GIS变电站开关设备综合检测方案

GIS 变电站开关设备综合检测方案 气体绝缘组合电器 Gas Insulated Substation 简称 GIS 具有占地面 积小 运行安全可靠 维护工作量少 检修周期长等一系列优点 在电力系统 得到了广泛的应用 然而一旦 GIS 发生故障 其修复时间将更长 对电力系统 的危害也更大 因此寻求一种科学合理的综合检测方案是很重要的 1 GIS 局放主要缺陷类型 GIS 设备在制造使用过程中均有可能使设备内部有电极表面脏污 金属突 出物 自由微粒 接触不良引起悬浮电位等缺陷 这些缺陷导致 GIS 在高电压 下造成内部电场畸变 该畸变发展到一定程度 便形成 GIS 内部绝缘故障 1 金属突出物缺陷主要是高压导体上的尖刺形成的 在稳态交流电压下 尖刺 周围高压导体附近形成绝缘气体高场强区 当电场强度达到气体的击穿场强则 发生电晕放电 然而在电极其他地方的电场强度仍然低于击穿场强 这种放电 只是发生在局部区域而没有贯穿整个电极之间 因此这些高场强所产生的电晕 有时显得较为稳定 不一定会引起击穿 但在快速暂态过电压下 譬如操作过 电压或雷电过电压下 往往会引发故障 2 自由金属微粒的形状有粉末状 片状或大尺寸固体颗粒等 它们能够在外电 场作用下感应电荷 以获得足够的电场能量 并在电场力的作用下发生跳动或 位移 如果电场足够强 自由金属微粒获得的能量足够大 就完全有可能越过 外壳和高压导体之间的间隙或移动到有损绝缘的地方 当金属微粒接近而未接 触到高压导体时 最容易表现的电气特征就是局部放电现象 3 绝缘子表面缺陷 1 绝缘子上的有些微粒起初可能并不危险 但由于机械振动和操作过电压引 起的静电力会有轻微的运动并最终朝着危险的方向发展 2 绝缘子表面的微 粒会形成表面电荷聚集 从而在某种程度上加大了故障的可能性 3 微粒处 的放电会导致绝缘子表面损伤 4 气隙缺陷包括绝缘子内部气隙缺陷和绝缘子与高压导体交界面的气隙缺陷 气隙放电机理更为复杂 一个气隙中就有可能存在着各种放电途径贯穿气隙的 气体放电 沿气隙上下底面的沿面放电 沿气隙壁的表面放电等 5 还有悬浮电位 内部器件松动等缺陷 有些缺陷有可能不会引起 GIS 局部放 电 但是存在着这些缺陷会严重影响 GIS 的正常运行 二 几种常见的检测方法 1 超声波局放检测法 超声波局放检测法是指对频率介于 20 200kHz 区间是声信号进行采集 分 析 判断的一种检测方法 当发生局部放电时 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 类型包括纵波 横波和表面波 GIS 中沿 SF6 气体传播的只有纵波 这种超声纵波以球面波的形式向四面传播 由于超 声波的波长较短 因此方向性较强 能量较为集中 可通过固定在被测电力设 备外壳上的超声波传感器接收这个信号 并对其进行分析 判断设备内部是否 存在局部放电缺陷 超声波信号在 SF6 气体中的传输时衰减很快 在通过两种 材料的边界时还会产生反射 且当入射角超过一定角度时还会发生全反射 故 使用超声波法检测局部放电时没检测灵敏度往往会取决于声波信号的传播介质 及传播途径 实际应用时需通过设置尽量多的检测点 找到能够有效接收到信 号的部位 检测时还应保持传感器于设备表面稳定接触 结合界面还应使用声 耦合剂 要求操作人员具有较丰富的测试经验 使用超声波法检测时 传感器应在 GIS 各接头 刀闸 互感器底部稍倾 300位置 每个接头 刀闸 互感器均进行测试 测试时应涂抹足够的导声油脂 以 保证足够的灵敏度 若 GIS 外壳能够被磁铁吸引 则应采用磁铁吸附器固定 以避免手持振动干扰 使用超声波法对故障的检测 1 GIS 触头屏障罩松动的检测 将超声波传感器置于设备体外在被测设备外壳 的接缝处进行测量 由于放电信号通过绝缘介质衰减很严重 灵敏度较差 定 量分析比较困难 但是对局部放电初测及比较严重的空气中的放电比较有效 2 GIS 内部部件松动的检测 利用超声波局放探测仪检查 GIS 设备 看有无明 显的异常现象 如果超声波超声波检测的数据有异常 可初步判定内部有问题 为了确定超声波异常信号是否来自内部 我们可将外固定螺栓拧紧 拧松后进 行超声测试 若超声数据未见变化 则可排除外固定螺栓未拧紧引起了超声信 号的异常 3 内部碎屑 首先对 GIS 设备进行交流耐压及超声波放电检测 在对某检测 点气室进行局部放电检测的过程中 可测出该检测点的有效值和峰值 用橡胶 棒对壳体敲击后 该检测点的有效值和峰值有明显增长现象 同时在该气室另 一检测点检测 敲击后有效值和峰值也有明显增长现象 综合分析该 GIS 设备 内部存在局部放电 GIS 设备超声波局部放电检测对发现 GIS 设备内部自由颗 粒缺陷具有较高灵敏度 对于新建的 GIS 设备 建议在做交流耐压试验时配合 超声波局部放电检测 可有效发现 GIS 设备内部缺陷 4 GIS 内部毛刺 如果在 GIS 中某一部分中发现有超声波信号异常 在此信号 异常点位置看 此处又无盆式或支撑绝缘子 只有导体和外壳 如果从改点向 其他位置移动超声探头时信号减弱 那么我们可以大概分析是由两种情况引起 的局放信号异常一是信号异常位置所对应的导体或内部筒壁上有毛刺 二是内 部筒壁上有杂质或颗粒存在 如果 GIS 内部存在颗粒 因为它的随机运动 信 号有可能会增大 也有可能消失 颗粒如果掉进壳体陷阱中不再运动 就可等 同于毛刺 如果毛刺在导体上 危害性就更大 必须尽快采取处理措施 5 母线支柱绝缘子缺陷 对母线进行超声波局部放电测试 利用探头放在放点 点两侧时的 波形和探头放在放点点同侧时的波形 我们可以定位出放电源 绝 缘子内部放电的原因是由于绝缘子在制造过程中 上下法兰与绝缘子的接触面 有气泡或裂纹 在高电场作用下 不断发生局部放电 引发绝缘子放电短路 6 内部杂质 1 首先进行背景噪声的测量 将超声检测仪的手持探头放在设备 附近的空中测量 检测中局部放电仪器使用交流 220V 电源 仪器参数都使用 默认值 这时就可以测出背景噪声的有效值和峰值 2 再对设备进行交流耐压 试验 耐压电压值为出厂耐压值的 80 3 交流耐压试验时 对设备局部放电 测量 其中试验电压为 1 1Ur Ur为设备额定电压 4 将电压升至试验电3 压 传感器放置在待测点上 传感器在使用之前应均匀涂抹专用硅胶 测量时 使之保持静止状态 观察此时的连续模式图谱与背景噪声图谱比较 如果信号 增长明显 由相应的判据来区分故障类型 确定颗粒故障之后还需结合脉冲模 式进行危险性评估 毛刺和悬浮电位引起的放电需结合相位模式再具体区别判 定 7 GIS 设备毛刺和悬浮电位放电 若使用超神波局放仪测试某断路器时发生异 常的超声信号 那么首先我们要先检测出此时超声信号异常点的背景噪声信号 的连续图谱 2 然后检测出该点的连续模式测试图谱和背景噪声信号连续图谱 对比 再结合该点的相位模式测试图谱 判断其故障的类型 3 如果有效值 峰值 频率成分 1 和频率成分 2 明显比测试背景增大 2 倍工频信号明显小于 1 倍工频信号 且在相位模式测试图谱中可以发现一个周期内出现一个信号的 集中区域 故而判断为毛刺 如果发现有效值 峰值 频率成分 1 和频率成分 2 都比测试背景有了明显的增长 频率成分 2 明显大于频率成分 1 此时由相位 模式图谱可以看出 在一个周期出现两簇信号的集中区域 同时出现了两个尖 峰 正好验证了在连续模式中频率成分 2 大于频率成分 1 以及在相位模式图谱 中一个周期出现两簇信号的集中区域 故而判断为悬浮电位 2 超高频局放检测法 GIS 内部绝缘故障原因也就是其内部电场的畸变 而该畸变往往伴随着局 部放电现象 局部放电时电气绝缘中局部区域的电击穿 伴随正负电荷的中和 产生脉冲电流 电流脉冲上升时间及持续时间仅为纳秒 ns 级 该电流脉冲将 激发出高频电磁波 其主要频段为 0 3 3GHZ 该电磁波可以从 GIS 上的盘式 绝缘子处泄露出来 GIS 外壳连接处是由盘式绝缘子构成的绝缘缝隙 设备内 部局部放电激发的电磁波信号可以通过外壳上的绝缘缝隙传播到体外利用设别 内部局部放电产生的电磁波在绝缘缝隙处的向外辐射这一现象 采用超高频传 感器 频段为 0 3 3GHZ 测量绝缘缝隙处的电磁波 然后根据接收的信号强度 来分析局放的严重程度 因此所谓超高频局放检测法就是是指频率介于 300MHz 3GHz 区间的局放信 号进行采集 分析 判断的一种检测方法 通常应在该区间内选取一个无通讯 信号的频段进行测量 在 GIS 发生局部放电时 伴随着一个很陡地电流脉冲并 向周围辐射出频率高达 GHz 的电磁波 由于 GIS 的同轴结构相当于一个良好的 波导 非常适合超高频电磁波的传播 且 GIS 上有很多盆式绝缘子置于法兰之 间 使连接法兰之间有宽度几厘米的绝缘缝隙 故局部放电所产生的超高频电 磁波可以从这些绝缘中隙辐射出来 并被放置在外部的超高频传感器所检测 使用超高频法测试时 传感器应紧贴 GIS 绝缘盘子 注塑孔 观察窗等超高频 信号能够传出位置 每个可测试位置均应进行测试 测试时应注意传感器中心 应正对盆式绝缘子 若为观察窗或注塑孔 则应正对观察窗和注塑孔 对干扰 较大的位置应采用金属屏蔽布覆盖 使用超高频法对 GIS 设备故障的检测 1 GIS 设备悬浮放电 a 超高频在线监测装置报警后 分别利用 GIS 设备预 置传感器进行超高频局部放电检测 利用预置传感器测得的 PRPD 波形图和单周 期波形图及利用外置传感器测得的 PRPD 波形图和单周期波形图 b 通过检测 获得 PRPD 和单周期图谱综合分析 判断为悬浮放电 c GIS 设备超高频局部 放电检测对于绝缘内部缺陷 绝缘子表面脏污及电场异常等故障类型灵敏度较 高 而超声波局部放电检测对发现自由微粒 振动 悬浮电位等内部故障灵敏 度较高 因此对 GIS 设备进行超声波 超高频局部放电双重检测 可形成技术 互补 达到 GIS 内部故障诊断和快速定位的目的 2 GIS 支撑绝缘子内部空穴放电 a 如果发现检测图谱具有明显放电图谱 特征 遂认为存在放电现象 停电试验 检修 检查出断路器支撑绝缘子存在 内部放电 后对支撑绝缘子进行 X 射线扫描 发现其内部存在多处空穴 b 测 试相关数据 放电现象三维波形图 放电现象二维波形图 可以直观判断出是 否存在放电现象 通过信号大小进行对比 还可初步判断出内部放电信号源 c 超高频局部放电监测仪对局部放电具有较高的灵敏度 在局部放电发生的初 期使用即可有效检测出来 且通过对 GIS 相间间隔信号进行对比 可初步判断 出信号为内部信号还是外部信号 如果某相不仅出现异常信号而且还有与异常 信号不同相角的电晕信号 且 B C 相也同时存在电晕信号 由于三相都存在电 晕信号 可以怀疑为外界产生的 这时必须查找干扰源 滤除干扰 3 铁芯间隙放电 a 发现局部放电信号 经超高频定位分析出初步的局放放 电点 b 根据放电信号出现的规律为每个工频周期出现两个脉冲簇 放电信号 的时域图和特征图谱 判断放电类型为悬浮电位放电 另外根据超高频信号强 而超声信号测试不到的情况 说明放电点的能量比较弱 或者放电点超声能量 传递不出来 结合 GIS 结构 判断放电信号应处于内部低电位处 而非高压附 近的浮电位放电 c 超高频局部放电检测具有较高的检测灵敏度 经过多点的 检测分析 可以实现 GIS 设备内部的局部放电定位 通过对比典型的超高频局 部放电信号的时域图谱和频域图谱 可以对局部的放电类型进行初步识别 4 局部放电干扰 a 以超高频方法为主 高频电流方法为辅的多种检测手段 包括期间的变电站现场安装多通道在线连续监测装置 b 局部放电测试中经常 会受到干扰的影响 因此干扰的排除是局部放电测试的一个重要任务 采用声 电联合局部放电定位法对信号进行精确定位分析可以有效确定信号源位置 区 分干扰信号和局部放电信号 5 盆式绝缘子缺陷 a 使用超高频法 超声波法和 SF6气体成分检测法带电 检测时 如果测量到较强的特高频局部放电信号 以超声波法和 SF6气体成分 分析法均可测量到可疑信号 及时解体更换处理后 对更换的盒子进行 X 光探 伤 耐压 局部放电试验 b 通过对局部放电信号传播衰减比较法进行初步判 断出异常信号幅值最大处 在对 GIS 进行带电检测时 应同时使用多种方法 这是因为不同的方法有不同的有效检测范围 如绝缘子内部气泡缺陷 仅有超 高频法能检测到放电信号 超声波法 气体成分未检测到可疑信号 3 声 电联合检测法 超高频法和超声波法都可以实现带电检测 且不必改变设备的运行方式 检测方法都比较简便实用 可是 超高频法检测范围大 对各种类型的放电均 较敏感 但实现设备缺陷的精确定位较为困难 而超声波法检测范围小 仅对 近距离的缺陷敏感 可实现设备缺陷的精确定位 因此 可采用声电联合检测 的方法 充分发挥出各自的优势 提高 GIS 局放检测及缺陷分析的准确性和可 靠性 GIS 局部放电声 电联合检测的步骤 1 在 GIS 盆式绝缘子处放置超 高频传感器 进行超高频检测 进行电磁波信号的测量 判断是否存在电磁波 信号 2 使用超声波传感器逐点进行声信号检测 判断是否存在声信号 之 后根据出现的几种具体情况进行进一步的分析判断 处理方法 1 如果电信号和声信号都存在 则使用超高频法根据盆式绝 缘子的位置进行粗略定位 同时使用超声法进行精确定位 如果两者都定位到 同一个 GIS 腔体内且表现一致 则判断该腔体内部存在放电故障 具有绝缘缺 陷 应根据具体情况进行进一步跟踪检测或采取相应措施 2 如果只测到了 超高频电磁波信号而没有超声波信号 则应通过改变超高频传感器位置摆放和 传感器的方向性及信号的频率分布判断是否是周围设备发生了局部放电或者是 否存在另外的干扰源并对 GIS 设备进行重点跟踪观察 3 如果超声波法测量 到了声信号而超高频法没有测量到电磁波信号 则再使用超声法在超声信号最 大的部位进行精确定位 通过具体位置及设备结构进行分析 是否是设备本身 的正常振动或者是设备结构导致超高频信号衰减很大不能通过检测位置测量到 并对设备进行重点跟踪观察 使用声电联合检测 GIS 设备故障 1 内部屏蔽罩松动 a 利用超声波法按周期对 GIS 设备关键部位进行检测 如发现超声波信号异常 用超声波局部放电监测仪在异常区域内逐点仔细检测 确定幅值最大点 根据幅值及信号与 50 100HZ 信号的相关性进行初步分析 b 利用超高频法对该区域进行检测 如无局部放电信号 则证明该缺陷由内部 部件松动造成 c 将超声波幅值最大位置和设备内部结构图进行比对分析确定 松动部件 2 绝缘子缺陷 主要由于安装工艺不良 导致此处支柱绝缘子在对接过程中受 力产生损伤 且其长期受径向不平衡力的作用 不断发展并导致产生裂纹 引 起局部放电 检测步骤 a 首先利用超高频检测绝缘子处的局放信号 若局放 信号较强 则用超声波检测仪进行定位 b 由于第一次检测所用仪器设备功能 较单一 无进一步分析及诊断功能 仅发现局放信号异常 为准确掌握缺陷位 置和缺陷类型和严重程度 又使用不同仪器进行复测 根据所测得的特高频信 号图谱和超声波信号图谱判断放电类型缺陷 c 第二次复测使用不同的特高频 局部放电测试仪和 AIA 超声局部放电设备 对信号进行连续模式分析 所测最 大超声信号峰值很大 且具有较强的 100HZ 相关性 对信号进行相位模式分析 信号图谱与标准的悬浮放电图谱较为相似 初步诊断为悬浮放电类型 并伴随 尖端放电类型 3 联合检测 GIS 内部缺陷 a GIS 设备在高压下发生局部放电时 除了产生 光 热以及化学变化等现象外 还伴随超声波信号产生 利用声发射原理 通 过传感器收集这些声音信号判断内部放电现象及严重程度 对测试结果进行对 比分析 从图谱上知 50HZ 及 100HZ 均具有较强的相关性 信号变化大小稳定 相位图连续 放电幅值有增大趋势 同时 A B 相测量结果稳定 与背景测量结 果接近 因此判断 C 相存在悬浮电位放电且放电能量不大 较为稳定 有逐步 增大趋势 b SF6气体组分检测 当 SF6电气设备在故障的情况下 在放电和 过热的情况下分解产生不同成分的特征气体如 CF4 SO2 HF SF4 和 SOF4 通 过检测这些特征气体可以判断设备内部存在潜伏性故障 c GIS 内部存在各种 形式的放电 如电晕 杂质粒子的放电 浇注环氧树脂内部气隙的放电这些类 型的放电持续十分短 脉冲电流持续时间可以达到 ns 级 特别是在高压导体上 有针状突出物 发生脉冲放电时 其等值频率可大于 1GHZ 当放电产生的电磁 波沿着金属筒传播时 可以从盆式绝缘子辐射到 GIS 体外 因此通过设置在 GIS 设备盆式绝缘子的传感器就可以接受 GIS 内部局部放电产生的超高频信号 判断 GIS 设备内部放电情况 d 综合三种检测方法的检测结果 进行判断 可 以得出该气室内存在悬浮电位放电 由于放电能量较小 放电程度还不严重 未出现激增的情况 但该放电正逐步增长 4 GIS 通管接头局部放电 a 采用声电联合局部放电测试和定位系统 该系 统根据需要可连接超高频 超声波 高频电流等传感器 对设备进行声电联合 测试和分析 测试过程中 一个超高频传感器靠近通管 绿色 另一个通管 红色 b 由超高频数据可以看到 绿色信号在时间上超前红色 且幅值前者 远大于后者 为了确定放电源的位置 采用声电联合定位方法 除了超高频传 感器外 在三相通管的接头处均安装一个超声传感器 检测结果显示 只有红 相通管上的超声传感器有信号 另两相上未测到超声信号 因而放电源应该在 红相上 测试显示超声和超高频信号时差较大 因此判断缺陷点在电缆层 c 在电缆层采用一个超高频传感器和两个超声传感器进行定位 以超高频信号为 基准 逐步移动超声传感器 通过时间差方法对放电源进行定位 确定放电源 由于放电信号非常稳定 每个工频周期内仅有一个放电脉冲放电信号幅值较大 应为悬浮电极放电 但是该放电相位分布正负半波不对称 为非典型的悬浮电 极放电类型 5 声 电联合检测 GIS 支撑绝缘子局部放电 声电联合即将超高频 超声传感 器同时接入高速示波器 先用超高频粗定位 再用声 电联合进一步定位 通 过超声波和超高频波谱时差将定位范围精确到厘米级 6 声 电 SF6气体分解物联合检测 GIS 内部缺陷 a GIS 设备在高压下发生 局部放电时 除了产生光 热以及化学变化等现象外 还伴随超声波信号产生 利用声发射原理 通过传感器收集这些声音信号判断内部放电现象及严重程度 再把测试结果进行对比分析 从图谱上知 50HZ 及 100HZ 均具有较强的相关性信 号变化大小稳定 相位图连续 放电幅值有增大趋势 同时 A B 相测量结果稳 定 与背景测量结果接近 因此判断 C 相存在悬浮电位放电且放电能量不大 较为稳定 有逐步增大趋势 b 当 SF6电气设备在故障的情况下 在放电和过 热的情况下分解产生不同成分的特征气体 通过检测这些特征气体可以判断设 备内部存在潜伏性故障 c GIS 内部存在各种形式的放电 如电晕 杂质粒子 的放电 浇注环氧树脂内部气隙的放电 这些类型的放电持续十分短 脉冲电 流持续时间可以达到 ns 级 特别是在高压导体上有针状突出物 发生脉冲放电 时 其等值频率可大于 1GHZ 当放电产生的电磁波沿着金属筒传播时 可以从 盆式绝缘子辐射到 GIS 体外 因此通过设置在 GIS 设备盆式绝缘子的传感器就 可以接收 GIS 内部局部放电所产生的特高频信号 判断 GIS 设备内部放电情况 d 综合三种检测方法的检测结果进行判断 可以得出该气室内存在悬浮电位放 电 由于放电能量较小 放电程度还不严重 未出现激增的情况 但该放电正 逐步增长 4 SF6气体分解物检测法 SF6气体是无色无味无毒不燃的惰性气体 故它具有优良绝缘和灭弧性能 SF6在大于 5000C 分解 但与金属共存时 2000C 时就可微量分解 在运行中 GIS 气室内含有很多种气体杂质 因此通过定期的气体成分的监测则可以检测判断 出 GIS 内部局部放电总体水平 发展情况 根据不同分解气体组分含量之间的 关系推断出局部放电的原因已经判断出绝缘劣化的状态 使用 SF6气体分解物检测 GIS 故障 1 GIS 隔离开关动 静触头故障 SF6气体在正常运行情况下化学性质 绝缘 性质都很稳定 当 SF6电气设备在故障的情况下 在放电和过热的情况下分解 成不同成分的特征气体 如 CF4 SO2 HF SF4 和 SOF4 通过检测这些特征气 体可以判断设备内部存在潜伏性故障 2 绝缘拉杆悬浮放电 SF6气体检测技术主要是利用各种检测仪器 对气体纯 度 湿度 有害成分和泄露等进行检测 其适用于以 SF6气体为绝缘介质的电 力设备的绝缘检测 常采用的气体检测仪器有 SF6气体试剂检测仪 通过试剂抽取气体样品 对二氧化硫和氟化氢的含 量进行分析 SF6纯度仪 用于检测 SF6内部气体纯度 微水量测试仪 用于检 测设备内部 SF6气体的微水含量 激光检漏仪 利用 SF6气体对特定波长激光吸 收特性制成的专业 SF6气体成像检漏仪 能对漏点精确定位 SF6气体检漏仪 采用对 SF6 设备包扎 静置 24h SF6气体浓度检测的专业仪器 并以定量的方 式确定漏气量 SF6电气设备故障检测仪 专用于检测运行中 SF6气体的二氧化 硫和硫化氢的含量等 通过 SF6气体的变化间接反映断路器内部存在的局部放 电情况 但是有一定的局限性 对方电量不大的缺陷检测不是很灵敏 5 红外热成像检测法 红外线辐射成像检漏技术主要指 SF6气体泄漏处会向外辐射红外线能量 并对周围环境产生影响 当应用红外热成像仪进行大范围拍摄时 根据 SF6气 体与空气的红外影像不同特征就可以寻找到泄漏源 红外线吸收捡漏技术是指 运用 SF6气体对长波红外线有很强吸收能力的特征 采用后向散光成像技术对 气体进行成像 当检测区域存在 SF6气体泄漏时 由于 SF6气体对红外光线具有 强烈的吸收作用 所以此时反射到检测设备的红外能量会急剧地减弱 SF6气体 在显示设备上显示为黑色烟 并且随着气体浓度变化 黑度也不同 这时 SF6 气体泄漏源就可以快速准确确定 SF6红外热成像法检测 1 检测 GIS 漏气 SF6气体分子结构稳定 大量试验也证明 SF6分子对激光有较强的吸收 从 设备中泄漏出来的 SF6气体分子以流动现象往外扩散 这个 SF6分子流将对覆盖 在这个区域的立体辐射场激光产生较强的光子吸收和光子后向散射 由于光学 吸收 泄漏处必然存在气流扰动现象 在激光发射端安装相匹配的高灵敏度显 微光电接