GIS局部放电常规检测和超声波检测方法的应用比较

发布日期：2017-08-15 17:59　　　浏览次数：次

O 引言

随着电力需求的不断增大．电力设备电压等级的不断提高，电网中高压GIS的应用越来越广泛。由于GIS结构紧凑，承受的工作场强往往很高．因此对GIS设备的绝缘性能有很高的要求。但在GIS制造、运输和现场安装调试的过程中．有时会产生一些绝缘性缺陷。这些缺陷在GIS运行过程中可能会引发绝缘故障，甚至造成严重的系统事故⋯引。研究表明。绝缘介质在发生击穿前都会产生局部放电．因此局部放电是设备绝缘缺陷的重要征兆和表现形式．通过检测GIS局部放电．可以及时有效地发现GIS内部存在的故障缺陷[3]。

笔者主要对GIS几种较为成熟的局部放电检测技术进行介绍．并通过模拟GIS运行中常见的几种典型故障缺陷．重点介绍超声波局部放电检测和传统电流脉冲局部放电检测在GIS出厂试验阶段的比较应用。同时通过这种比较．为超声波局部放电检测技术在GIS现场交流耐压试验和运行阶段的有效应用积累一些经验。

1 GIS局部放电检测技术概述

局部放电的影响是多方面的．有物理的、化学的和电气的，原则上，它们中的任何一个都能够用来检测局部放电的存在[4]。目前在GIS局部放电检测方面．技术比较成熟并且应用比较广泛的主要有声测法中的超声波检测法、电气法中的常规脉冲电流法和超高频检测法。其它诸如光学检测法和化学检测法都凶为自身的局限性还没能广泛应用。

1．1常规脉冲电流法

GIS发生局部放电时．GIS试品两端产生瞬时的电压变化△U．当把试品接人检测回路时．就会产生脉冲电流。该脉冲电流信号通过输入阻抗磊转换成一个脉冲电压信号，然后再通过滤波、放大器放大、信号采集以及计算处理．测定出局部放电的一些基本量(如：视在放电量口、局部放电脉冲大小、数量与相位)。该技术成熟、应用广泛。已经形成了专业标准(IEC一60270和GB/T 7354)。相对于其它方法．其对视在放电量的定量测量能更直观地反映系统局部放电的剧烈程度。但缺点是抗十扰能力差．尤其是对于频率f<l0MHz的噪音干扰．同时其测量频率范同一般小于1 MHz，信息量少．设备笨重不适合现场局部放电检测。

1．2超声波检测法

GIS发生局部放电时分子间剧烈碰撞并在宏观上瞬间形成一种压力．产生超声波脉冲．其中包含横波、纵波和表面波。在SF6气体中只有纵波可以传播并且衰减很大。而在带电导体、绝缘子和金属壳体等固体中传播的除纵波外还有横波．横波在固体中衰减小。由于超声波的波长较短．因此它的方向性较强．从而它的能量较为集中。通过安置在外壳一卜的超声波传感器可以接收到这些声信号．再通过对声信号进行分析判断可以诊断出是否发生了局部放电[3]并能对放电缺陷进行定位。其测量频率范围通常在20～100 kHz．在此频段可以很好地滤除干扰获得较好的信噪比。超声波传感器通常采用非侵入式结构不需要预先安装到GIS本体中．检测时不会对GIS正常运行产生影响。但缺点是声信号在通过气体和绝缘子时衰减很严重．无法检测出某些缺陷(如绝缘子气泡)引起的局部放电．

1-3超高频检测法(UHF)

GIS发生局部放电时．放电脉冲上升时间和持续时间都极短仅为几个ns．其相对应的频域十分宽广。该脉冲信号在GIS腔体中传播时会引起电谐振。激发出频率高达300 MHz～3 GHz的电磁波．电磁波传播时，不仅以横向电磁波(TEM)形式传播。而且还会建立高次横向电波(TE)和横向磁波(TM)。TEM波为非色散波．可以以任何频率在GIS中传播．但频率越高衰减越快。TE和TM则不同．它们具有各自的截止频率，只有当信号频率高于截止频率时才能传播。GIS的同轴结构相当于一个良好的波导．信号在其内部传播时衰减很小．有利于局部放电检测。超高频法的原理就是根据局部放电所激发的电磁波的这些特性．利用内置或外置的超高频传感器来接收这些电磁波并对其进行分析．从而判断出缺陷类型和故障定位。其优点是抗干扰能力强，测试灵敏度高。但缺点是与常规脉冲电流法相比，检测时无法对局部放电进行一个放电量大小的标定。

2常规电流脉冲检测法和超声波检测法的比较试验

2．1试验电路

图1所示是由实际出厂绝缘试验系统对实际252 kV GIS产品的通管模块进行工频耐压及局部放电测量的试验电路。其巾试验变压器为380 V厂750 kV气体绝缘金属封闭型试验变压器。GIS通管模块由一根对接在试验变压器上的外壳内径①为248 mm、中央导体直径①为80mm、长3 150mm的通管和一个盘式绝缘子构成。检测系统有局部放电常规测量装置(MWB产20084M一380 V仃50 kV型试验变压器、PD产ICM—Compact、Preampl讯er RPA 1 A和CIL3M局放测量系统)和挪威Doble TransiNor产便携式AIA一2超声波检测装置。常规局放检测频段为100～800 kHz，全系统背景局放小于0．7 kHzpC。AIA检测仪则采用20～100 kHz频段.

每次先在GIS通管模块中安放一个模拟缺陷．然后将通管和试验变压器对接．抽真空至l mbar．再注入6．1 bar的SR气体。静置30 min后进行气体的水分(≤150×10。6)和浓度(≥98％)检测。

2．2试验结果分析和比较

在GIS内分别模拟了带电导体上尖端、壳体内壁上尖端、自甫金属颗粒、悬浮电位、绝缘子内气泡以及黏附在绝缘子表面的金属颗粒等6种典型故障缺陷。同时通过测试系统记录的放电脉冲和AIA超声波脉冲的相位分布比较、不同缺陷在一定电压下的脉冲放电量大小比较．以及不同缺陷超声波脉冲有效值和周期峰值的特征和大小比较．分析得出一些经验判据来帮助利用超声波检测法对GIS局部放电类型进行识别。

2．2．1 带电导体上的尖端

在GIS导体上安装一根长5 mm、直径1mm的金属尖刺并施加不同的电压来模拟带电导体上尖端放电缺陷。AIA超声波传感器距离尖刺约2 000 mm。图2所示是常规局部放电仪测得的127 kV试验电压下放电脉冲相位分布和放电量大小的情况：在外加电压负半周发生放电的次数和强度都明显大于正半周．成不对称分布：最大放电量发生在外加电压波峰附近，并随着外加电压的增加而变大。图3所示是127 kV试验电压下超声波脉冲相位分布和脉冲幅值的情况：超声波脉冲在参考电压正负半周的形状和大小相似，并且随着外加电压的变化．其分布相位也会出现相应的漂移导致最大脉冲提前于或滞后于参考电压波峰一定角度．

2．2．2壳体内壁上的尖端

将带电导体上的金属尖刺移置并固定安装到壳体内壁上，尖端指向导体．然后施加不同的电压来模拟壳体内壁上尖端放电的故障缺陷。AIA超声波传感器距离尖刺大约2 000 mm。在外加电压294 kV下试验结果见图4、5。壳体上尖端的脉冲放电模式正好和带电导体尖端的放电模式相反．虽然也是不对称分布。但其在外加电压正半周的放电次数和放电量大小均明显大于负半周。最大放电量发生在外加电压波峰附近。而超声波脉冲分布的形状和大小仍然基本相似，相位也随着外加电压的变化而产生一定漂移。

对于相同大小的尖端．处于壳体上时其起始放电电压明显比位于带电导体上时要高很多。在相同放电电压下．前者的局部放电量和超声波脉冲的幅值也小于后者。

值得注意的是．在局部放电常规检测时．该模拟缺陷在规定电压下的局部放电量小于国标规定的5 pC的限定值，试品的局部放电在合格范围内。而超声波检测结果能更突出地体现故障缺陷的存在。

2．2．3 自由金属颗粒

在GIS腔体内放置一颗直径约4 mm的铝箔揉制的球状颗粒，然后施加不同的电压来模拟自由金属颗粒放电的故障缺陷。在外加电压90 kV下试验结果见图6、7。在外加电压正负两个半周内的放电次数基本相同并成对称分布：最大放电量发生在电压正负波峰附近且大小相等。随着外加电压的升高．放电强度明显增大。自由颗粒在电场的作用下会产生跳动并与外壳碰撞激发出超声波．因为这种跳动和碰撞是无规律的．所以其激发的超声波脉冲的分布很随机杂乱无任何相位相关性。信号水平很高。

2．2．4悬浮电位

将一个盆式绝缘子安装在试品GIS通管端部，其中央金属导体距离通管的带电导体大约20 mm构成一个悬浮电位．再通过施加不同的电压来模拟该类缺陷的放电情况。AIA超声波传感器距离缺陷点大约1500 mm。在外加电压143 kV下试验结果见图8、9。放电现象在正负两个半周都比较明显。尤其是外加电压超过放电起始电压后放电量随电压升高而快速增长．最大放电量发生在外加电压波峰附近。超声波脉冲也较为集中地分布于参考电压波峰附近．

2．2．5绝缘子上颗粒

用胶带将一根长5 mm、直径1 mm的铜丝粘贴在盆式绝缘子上．距离其中央金属导体约7 mm．然后施加不同的电压来模拟绝缘子上颗粒放电的故障缺陷。AIA超声波传感器距离缺陷点大约1 500 mm。在外加电压294 kV下试验结果见图10、11。在外加电压波形上升段发生的放电次数明显高于下降段．正负两个半周的放电次数和放电量大小分布十分相似．只是局放相位与外加电压相位会出现偏移而使得最大放电量没有出现在外加电压波峰附近。超声波脉冲在参考电压正负两个半周上分布的形状和大小基本相似，信号水平不高。

2．2．6绝缘子中气泡

将一个带有两个空气气泡的绝缘子安装到试验GIS通管上。然后施加不同的电压来模拟绝缘子气泡放电的故障缺陷。AIA超声波传感器距离缺陷点大约500 mm。在外加电压294 kV下试验结果见图12、13。放电情况在外加电压正负两个半周基本相同．并且具有很大的放电强度．但放电相位与外加电压相位出现一定的偏移。由于环氧树脂对放电信号衰减很大．绝缘子内部放电产生的超声波脉冲信号都被其吸收掉而无法传递到外部．所以超声波传感器几乎检测不到任何超声波脉冲．脉冲相位分布平坦等同于背景噪音水平。