一起220 kV电压互感器超声波局部放电缺陷分析

2018-09-22董洪达冯世涛杨代勇张赛鹏矫立新葛志成陈冠遇

吉林电力 2018年4期

董洪达, 黄涛, 冯世涛, 杨代勇, 张赛鹏, 矫立新, 葛志成, 陈冠遇

(1. 国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021；2. 国网长春供电公司，长春 130021)

近年来，气体绝缘封闭组合电器(GIS)设备以其结构紧凑、运行可靠性高、维护工作量小等优点，在电力系统中得到广泛应用。为维护设备正常稳定运行，GIS设备的缺陷检测十分重要[1-3]。传统的检测方法在局部放电类缺陷检测时，存在测量频率低、频带窄、容易受外界干扰信号影响的缺点，难以发现设备运行时内部的潜伏性缺陷，且仅用在预防性试验与交接试验中，无法对运行设备进行有效检测；而超声波局部放电检测具备抗干扰能力强、灵敏度高、定位准确、缺陷类型识别清晰等特点[4-5]，更适于检测设备运行过程中的内部缺陷，消除设备隐患，评估设备状态[6-9]。

在某500 kV变电站的带电检测过程中，超声波局部放电检测发现一起220 kV电压互感器内部缺陷。本文以此为例，根据超声波信号传输特点，提出超声波局部放电缺陷诊断流程，利用不同方法，对该缺陷的发现、定位、定性等方面逐步进行分析；并结合该电压互感器内部结构，最终确定缺陷位置与缺陷产生原因，提出相应检修策略。

1 电压互感器设备超声波局部放电测试

某500 kV变电站220 kV GIS设备，220 kV 5号乙母线电压互感器JDQXH-220，2014年8月出厂，2015年4月26日投运，在检出超声波局部放电异常信号之前，电压互感器运行正常。该电压互感器本体包括盆式绝缘子、导电管、器身、罐体。其中，器身由高压绕组、低压绕组、铁心、屏蔽层和夹件组成。

1.1 超声波局部放电检测过程

2016年10月13日，在某500 kV变电站带电检测过程中，发现220 kV 5号乙母线电压互感器间隔B相电压互感器气室存在超声波局部放电异常信号。

超声波信号在SF6气体中有明显的衰减现象，衰减值为26 dB/m。在局部放电检测时，若存在局部放电信号，不同测试点的测试值会有较大差异[10-12]，可以采用幅值比较法对局部放电源进行初步定位；不同频带的超声波信号在SF6气体中也有不同程度的衰减情况，可以通过改变仪器的测试频带来判断局部放电源是否位于设备内部；经过初步判断后，采用精确定位方法布置测试传感器，可以对缺陷进行准确定位；然后比较三相同位置超声波信号的图谱特征，即可判断缺陷类型，最后结合设备结构，确认该局部放电缺陷的位置和产生原因。通过对上述检测过程进行梳理，得到超声波局部放电诊断流程(见图1)。

现场检测分析按照诊断流程依次开展，为准确判断缺陷情况，选取不同型号仪器(M、N)同时进行检测。

图1 超声波局部放电检测流程

1.2 幅值比较法测试

根据诊断流程，首先采用幅值比较法进行检测，测试时超声波局部放电测试点间距保持在1 m以内，适当密集。背景测试点选取附近金属架构，在该间隔B相电压互感器气室罐体上、中、下分别对称(即罐体正面、背面)选取测试点1～6，对异常信号较强的罐体底部着重测试，分别在底部圆心测试点7、圆周上均匀分布选取测试点8～12。

通过对不同测试点幅值图谱的比较，找到超声波局部放电异常信号最大值点B12，并对A、C两相同位置进行测试，测试点幅值数据见表1。

由表1可知，在对B相电压互感器气室进行超声波局部放电测试中，测试点B12异常信号最强，而A、C两相的相同位置无异常信号，说明该局部放电信号源仅存在于B相气室。

表1 超声波局部放电测试点幅值数据 mV

随后通过改变检测频带方式判断局部放电信号源位于壳体还是内部，将仪器N的测量频率从100 kHz减小到50 kHz，B12处异常信号水平无明显变化，说明局部放电信号源不在该气室壳体上，应为内部缺陷。

1.3 平面分位法测试

为找出局部放电信号源的具体位置，在幅值比较法的基础上，采用平面分位法进行精确定位。平面分位法原理见图2，当局部放电源发射局部放电脉冲时，该脉冲向空间各个方向传播，由于超声波信号在SF6气体中衰减明显，信号在平面X上传播时，D1、D22点与局部放电源距离相等，2点检测到的超声波信号在幅值和时延上应当一致[13-15]。由此可见，利用D1、D22点超声波信号一致的特点，即可得出局部放电源应在D1、D2连线的垂直平分面上，以此类推，当分别在三个平面上检测局部放电信号时，就可以找出信号源的位置。

图2 平面分位法原理图

在采用幅值比较法时，已检测到B相电压互感器气室罐体底部B12处异常信号最强，在此处建立直角坐标系，用平面分位法进行精确定位，测试点分布见图3。

图3 平面分位法测点分布

在平面xoy上，选取测试点，使得两个测试点处的超声波信号在幅值和时延上一致，得到两点J1、J2，则局部放电源应在J1J2的垂直平分面a上。在平面xoy与a的交线上，按照同样方式找到信号一致的两个测试点K1、K2，得到K1K2的垂直平分面b，则局部放电源应在平面a与b的交线l1上。由于交线l1位于B相电压互感器气室罐体的内部，在该气室罐体表面选取交线l1的平行线l2，在平行线l2上找到对应的两个测试点S1、S2，得到S1S2的垂直平分面c，则局部放电源应在平面c与交线l1的交点S上，采用平面分位法得到局部放电源位于交点S处。

测试点对应超声波信号波形见图4，由于每次选取的两个测试点与局部放电源的距离近似相等(通过不断调整两测试点的位置，同时观察比较信号波形基本一致来得到)，所以图4中每一对测点的幅值和时延均基本保持一致，但由于在现场测试过程中，传感器尺寸较大，且大于两测试点到局部放电源的距离之差，因此局部放电信号在两个测试点处的幅值和时延上仍有一定偏差。

图4 测试点超声波信号波形

2 缺陷特征与原因分析

由上述2种定位结果可知，该超声波局部放电信号源位于B相电压互感器气室内部点S处，属于内部缺陷。根据幅值比较法的检测结果，测试点B12处的有效值和周期峰值最大，分别超出背景值10.51 mV、43.87 mV。B12处的频率成分均为100 Hz，且已达到3.7 mV；时域波形中一个工频周期内出现两簇脉冲信号，且信号强度一致；相位图谱信号均匀分布，呈竖条形。可见，该超声波局部放电异常信号图谱符合振动特征。

对于电压互感器而言，磁致伸缩效应也可能出现具有振动特征的图谱，但通常在三相同时存在，且幅值数据仅在几毫伏级别。而对于被测电压互感器，由表1可知，A、C相幅值数据与背景值几乎一致，仅B相幅值明显升高，且有效值、周期峰值均较大，说明该异常信号并不是由磁致伸缩效应导致的，而属于机械振动。

随后对该电压互感器B相气室进行特高频局部放电和SF6分解物检测，检测结果均未见异常，说明该气室的机械振动并未引起局部放电。

根据上述定位结果，该超声局部放电信号源应位于电压互感器B相气室内部，距离该气室罐体底部法兰外沿约5 cm，底部法兰平面约10 cm处，此处为铁心与夹件连接处，由此可知，该超声波局部放电信号应为夹件连接处松动，在电动力的作用下发生机械振动导致的。

该超声波局部放电信号源并未引起局部放电，未对设备的正常运行造成严重影响，但若缺陷持续发展，可能会引起悬浮放电等情况，应对该气室进行跟踪检测，结合停电机会进行解体检修，并验证超声波局部放电缺陷的分析结果。