特高频与超声波局放检测技术

12015年3月济南GIS特高频与超声波局部放电检测技术主要内容GIS局部放电检测概述超声波局放检测技术特高频局放检测技术一、GIS局部放电检测概述主要内容GIS局部放电检测的意义1局部放电的基本概念2GIS设备局部放电的起因3GIS局部放电检测方法4开展GIS局部放电检测的意义随着电网建设的发展，GIS变电站的数量不断增加；GIS的内部空间极为有限，工作场强很高，且绝缘裕度相对较小；GIS内部一旦出现绝缘缺陷，极易造成设备故障，引起的停电时间较长，检修费用也很高；国内已经发生了数起较为严重的GIS事故，过去那种认为GIS设备免维护的观点已不被认同；CIGRE调查表明，50％以上的GIS故障是可预先发现的；在GIS的交接试验中监视局部放电信号，对运行中的GIS进行定期监测，均是保障安全运行的有效手段。局部放电的基本概念电力设备的绝缘系统中，只有部分区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，即尚未击穿，这种现象称之为局部放电。它是由于局部电场畸变、局部场强集中，从而导致绝缘介质局部范围内的气体放电或击穿所造成的。它可能发生在导体边上，也可能发生在绝缘体的表面或内部。在绝缘体中的局部放电甚至会腐蚀绝缘材料，并最后导致绝缘击穿。局部放电是一种脉冲放电，它会在电力设备内部和周围空间产生一系列的光、声、电气和机械的振动等物理现象和化学变化。这些伴随局部放电而产生的各种物理和化学变化可以为监测电力设备内部绝缘状态提供检测信号。GIS设备局部放电的起因1-导体上的毛刺；3-悬浮屏蔽(接触不良)；5-盆式绝缘子上的颗粒2-壳体上的毛刺4-自由移动的金属颗粒6-盆式绝缘子内部缺陷悬浮放电分类：固定间隙悬浮放电可变间隙悬浮放电特点：1、信号强，脉冲幅值稳定，脉冲间隔稳定，高频含量多2、间隙对称时，正负半波对称，间隙不对称，正负半波不对称3、放电脉冲主要集中在一、三象限悬浮放电模型图自由金属颗粒放电特点：1、碰撞外壳产生的机械信号强，电信号较弱2、无固定相位特征，幅值不稳定3、通常电信号最大信号出现在电压峰值处自由金属颗粒模型图绝缘内部气隙放电特点：1、脉冲幅值相对较小，幅值变化大，高频含量少，间隔变化大2、不规则气泡正负半波不对称3、放电脉冲主要集中在一、三象限气隙放电模型图尖端放电特点：1、放电脉冲次数多，信号最大值通常在电压峰值处2、正负半波严重不对称3、高频含量少金属尖端放电模型图分类：导体上的尖端壳体上的尖端GIS绝缘击穿的主要表现形式GIS投运初期：绝缘击穿大多是由金属颗粒、悬浮导体、表面毛刺或颗粒等缺陷造成的。通过完善交接验收可起到预防作用；GIS运行中期：绝缘击穿大多是绝缘子表面的缺陷（例如污秽、表面电荷积聚、附着金属微粒）引起的，特别是在暂态过电压作用时。通过定期巡检可发现这些隐患GIS局部放电检测技术传统脉冲电流检测法：无法解决抗干扰问题，很难达到必要的检测灵敏度，通常用于试验室；特高频检测法：检测特高频电磁波信号，检测范围较大，不受空气中电晕干扰影响，对各种缺陷均敏感，检测灵敏度可达几个pC；超声波检测法：检测超声波信号，抗电气干扰，对自由颗粒缺陷和金属件的振动较为敏感，在靠近缺陷部位时，检测灵敏度可达到几个pC，定位准确；气体分析法：分解物从产生到扩散，需要一定的过程，且只有浓度积累到一定水平后方可被检测到，故响应速度较慢，检测灵敏度较低。14特高频(UHF)及超声波(AE)法的比较特高频UHF超声波AE检测信号特高频电磁波信号超声波信号抗干扰对电晕放电较不敏感易受悬浮放电影响对电气干扰较不敏感易受振动噪声影响灵敏度对各种放电缺陷均较敏感，但不能发现弹垫松动、粉尘飞舞等非放电性缺陷仅对部分放电缺陷敏感，能发现弹垫松动、粉尘飞舞等非放电性缺陷检测范围10米1米定位功能不具备（实现困难）具备（实现简单）缺陷定量与pC值没有直接关系与pC值没有直接关系二、超声波局部放电检测技术主要内容超声波局部放电检测的原理1超声波局部放电检测仪器2超声波局部放电检测方法及注意事项3超声波局部放电图谱的分析及诊断4超声波局部放电典型案例分析517局部放电，伴随有爆裂状的声发射，产生超声波，且很快向四周介质传播。通过安装在电力设备外壁上的超声波传感器，将超声波信号转换为电信号，就能对设备的局部放电水平进行测量。一、超声波局部放电检测的原理18声信号传输特点当GIS中的缺陷在电压作用下发生局部放电时，局放产生的能量是周围SF6气体的温度骤然升高，从而形成局部过热，所产生的扰动以压力波的形式传播，其类型包括纵波、横波和表面波。不同的电气设备、环境条件和绝缘状况产生的声波频谱都不相同。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周围传播。由于超声波的波长较短、方向性将强，所以它的能量也较为集中，因而可以通过设置在外壁的压敏传感器收集超声放电信号并对信号进行分析。1、超声波信号在SF6中衰减大，26dB/m(空气或油中20倍)且与频率的平方成正比，检测范围小；2、超声波在SF6中传播速度很慢，约140m/s(约为空气1/2，油中1/10)；3、对固体绝缘内部缺陷十分不灵敏；4、定位简单，仅仅依靠幅值法即可简单定位；5、分为接触式和非接触式，接触式适合检测GIS、电缆终端，非接触式超声检测设备，须带有集波器，和激光定位装置，适合检测开关柜，以及瓷瓶表面裂纹二、超声波局部放电检测仪器超声波局放检测仪基本要求典型仪器的组成超声波局部放电常用谱图21传感器灵敏度范围：20kHz～100kHz；测试仪应使用方便，测量快速，对GIS的绝大多数缺陷具有较高的灵敏度；带有同步装置，能与变频试验设备连接，以实际电源周期为参考相位；检测信号应包括信号幅值、相位特性，具有连续模式、脉冲模式及相位模式等谱图；可以进行缺陷种类识别。可利用脉冲模式进行颗粒危险性评估。配置测试线长度不应小于3米（通常要带前置放大器），以满足高处检测的要求抗干扰：在户外GIS应用中，电晕无影响1、超声波局放检测仪基本要求221、超声波局放检测仪基本要求使用前置放大器时接线示意图23声发射传感器：将局部放电激发的超声波信号转换成电信号局放检测仪主机：用于局部放电电信号的采集、分析、诊断及显示。前置放大器：当被测设备与检测仪之间距离较远（大于3m）时，为防止信号衰减，需在靠近传感器的位置安装前置放大器。特制绝缘棒：检测部位比较危险时，如电缆终端，可以使用特制绝缘棒作为声传到介质，进行检测。2、典型仪器的组成242、典型仪器的组成251）时域波形谱图（原始谱图）：时域波形检测模式用于对被测信号的原始波形进行诊断分析，以便直观的观察被测信号是否存在异常。时域波形检测模式典型谱图3、超声波局部放电检测常用谱图2）连续模式谱图：共有4个柱状图，分别为信号的有效值、峰值、50Hz的相位相关性，100Hz的相位相关性。因为局放都是与电源的相位相关的，根据局放在不同的相位放电特性，能判断出放电的性质，如自由颗粒、毛刺、悬浮电位等连续检测模式典型谱图3）相位检测模式（PRPD谱图），需要进行相位同步相位检测模式典型谱图28同步信号的接取局部放电检测许多谱图，如PRPS、PRPD等谱图都需要进行相位同步，因此使用这些模式时，需要接取同步信号。同步方法有：1、内同步法：适用于对现场运行设备带电检测，使用现场的检修电源，利用现场检修电源相位仪器内部同步2、外同步法：适用于现场电源与运行电压之间相位偏差大、无法通过相位确定放电类型时，或现场采用异频电源进行交流耐压试验时。运行条件下可通过PT二次回路接取，交流耐压时可通过变频电源柜接取4）脉冲检测模式（飞行模式）脉冲检测模式典型谱图4）脉冲检测模式（飞行模式）脉冲检测模式评估颗粒危害5)特征指数检测模式：特征图谱表征超声波信号发生的时间间隔,其横坐标为时间间隔，纵坐标为信号发生次数。如果超声波信号发生的间隔在10ms（如悬浮缺陷）,那么在整数1的位置出现波峰；如果超声波信号发生的间隔在20ms（如电晕缺陷），那么在整数2的位置出现波峰。特征指数检测模式典型谱图32三、超声波局部放电检测方法及注意事项检测条件要求检测周期安全注意事项检测接线传感器放置部位部位及要求操作流程常见注意事项331、检测条件要求在GIS设备上无各种外部作业。额定电压、额定SF6气体压力。金属外壳应清洁、无覆冰等。进行室外检测避免雨、雪等天气条件对GIS设备外壳表面噪声干扰的影响。进行室内检测时避免室内强干扰源、大型设备振动。342、检测周期新设备投运前：在耐压试验通过后，在1.2Ur/电压下，进行一次超声局部放电检测（同时进行1.0Ur/电压下数据检测，作为运行数据比对）。新投运（或大修）后设备：应在投运后1个月内、投运后1年各进行一次超声局部放电检测。运行中设备：半年至一年检测一次。353、安全注意事项为确保安全生产，特别是确保人身安全，除严格执行电力相关安全标准和安全规定之外,还应注意以下几点:1.检测时应勿碰勿动其它带电设备；2.防止传感器坠落到GIS管道上，避免发生事故；3.保证待测设备绝缘良好，以防止低压触电；4.在狭小空间中使用传感器时，应尽量避免身体触碰GIS管道；5.行走中注意脚下，避免踩踏设备管道；6.在进行检测时，要防止误碰误动GIS其它部件；7.在使用传感器进行检测时，应戴绝缘手套，避免手部直接接触传感器金属部件。36在开展局部放电超声波检测的过程中，应按照所使用的仪器操作说明，连接好仪器主机、传感器等各部件。当传感器与检测仪器之间的距离较远（大于3米）时，还应接入前置放大器。需要使用外接电源供电时，主机必须接地。局部放电超声波检测仪器接线4、检测接线37GIS超声波局放测试点选择主要有：盆式绝缘子两侧。特别是水平布置的盆式绝缘子。测量点选择在隔室侧下方，如存在异常信号，则应在该隔室进行多点检测，查找信号最大点。在断路器断口处、隔离刀闸、接地刀闸、电流互感器、电压互感器、避雷器、导体连接部件等处均应设置测试点。5、传感器放置部位及要求局部放电超声波检测位置示意图传感器固定方式：1、手持法：适合巡检时使用，测试快速，有轻微抖动，需要掌握一定技巧2、绑扎法：使用绑扎带将传感器固定到GIS壳体上，适合精确检测及长时间检测3、用磁吸做固定：因GIS罐体多数为铝合金材料，使用条件极为有限。绑扎带固定超声波探头示意图放置传感器前，还要在传感器表面均匀涂抹一层耦合剂，耦合剂作用两个：1、消除传感器与GIS壳体之间的气隙，减少信号衰减；2、减少手持传感器带来的轻微机械抖动噪声42a）测试背景噪声，背景噪声应满足测试环境要求。b）传感器与测点部位间无气隙地均匀涂抹专用耦合剂，测量时保持静止状态。c）将传感器经耦合剂贴附在设备外壳上，设置仪器为连续检测模式，观察信号有效值（RMS）、周期峰值、频率成分1、频率成分2的大小，并与背景信号比较，看是否有明显变化。2、超声波局部放电检测流程d）当连续模式检测到异常信号时，应开展局部放电诊断与分析，首先通过挪动传感器位置，寻找信号最大值，查明可能的放电位置。然后通过应用相位检测模式、时域波形检测模式及脉冲检测模式判断放电类型；e）数据记录；通过仪器的谱图保存功能，保存检测谱图，包括连续模式谱图、相位模式谱图、时域波形谱图（如有）、脉冲模式谱图（如有）。44不同种类缺陷的可测量特征有效判据典型缺陷谱图分析与诊断四、超声波局部放电检测图谱的分析与诊断451、不同种类缺陷的可测量特征自由颗粒缺陷电晕放电缺陷悬浮屏蔽缺陷信号水平高低高峰值/有效值高低高50Hz频率相关性无有有100Hz频率相关性无无有飞行时间有无无相位关系无有有462、有效判据自由颗粒产生的信号峰值、有效值比局放更高。自由颗粒的信号峰值具有周期性，但与50Hz频率无关。电晕放电信号具有很强的50Hz频率相关性。悬浮电位产生的局放，放电水平高，主要与100Hz频率相关，与50Hz频率相关性小。47尖端放电典型谱图3、典型缺陷谱图分析与诊断自由颗粒典型谱图悬浮放