1、 1超声波局放探测技术在 GIS 状态监测中的应用上海市电力公司上海超高压输变电公司吴欣烨，吴剑敏，陈超杰关键字：超声波、局部放电、GIS、状态监测摘 要GIS 的内部缺陷主要表现为局部放电，若任其发展，极有可能导致事故的发生。利用超声波局放探测技术，能在设备不停电的条件下有效地揭示 GIS 内部的许多缺陷，即实现对 GIS 的在线监测。本公司通过引进采用 AIA 超声局放仪器，对运行中的 GIS 进行了状态监测尝试，根据该仪器的测量结果能对大多数 GIS 进行状态分类和危险性评估，同时也及时对存在局放异常的设备进行了解体处理，消除了电网隐患。引言六氟化硫组合电器 GIS 是利用 SF6 气体
2、优异的绝缘性能，把断路器、隔离开关、接地开关、PT、CT、避雷器、母线、进出线套管、电缆终端等设备封闭组合在一起的。由于其具有体积小，重量轻，不受外界环境影响等优点，在电力系统的使用日渐增多。尽管 GIS 和常规设备相比具有较高的可靠性，但 GIS 发生故障后，引起的停电时间长，检修费用高，损失巨大，因此 GIS 状态监测技术日益得到广泛重视。由于 GIS 内部存在缺陷时，一般会产生局部放电，因此 GIS 的诊断实际就是局部放电的检测。检测方法有传统电气法、UHF（超高频）法、超声法、化学检测法、光学检测法等。目前国外研究和使用较多的是超声法和 UHF 法。CIGRE （国际大电网会议）对 G
3、IS 故障检测及诊断技术进行了大量的调查研究工作，得出的结论是：UHF 法和超声法的灵敏度都可达到 pc 级，高于其它方法，对外界电磁干扰不敏感，抗干扰性能好，便于现场使用。而 UHF 法一般用于 GIS 的全时监测，国外有在 GIS 上安装 UHF 在线监测系统的报道，美国、英国、马来西亚等国都有在重要 GIS 上安装 UHF 在线监测系统的报道，但投资巨大，不可能在所有的 GIS 上都安装，因此，目前的发展趋势是开发研究高可靠性、小型化的外部诊断技术采用便携式仪器进行定期检测。挪威电力研究院使用超声法对 GIS 故障诊断技术进行了长期、大量的研究工作，根据发表在 CIGRE（国际大电网会议
4、）上的研究报告，检测到多次 GIS 内缺陷，如在一个132kVGIS 内的间隔表面上发现几个 2mm 长的微粒。马来西亚电力公司也用超声法对GIS 进行了检测工作，收到了很好的效果，如在两个隔离开关气室检测到了由于屏蔽件的松动产生的局部放电信号。此外超声法在加拿大魁北克水电厂、西门子公司等都得到了广泛的应用。国内也有单位对 GIS 的检测技术进行研究，如中国电力科学研究院采用振动法，即用加速度传感器检测 GIS 内的局部放电信号；西安交通大学等对 UHF 法也进行过研究，但目前都不成熟。近几年来，我公司有大量的GIS 投入使用，而又缺乏对 GIS 的有效检测手段，可以说在一定程度上，GIS 存
5、在一定的安全隐患。因此，有必要增加对 GIS 的状态检测手段和开展对 GIS 状态的研究。由于GIS 广泛应用，有关 GIS 的综合诊断、带电测试是未来电力工业发展的必然。上海超高压公司的第一代 GIS 早在上世纪 80 年代就投入运行，是全国最早使用 GIS的电力单位，迄今为止已有四十多个 220kV及以上变电站拥有 GIS 设备，总间隔数超过1000 个，也是国内使用 GIS 最多的单位之一。但随着老的 GIS 设备运行时间的不断延续，新的 GIS 设备又不断投入运行，GIS 总体故障率上升的危险正变得越来越大。据国外权威机构的统计分析，目前国际上的 GIS 故障率2远高于 IEC 推荐的
6、每百间隔年 0.1 次的水平，这也为我们敲响了警钟。所以对老、旧的 GIS 进行有效的状态监测，可以减少整个公司的维修费用，并使之发挥最大效率，推迟再投资；增强对新 GIS 的质量控制，亦可有效地减少成本。图 1故此，本公司通过反复论证，引进了由挪威电力研究院开发制造的 AIA 超声局放探测仪（如图 1） ，先后对多个 220kV 变电站进行了超声波局放状态监测的尝试性应用，例如在 GIS 额定运行电压及工频耐压试验电压下测量 GIS 内的局放水平。分别建立了部分GIS 的重要间隔的超声信号档案，同时也发现了部分 GIS 内部缺陷，通过解体处理后及时消除了电网隐患，也为未来定期地试验、乃至于编
7、制正式的试验规范提供一个可以比较的前提。一、超声波 GIS 局放测量的原理GIS 设备的绝缘性能是确保其安全运行的重要条件。GIS 设备内部中的金属微粒、粉末和水分等导电性杂质是引发 GIS 设备故障的原因。GIS 设备存在导电性杂质时，因局部放电而发出不正常声音、振动、产生放电电荷、发光、产生分解气体等异常现象。GIS 的故障率具有非偶然性的特点，GIS 在生产、安装以及运行等过程都可能使 GIS 内部有电极表面脏污、毛刺、自由粒子、接触不良引起浮电位等缺陷。上述缺陷导致 GIS 在高电压下造成内部电场畸变，畸形电场发展到一定程度 ，便形成 GIS 内的局部放电，在绝缘系统中留下缺陷，从而定
8、期进行状态检测十分有必要。GIS 内部的主要缺陷类型有： 接地体和带电体部分上的突起、毛刺 颗粒：自由颗粒和盆式绝缘子上的固定颗粒 绝缘子内部的空隙和缺陷 电气和机械松动的屏蔽据报道，导致 GIS 故障的缺陷大部分为颗粒，而超声波检测对颗粒有着极高的灵敏度。AIA 超声局放探测仪的诊断原理从一定的角度看来，局部放电所释放的能量使 SF6 气体周围的温度升高，从而产生瞬时的局部过压，所形成的扰动以声波的形式传播，传播到金属外壳时会在外壳上传播。在外壳上用一特制的声探头可检测到传播波，这样就可以间接发现设备内部存在的局部放电。如果在 GIS 内部有金属颗粒存在，微粒在电场力克服重力或有向上外力的情
9、况下会在内部舞动，从而会碰撞金属外壳，从而产生一定频率的声波，这同样可以用声探头进行检测。声波传播会有一定的衰减，SF6 气体对部分频率有吸收性能，通过这样的特点可以对故障进行定位。由于声测法对环境噪声不敏感，也是能对 GIS 现场实验有很好的灵敏性的保证。因为各故障缺陷在 GIS 中体现为不同的超声信号，其所产生的信号范围十分宽，例如内部电晕一般发出连续信号，而自由颗粒一般发出脉冲信号。故此 AIA 超声波局放测试仪器提供了三种测量方式： 连续信号方式：是该仪器最基本的测量方式，提供了四个测量参数，由图 2 中红色水平柱表征，自上至下分别是：一个电源周期内的有效值信号、一个电源周期内的峰值信
10、号、工频（50Hz）的调制强弱、两倍工频（100Hz）的调制强弱四个测量参数，其中周期峰值与有效值之比大于局放量，较弱的放电（凸起）一般表现为 50Hz 成分较高，松动的屏蔽则表现为较高的 100Hz 成分，同时也有一些 50Hz 成分。如果周期性峰值和有效值的绝对幅值高、比值大且发散性大，同时 50/100Hz 相关性很小，则应判断为颗粒信号，切换至脉冲信号方式下继续测量。3图 2 脉冲信号方式（如图 3）：提供脉冲信号的峰值及跳动颗粒飞行时间两个测量轴，并取 1000 个测量点，可用来分析跳动颗粒所产生的超声幅值以及飞行时间的关系，进而进行故障定位。图 3 相位信号方式（如图 4）：使用同
11、步单元以得到一个与工频有关的幅值与相位关系图，同样也取 1000 个测量点，主要用于判断局放和电晕与工频周期的相关性。例如图 4 中测量信号主要集中分布在电源峰值附近，则可判断为明显的局部放电。图 4另外：仪器提供的扬声器也可作为一个很好的辅助工具。二、超声波局放状态监测的早期摸索 对于不同运行条件下 GIS 的测量数据比对：案例一：220kV 华山变电站，监测对象为110kVGIS，为上海华通开关厂八十年代末期产品。当时运行人员汇报 2#主变开关仓内偶有异常声响，在对 1、2、3 号主变开关进行了认真仔细的测量后。未发现任何异常数据。测量结果如下：当天背景1#主变2#主变43#主变主变 1
12、负荷：约 20000kVA主变 2 负荷：约 40000kVA主变 3 负荷：约 10000kVA根据从仪器测量的现象看来 3 个主变内部均未发现异常，2 号主变开关的信号比1、3 号主变开关的内部运行信号大，但都属正常范围，建议正常使用。事件延续情况是：根据测量结果，我公司没有立刻停电。决定计划检修，后来停电耐压试验通过，未发现异常，仍投入使用。至今运行正常。案例二：室内、室外 GIS 现场检测结果的比较：为了确认故障超声诊断仪对外部环境影响的敏感程度，我们又分别对西郊220kVGIS（室外）和紫薇 220kVGIS（室内）进行了一次现场检测和结果比对，所得数据如下：西郊站郊航 2217 付
13、母一段 A 相回路：当天背景开关仓母线仓避雷器仓紫薇站 220kVGIS：当天背景紫宏 2179 开关 A 相5紫宏 2179 线刀 A 相紫宏 2179 流变 A 相由上可见，在室内、室外的 GIS 的测量结果基本一致，故此测试环境对于 AIA仪器的影响可以完全忽略。案例三：为了确认不同运行电压对现场检测结果的影响，银山站 110kVGIS 扩建，在新安装的 3 母设备进行现场工频耐压试验的同时，进行了现场检测，所得数据如下：当天背景3 母母线筒末端（73.3kV）3#主变 110kV 断路器仓（73.3kV）3#主变 110kV 断路器仓（127kV）3#主变 110kV 断路器仓（184
14、kV）由上述数据可知，在不同的运行电压之下，超声诊断仪所测得的数据的确有细微差别，随着电压的升高，局放信号也逐渐增强，6但是总体而言，即便被测设备处于 184kV 的耐压电压之下，局放信号仍在合格范围之内。三、超声波局放发现设备缺陷实例案例一：2005 年 1 月 27 日：锦绣变电站 35kVGIS 通管：当天背景2-3 分段右侧转角 A 相2-3 分段右侧转角 B 相2-3 分段右侧转角 C 相1-4 分段波纹管 A 相 2#主变 4 段通管 A 相由以上测量结果判断：2-3 分段右侧转角C 相附近间歇性局放信号强烈，大约为背景的100 多倍，同时有不正常的 50Hz、100Hz 信号，A
15、、B 两相相同部位局放信号较 C 相为弱，且用耳朵无法听到，应属于自 C 相传导而来的信号；1-4 分段波纹管 A 相附近有持续的强烈局放信号；正常运行中的 2#主变 4#通管局放信号微弱，几乎与背景完全相同。初步确定锦绣站 35KV GIS 二/三分段 C相转角处，一/四分段伸缩节处。会同SIEMENS 以及 MGC 公司于 05 年 2 月 28 日起对上述设备进行解体检查。针对试验结果，联系制造厂家，本次检修工作由 SF6 通管制造厂 MGC 公司的二名技术专家负责，中方四名工作人员配合进行。 二/三分段 C 相在通管法兰内侧发现很多粉末，法兰平面上发现不应涂抹的电力脂，通管内壁有大量碳
16、质，清洁通管内部的揩布变成黑色。经外方技术人员确认，通管内壁的粉末就是导致运行中放电的干枯电力脂。7 一/四分段 A 相固定销掉落是导致一/四分段在运行中伸缩节处有强烈放电声的主要原因。案例二：2005 年 1 月 6 日：机场变电站 35kVGIS 通管当天背景4-5 分段波纹管 A 相左4-5 分段波纹管 A 相右综合上述试验情况可知：4-5 分段通管 A相波纹管附近局放信号强烈，大约为背景的10 倍，同时有不正常的 50Hz、100Hz 信号，B、C 两相相同部位局放信号较 A 相为弱，为背景的 2-3 倍。正常运行中的 2#主变 4#通管局放信号微弱，几乎与背景完全相同。随后我们同样也
17、对 4-5 分段通管 A 相波纹管进行了脉冲和相位方式下的测量分析：脉冲方式相位方式由上述检测数据分析，基本可排除通管内部存在跳动颗粒的可能，放电原因可能是由悬浮电位或松动屏蔽引起。其后，在外方技术专家对该站设备检查时，发现 35 千伏GIS 通管均未接地，通管表面在电场影响下积聚一定得电荷，由于电容效应与固定通管的绝缘块穿芯螺杆进行放电。在紧急实行补救措施，改造所有接地之后，该缺陷消除。固定销脱落于通管内部造成运行中有强烈放电声通管内部碳质严重。8案例三：2006 年 2 月 9 日复兴变电站06 年 2 月 9 日，我公司在对复兴站35Kv GIS MGC 通管进行超声波局放测量，发现 1
18、#主变 35kV 二段 A 相通管放电明显。见下图：当天背景35kV 二段 A 相35kV 二段 B 相35kV 二段 C 相从上图可以看出 35kV 二段 A 相通管有效值、峰值、50Hz、100Hz 频率相关性信号的四项数值均大大超过其他通管。在脉冲和相位测量方式之下：脉冲方式相位方式根据连续测量结果，表明该超声信号为大的电晕。从相位相关性看，该超声信号的不稳定，有时表现为强的电晕，有时为较特别的现象。可以得出的结论是，该设备内大的电晕，也有复杂现象，有时内部比较安静。建议立即进行解体检查。在 3 月 10 日进行的解体检查中发现，35kV 二段 A 相转角处绝缘子安装位置不对，导致悬浮放
19、电。该绝缘子的一个支撑脚处已出现较为明显的放电痕迹，见下图：9同时，放电点附近还有不少放电产生的金属氟化物粉末，即探测中所怀疑的跳动颗粒：见下图：案例四：2006 年 5 月 15 日新江湾变电站试验人员在该站的 35kVMGC 通管的测试中，一共发现了 8 处放电点，以 2#主变通管C 相为例：连续测量方式脉冲测量方式相位测量方式其检测结果与复兴站极为类似，故此建议采取同样的解体检查方案，自 6 月初起，对于我们发现局放信号并作了标记的通管段进行解体检查的结果，发现该处的十余个绝缘子无一例外地都有放电痕迹，见下图：故此厂方和安装方也对超声局放探测的可靠性和准确度表示了由衷的信服。10案例五：
20、2006 年 11 月 15 日机场变电站2#主变三段通管 B 相： 连续测量方式脉冲测量方式相位测量方式同样在进行解体检查时，发现该通管拐角处的两个绝缘子分别存在放电和开裂现象，如下图：以上多起实例，说明超声法测局放对粉末、金属异物比较有效。不失为一项相当有效的状态监测手段。结语：超声波 GIS 设备局放测量作为一种新的状态检测手段，将会大大提高电力系统运行的安全经济性。一方面，积极积累设备运行资料，利用带电测试、预防性试验、运行巡视、停电检查等传统手段实行过渡性状态检修工作。另一方面，大力研究和推广在线监测和状态诊断技术在 GIS 设备上的应用。两者相辅相成，对于 GIS 的长期安全可靠运行也具有相当重大的意义。本项目组在以上工作的基础上，已经积累了一定的检测经验，同时在上级领导的指示下，正在逐步进行对整个超高压公司范围内所有 GIS 间隔建立检测档案的工作，相信在该项目的成功经验获得推广的同时，上海电网的安全可靠性也能更上一层楼。
