超聲波檢測(cè)法
GIS設(shè)備局部放電的超聲波檢測(cè)法是利用安裝在GIS外殼上的超聲波傳感器接收局部放電產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)以達(dá)到檢測(cè)內(nèi)部局部放電的目的。在GIS中,除局部放電產(chǎn)生的聲波外,還有微粒碰撞絕緣子或外殼、電磁振動(dòng)、操作引起的機(jī)械振動(dòng)等也會(huì)發(fā)出的聲波。氣體和液體中只傳播縱波,固體中傳播的聲波除縱波外還有橫波。故在GIS中沿SF6氣體傳播的聲波和在變壓器油中一樣只有縱波,但其傳播速度很慢,要比油中低10倍,衰減也大,且隨頻率的增加而增大。測(cè)量超聲波信號(hào)的傳感器主要有加速度和聲發(fā)射兩種。當(dāng)采用加速度傳感器時(shí),要采用高通濾波器以消除較低頻率的背景干擾;聲發(fā)射傳感器的原理是利用諧振方式,其頻率特性中已經(jīng)包含了高通特性,因此無需另外附加相應(yīng)的濾波器件。
由于聲音的傳播速度比電磁波慢很多,時(shí)間差更容易進(jìn)行測(cè)量,定位更加準(zhǔn)確,并且定位后還可通過敲擊GIS外殼的方法進(jìn)行驗(yàn)證,所以在放電定位方面,聲學(xué)檢測(cè)法比電學(xué)的方法更優(yōu)越,加之超聲波傳感器與GIS設(shè)備的電氣回路之間無任何聯(lián)系,抗電磁干擾性較好,因此人們對(duì)超聲法的研究較為深入,技術(shù)手段較為成熟。但是超聲波檢測(cè)法的靈敏度不僅取決于局部放電的能量,而且取決于超聲波信號(hào)在傳播路徑上的衰減,在大多數(shù)情況下,超聲傳感器的靈敏度不是很高。近年來,由于聲—電換能器效率的提高和電子放大技術(shù)的發(fā)展,超聲波檢測(cè)法的靈敏度有了較大的提高[66-77],但是超聲傳感器的有效檢測(cè)范圍仍然較小,完成一個(gè)較大規(guī)模GIS變電站的檢測(cè)通常需要數(shù)天的時(shí)間,檢測(cè)效率不高。 特高頻法
特高頻法(Ultra High Frequency,簡(jiǎn)稱UHF) 是近年發(fā)展起來的一種新的GIS設(shè)備局部放電的檢測(cè)技術(shù)。它是利用裝設(shè)在GIS內(nèi)部或外部的天線傳感器接受局部放電輻射出的300~3000MHz頻段的特高頻電磁波信號(hào)進(jìn)行局部放電的檢測(cè)和分析[56~63]。運(yùn)行中的GIS內(nèi)部充有高氣壓SF6氣體,其絕緣強(qiáng)度和擊穿場(chǎng)強(qiáng)都很高。當(dāng)局部放電在很小的范圍內(nèi)發(fā)生時(shí),氣體擊穿過程很快,將產(chǎn)生很陡的脈沖電流,并向四周輻射出特高頻電磁波。GIS設(shè)備的腔體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)良好的同軸波導(dǎo),非常有利于電磁波的傳播。特高頻傳感器的安裝方式目前應(yīng)用較為廣泛的主要有兩種:外置式和介質(zhì)窗口式。外置式傳感器將傳感器貼在GIS設(shè)備盆式或盤式絕緣子的外表面,依靠絕緣子表面電磁波的泄露進(jìn)行UHF信號(hào)的檢測(cè),此方法可帶電安裝。介質(zhì)窗口式傳感器是將傳感器安裝在檢修手孔或CT端子箱處,此方法需停電安裝或在設(shè)
文庫(kù)備出廠時(shí)安裝。
UHF檢測(cè)的特點(diǎn)使其在局部放電檢測(cè)領(lǐng)域具有其他方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn),因而在近年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。特高頻法具有以下優(yōu)點(diǎn):
①抗干擾性好:現(xiàn)場(chǎng)普遍存在的電暈放電的頻率范圍通常在300MHz以下,并且在空氣中傳播時(shí)衰減很快,特高頻傳感器接收UHF頻段信號(hào),避開了電網(wǎng)中主要電磁干擾的頻率,具有良好的抗電磁干擾能力;
②靈敏度高:GIS的同軸結(jié)構(gòu)非常適合特高頻電磁信號(hào)傳播,能夠?qū)崿F(xiàn)良好的檢測(cè)靈敏度;
③可實(shí)現(xiàn)放電定位:根據(jù)電磁脈沖信號(hào)在GIS內(nèi)部傳播具有衰減的特點(diǎn),利用傳感器接收信號(hào)的時(shí)差,可以進(jìn)行故障定位;
④檢測(cè)效率高:UHF傳感器檢測(cè)局部放電的有效檢測(cè)范圍較大,因此需要安裝傳感器的檢測(cè)點(diǎn)較少,檢測(cè)效率高。
特高頻法雖然有以上諸多優(yōu)點(diǎn),但是也存在一定的不足:
①難以用特高頻信號(hào)幅值表征局部放電嚴(yán)重程度:GIS設(shè)備局部放電脈沖電流信號(hào)輻射出的電磁波信號(hào)是寬頻信號(hào),越往低頻能量越高。對(duì)于每種類型的放電,特高頻段信號(hào)的能量在整個(gè)電磁波信號(hào)的能量中所占的比例難以確定,因此,特高頻信號(hào)幅值與視在放電量或?qū)嶋H放電量之間的關(guān)系難以確定,難以依據(jù)特高頻信號(hào)幅值來表征設(shè)備絕緣狀況;
②難以檢測(cè)正在運(yùn)行的罐式斷路器內(nèi)的局部放電故障:一般對(duì)于正在運(yùn)行的GIS設(shè)備,可帶電安裝外置式傳感器;但對(duì)于戶外安裝的罐式斷路器,沒有外露的絕緣子,只能將特高頻傳感器放置在套管底部進(jìn)行測(cè)量,這就大大降低了檢測(cè)的靈敏度與有效性;
③無法實(shí)現(xiàn)視在放電量的標(biāo)定:目前大多數(shù)工程人員已經(jīng)習(xí)慣于通過視在放電量來反映局局部放電的嚴(yán)重程度,IEC規(guī)定的GIS產(chǎn)品出廠標(biāo)準(zhǔn)中,其局部放電的指標(biāo)也是通過視在局放量的閾值來規(guī)定的。由于UHF法的測(cè)量機(jī)理與脈沖電流法不同,因此無法進(jìn)行視在放電量的標(biāo)定,即使在局放源到傳感器之間的傳播路徑不變的情況下,脈沖電流法的視在放電量與特高頻方法所測(cè)得的脈沖信號(hào)幅值之間也沒有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[64-65],這就更加大了應(yīng)用該方法進(jìn)行局部放電實(shí)際放電量預(yù)估的難度。
HFCT
高頻電流法脈沖電流法是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種局部放電檢測(cè)方法。其測(cè)量原理是:當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)回造成電荷的移動(dòng),該移動(dòng)電荷可在外圍測(cè)量回路中產(chǎn)生脈沖電流,通過檢測(cè)該脈沖電流便可實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電的測(cè)量。該方法一般是檢測(cè)脈沖電流信號(hào)的低頻部分,通常為數(shù)kHz至數(shù)百kHz(至多為數(shù)MHz)。常規(guī)局部放電通常在回路中串入檢測(cè)阻抗來對(duì)信號(hào)取樣。在線檢測(cè)則常采用電流傳感器獲取被測(cè)脈沖電流信號(hào)。目前,脈沖電流法廣泛用于變壓器型式試驗(yàn)、預(yù)防和交接試驗(yàn)、變壓器局部放電實(shí)驗(yàn)研究等,其特點(diǎn)是測(cè)量靈敏度高、放電量可以標(biāo)定等[7,8]。但這種方法測(cè)量頻率低,頻帶窄,包含信息量不足而且現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力差。因此采用超寬帶高頻電流傳感器取代傳統(tǒng)電流傳感器來接受脈沖電流信號(hào)成為這種檢測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì),高頻電流法通過羅氏線圈來耦合電氣設(shè)備接地線處的高頻電流信號(hào)來實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè),檢測(cè)頻帶為幾十K到幾十MHz。
電力電纜局部放電量的在線測(cè)量
局部放電檢測(cè)越來越被看作是一種最有效的絕緣診斷方法,在線檢測(cè)應(yīng)用中更是如此,目的是觀察和研究局部放電引起的絕緣老化問題。電纜發(fā)生局部放電時(shí),引起局部放電的空穴形成實(shí),這是電纜的浪涌阻抗,在開始時(shí)是純阻性的。其產(chǎn)生的脈沖基本上是單極性脈沖,上升時(shí)間很短,并且脈沖寬度也很窄。脈沖從產(chǎn)生的位置向外傳播,由于在電纜中傳播時(shí)的衰減和散射,當(dāng)?shù)竭_(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí),脈寬增加,幅值減小。一般情況下,在測(cè)量時(shí)能檢測(cè)到比較好的,其保留了很多與源波形相同的特性。圖1顯示了一段典型的電纜局放脈沖波形,其上升時(shí)間以及脈沖特性可以通過計(jì)算機(jī)生成的光標(biāo)測(cè)量。
圖1 電纜中的局部放電脈沖波形(顯示了計(jì)算機(jī)生成的光標(biāo))
如果上升時(shí)間和脈沖寬度在電纜局部放電脈沖的通常范圍內(nèi),那么就可以把該脈沖看成是電纜局部放電。一般來說,電纜局部放電的上升時(shí)間在50ns到1s之間,而脈寬小于2s。實(shí)際上,對(duì)于交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜來說,其對(duì)應(yīng)值會(huì)比這小些。這是由于XLPE電纜的損耗和散射比較小的緣故。脈沖的上升時(shí)間和脈寬取決于電纜端部的脈沖波形,也取決于檢測(cè)電路。然而,這種使用上升時(shí)間和脈沖寬度來檢測(cè)脈沖位置的簡(jiǎn)單方法并不非常適用。由于檢測(cè)電路的不確定性,同樣使得上升時(shí)間和脈沖寬度隨之變化,例如當(dāng)其包含一個(gè)大電感時(shí),脈沖的上升時(shí)間就會(huì)遲緩,并且脈沖寬度也會(huì)變大。然而,在脈沖的起始位置,上升時(shí)間卻是一個(gè)很有價(jià)值的特征量。對(duì)于利用高頻電流(HFCT)的在線局部放電檢測(cè),其檢測(cè)電路通常有較大的帶寬(>20MHz),這種簡(jiǎn)單的定位方法還是能得到較為滿意的測(cè)量結(jié)果的。
圖2高頻電流傳感器檢測(cè)33kV電纜局部放電(箭頭所指為高頻電流傳感器)
圖2所示為用于33kV XLPE電纜檢測(cè)的電流傳感器,傳感器可以?shī)A繞在接地線之上的每個(gè)線芯上,也可以將電流傳感器夾繞在接地線上。局部放電脈沖沿電纜傳至終端,在導(dǎo)體上它們的極性相同,在屏蔽上相反,關(guān)鍵的問題是能在接地線或?qū)w電流兩者之間截取其中一個(gè)。實(shí)際上,這兩個(gè)信號(hào)很相似,但它們?cè)趦蓚€(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的噪音成分卻有所不同。
圖3 電纜脈沖上升時(shí)間分布
圖3所示為33kV紙絕緣電纜的在線檢測(cè)結(jié)果,從圖中我們可以看到,電纜的主要上升時(shí)間集中在200ns附近。被測(cè)電纜長(zhǎng)度為2km左右,所有脈沖全部取自于1600m處的一個(gè)中間接頭。從圖中顯示的電纜上升時(shí)間的分布情況看,各上升時(shí)間之間還存在著寬度不等的空白區(qū)。理論上,可根據(jù)圖3畫出上升時(shí)間的曲線圖,縱坐標(biāo)以米為單位,假定局部放電脈沖上升時(shí)間和脈沖在電纜中的傳播距離之間存在函數(shù)關(guān)系。實(shí)際上,這種關(guān)系也是比較容易建立的,它取決于電纜的類型,而問題的關(guān)鍵就在于電纜終端的測(cè)量電路的阻抗是不確定的。如前面所述,當(dāng)檢測(cè)電路的阻抗中含有大的感抗時(shí),脈沖的上升時(shí)間主要取決于檢測(cè)電路的阻抗而不是局部放電脈沖的傳播距離。在這種情況下,脈沖上升時(shí)間和傳播距離之間的關(guān)系就無法建立。
利用局部放電脈沖波形檢測(cè)局放的最大優(yōu)勢(shì)就在于:可以幾乎不用考慮因脈沖在電纜中傳播的衰減而造成的測(cè)量誤差,尤其是對(duì)于衰減很大的紙絕緣電纜。局部放電脈沖在電纜上傳播一段距離以后幅值很快就會(huì)衰減10到20倍。如果脈沖峰值衰減到原來的1/20,那么離測(cè)量點(diǎn)比較遠(yuǎn)的局部放電事件就會(huì)顯得很微弱,難以發(fā)現(xiàn)。利用放電脈沖波形,測(cè)量局部放電電流下的面積,就可以對(duì)幅值進(jìn)行測(cè)量,并且它受信號(hào)衰減的影響小得多,放電量則可通過放電電流的積分求得,如下式:
式中的“const”是電流轉(zhuǎn)換為電壓的系數(shù)。此式已考慮了電流互感器的傳輸阻抗,電纜阻抗以及放大器增益等因素。通過這種方法測(cè)量放電量以后,乘以一個(gè)修正因數(shù)并假設(shè)檢測(cè)阻抗為電纜的浪涌阻抗,就可以以皮庫(kù)(pC)為單位測(cè)量局部放電的幅值。實(shí)際應(yīng)用中,在電纜中部接頭處的地線上測(cè)量時(shí),浪涌阻抗和實(shí)際的浪涌阻抗很接近,而端部浪涌阻抗的波動(dòng)一般在20%以下。例如對(duì)整體浸漬不滴流(MIND)11kV紙絕緣電纜,在3km處測(cè)量,用上面的公式測(cè)量時(shí)幅值僅衰減了3倍,而直接測(cè)量時(shí)幅值衰減了15倍。這就說明,這種方法對(duì)任何電纜的在線局部放電測(cè)量,都可以以皮庫(kù)為單位表示,而不需要標(biāo)定。