GIS故障检测新方法研究

2012-10-09叶淳铮

电气开关 2012年6期

关键词：开关柜传感X射线

叶淳铮

(福建省鸿山热电有限责任公司，福建石狮 362712)

1 引言

GIS设备与敞开式输变电设备相比，具有占地面积和空间小、安装快、受外界环境干扰小、运行安全可靠、利于环境保护、维护工作量少、检修周期长等一系列优点［1－2］。

随着设备服役时间的增长及新GIS设备的不断投运，GIS设备的故障次数呈逐步上升趋势。对运行中GIS设备的绝缘性能进行跟踪检测是进行GIS状态检修风险评估的重要手段。

影响GIS设备绝缘状况的主要因素有:气室内导电体上和金属外壳上的异常突起;气室内自由金属颗粒;固体绝缘内部的空隙和缺陷;电动和机械力造成的气室内零配件的松动;SF6气体中含有水份等。

局部放电是反映绝缘缺陷的有效手段，局放发生时伴随有物理的、化学的、光的、电以及磁的效应。从原理上讲，上述任何一种现象都可以用来揭示局部放电现象［3］。

本文主要介绍UHF、TEV以及X-ray三种新兴的GIS局放监测方法。

2 UHF检测

英国Strathclyde大学提出的超高频法目前已经应用到GIS生产和运行中，它是一种利用超高频频率信号进行局部放电在线监测的方法。在超高频法中传感器并非起耦合的作用，而是接收超高频信号的天线，所以超高频法的原理与脉冲电流法是不同的。GIS内部发生局部放电时，由于放电点处电荷的迅速转移，形成持续时间很短的电流脉冲(ns级)，并产生频率分量极其丰富的电磁信号(高达GHz)，通过传感局部放电所产生的电信号进行局部放电检测，有可能实现较高的灵敏度，并能够及时发现早期的的局部放电。UHF检测系统结构如图1所示。

局部放电电信号传感面临的关键困难是电磁干扰问题。GIS局部放电在线监测要求在GIS运行的现场条件下进行检测，由于电晕放电等原因，现场条件下存在大量的电磁干扰信号，尤其常规局部放电检测所使用的频段(几十kHz～几百kHz)，干扰信号的强度有可能远远大于所要检测的局部放电信号，使得局部放电检测的电信号传感器无法实现。GIS局部放电检测的超高频传感方法正是针对抗电磁干扰问题提出的，并在超高频频段内选择合适的频段进行局部放电的电信号传感。

GIS运行现场的干扰源主要有:架空线和变电站母线上的电晕放电，导体接触不良产生的电弧放电，站内可控硅产生的强电脉冲，其他设备内部的放电，无线电波，载波通讯，系统内开关动作等。研究表明，这些干扰主要集中在300MHz以下频段。虽然也存在超高频干扰信号，由于传播路径上衰减很快，并且很容易被屏蔽，因此一般不能到达GIS。相比之下，GIS的同轴结构是一个良好的波导，其内部的局部放电辐射出的超高频电磁波可在内部有效地传播，因此，选择超高频段的电磁信号作为检测信号，可以避开常规电气测试方法中难以识别的电系统中干扰，显著提高了局部放电检测的信噪比。

GIS局部放电超高频传感器的特点如下:a)超高频频段信号传感，避开了电网中主要电磁干扰的频率，具有良好的抗电磁干扰能力;b)局部放电的电磁信号传感，能够实现良好的检测灵敏度;c)根据电磁脉冲信号的衰减和时差，可进行故障定位;d)根据放电脉冲的波形特征和超高频信号的频谱特征，可进行故障诊断;e)超高频传感器的有效检测范围大，检测点少，检测效率高，适用于自动在线监测系统;鉴于超高频传感的上述特点，近年来这种方式受到了广泛的重视和研究，已成为GIS局部放电在线监测的主要传感方式，并得到了实际的应用。

超高频法最主要的优点是:高灵敏度，并能通过放电源到不同传感器的时间差对放电源进行精确定位。它对传感器的采集精度和宽带要求很高，因此造价较高。该方法的进一步研究方向为提高抗干扰性能以及实现模式识别和故障诊断。

图1 UHFGIS检测系统结构

3 TEV检测

高压电气设备发生局部放电时，放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流在设备表面金属上传播如图2所示。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面，屏蔽连续时在设备外部无法检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位不连续，局部放电的高频信号会由此传输到设备屏蔽外壳。因此，局部放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并沿着设备金属箱体外表面继续传播，同时对地产生一定的暂态电压脉冲信号，该信号即为暂态对地电压(TEV)。

图2 TEV检测原理

目前，TEV(Transient Earth Voltage)技术已应用于开关柜局部放电检测。TEV便携式设备已由英国EA Technology公司推出，并在国内外电力企业中获得了强有力的推广。通过TEV便携式设备诊断绝缘劣化过程及绝缘故障的有效性已得到现场试验的证明。

英国EA Technology公司研制的TEV系列局部放电检测仪，其产品已经在国内外某些电力公司开始使用。

国内的孙西方等人成功应用EA公司研制的TEV检测仪在某变电站10kV开关室内测量到局部放电TEV信号，并用PDL1实现定位，定位结果显示放电位置位于该开关柜后面板左下侧。在设备停电维修时确认该开关柜存在局部放电故障，并且开关柜后面板左下侧C相电缆头螺丝松动从而导致了局部放电。维修中紧固螺丝后再次进行通电测试，TEV信号大大减弱，故障顺利排除，表明TEV检测法可有效的发现开关柜的局部放电故障。

何肖军、徐志斌等人在某变电站使用Ultra TEV Plus检测过程中，发现某3563开关柜局部放电数值达到了63dB，用PDL1定位后发现放电点位于该3563开关柜与3563线路避雷器开关柜中间母排C相的位置，打开开关柜检查发现，两开关柜中间C相母排处均压环有局部放电，停电检修后故障顺利排除。

国内某变电站开关室常规巡视时发现35kV ZS3.2开关柜附近有异常声响，但很难判断出具体位置及是否放电引起。经PDL检测发现整个35kV开关室背景分贝值较高，而柜内穿板套管处为最高，经初步确定为柜内穿板套管内放电产生异声。后经检修发现的确是穿板套管内均压环弹簧因接触不良产生放电。

目前，国外部分供电企业也开始使用超声法以及TEV法进行局部放电监测。新加坡电网公司应用PDM03以及MiniTEV实现局部放电检测的实践证明:通过该系统可以有效的检测出开关柜内局部放电:如电缆接头部位局部放电，内部CT放电等，特别是对于肉眼难以发现的早期故障的发现有较好的效果。澳大利亚、英国等国家电网公司也在TEV检测方面进行了较多的实践。

在GIS局放检测方面，研究发现，由于设备外壳内外表面感应的电荷有一固定的比例，其产生的TEV信号与原始的放电电流有较强的相似性，而且这种设备外部的信号可以通过特制的电容型局放传感器获取出来。从而提供了一种新的对设备正常运行不产生任何干扰的局部放电检测技术。基于TEV技术的局部放电传感器通常利用其头部的金属电极与GIS或开关柜的外壳形成小电容。局部放电引起的电磁波信号通过小电容耦合到检波电容上，再经放大降噪后检测出来。这种方法检测频带可以达到1～25MHz，并可以达到较高的检测灵敏度。

综上，TEV检测主要开关设备缺陷检测中应用，使用TEV进行GIS绝缘缺陷检测的研究仍较少，具有良好的发展前景。

4 X-ray检测

工业用X射线成像原理和我们通常在医院、机场见到的拍片、CT、安检系统工作原理一样。X射线在穿透不同的物体时与物质发生相互作用，因吸收和散射而强度变化，感光材料(胶片、IP板、DR板)接受到该强度变化信号后，经信号处理形成我们常见的影像如图3所示。通常，用于GIS检测的一套完整的检测系统包括:射线源(ERESCO 65 MF4，300KV)、IP板(软)或DR板(DXR250V)、CR扫描仪(DR不需要)、Rhythm工作站(图像显示系统含图像处理分析软件)Rhythm Workstations including Rhythm Software、X 光机现场移动支架、移动工作站(车)等［4－5］。

图3 X数字成像原理

研究X射线对SF6气体的影响是采用X射线对GIS设备进行检测的前提，通用电气采用加拿大SF6DPD型SF6分解产物检测仪，精度为 ±0.1μL/L，对样品气体和现场运行设备进行X射线照射，经气体成分测定，X射线没有导致GIS设备SF6气体的分解。

高的信噪比和高的对比度是图像质量最核心的技术指标。他们直接影响结构细节的分辨和故障的发现能力。2008年以前，CR、DR技术应用受到局限的主要因素就是受上述两指标的综合影响，图像质量达不到某些应用的高要求。当前技术能达到的最佳指标:信噪比:9级;对比度:9级。(视被检材料的变化而不同)。完全能和传统胶片的图像媲美。

2010年，某供电局GIS发生故障，由GIS生产厂家来现场更换后，无法用常规手段检查维修效果，故进行CR透视，图4(a)是合格产品，图4(b)是修复后的产品。经比较，见图中红框部分，修复后产品中弹簧明显错位，判为修复不合格，需重新处理。本检验充分证明了X射线方法的有效性。

目前该方法的主要研究方向为进一步缩小设备体积，同时降低设备成本。