別如圖4～圖6所示。

通過(guò)圖4，圖5可知，傳感器1與傳感器2的時(shí)差為6.5 ns，2個(gè)內(nèi)置傳感器距離3 m，代入式（1），計(jì)算得放電源距傳感器1處1.1 m處，對(duì)照GIS尺寸結(jié)構(gòu)（圖6），此處正好對(duì)應(yīng)于開關(guān)支撐絕緣子處。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

圖6 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

3.3 GIS解體檢查處理

解體后，外觀上未發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)更換下來(lái)的支撐絕緣子進(jìn)行X射線探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)支撐絕緣子內(nèi)部存在2個(gè)明顯氣泡。X射線探傷及切割如圖7所示。對(duì)該支撐絕緣進(jìn)行更換，處理后進(jìn)行復(fù)測(cè)，異常信號(hào)消失。

4 結(jié)語(yǔ)

特高頻時(shí)差定位檢測(cè)法能有效排除干擾，準(zhǔn)確定位GIS設(shè)備內(nèi)部放電源位置，從而提高檢修效率，縮短檢修時(shí)間，減少檢修成本。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)中的放電譜圖與典型放電譜圖不完全一致，因此在實(shí)際診斷放電類型時(shí)，需分清各類放電譜圖的主要特征，并結(jié)合放電源位置等因素對(duì)放電缺陷類型進(jìn)行綜合分析、判斷。

某些絕緣類缺陷可由絕緣件澆筑過(guò)程中工藝缺陷引起，因此，對(duì)絕緣件的出廠需要嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)程和流程，進(jìn)行百分之百檢查，從根本上杜絕異常設(shè)備或附件投入使用。