550kV气体绝缘金属封闭开关内部部件松动的带电检测分析
国网安徽省电力有限公司电力科学研究院、国网安徽省电力有限公司培训中心的研究人员宋东波、黄洁、杨为、秦少瑞、张国宝，在2019年第11期《电气技术》杂志上撰文指出，带电检测可及时发现设备潜在的缺陷隐患，是设备运行状态评价的重要手段之一。
本文介绍了几起550kV气体绝缘金属封闭开关内部部件松动缺陷的检测分析过程，结合超声波法、特高频法局部放电检测技术、X射线成像检测技术对缺陷进行了诊断定位，最终解体检查确定气室内部粒子捕捉器紧固螺栓松动、脱落是导致异常的根本原因。
近年来气体绝缘金属封闭开关（gas insulated switchgear, GIS）设备以其占地面积小、可靠性高、受外界影响小等特点，在电力系统中得到了广泛应用。但在GIS的生产制造、安装、运行等过程中，仍不可避免地出现各类缺陷，加之其结构相对复杂、内部部件肉眼不可见，因此很难及时、准确地掌握其运行状态。
随着电网设备状态检修模式的推广，带电检测技术在设备的状态评价中发挥了越来越重要的作用，超声波法、特高频法局放检测技术、SF6气体分解产物检测技术及X射线数字成像检测技术以各自不同的技术优势，为GIS缺陷的诊断分析及绝缘状态的评价提供了重要依据。
本文介绍了某550kV GIS因内部部件松动导致的多起缺陷的检测分析过程，综合利用超声波法、特高频法及X射线数字成像检测等带电检测技术确认了缺陷类型并进行了缺陷定位，最终解体分析确认了异常原因。
1 GIS内部缺陷的带电检测方法
1）特高频法
当GIS内部发生局部放电时将伴随产生声、光、热等物理、化学变化，同时激发产生高达数GHz的电磁波信号，信号在GIS气室内部沿着腔体传播，当遇到盆式绝缘子等非金属材料时将传播至外部空间，通过内置或外置的特高频传感器即可对放电信号进行检测，再通过后台主机实现局部放电的诊断分析。
特高频法局部放电检测技术具有灵敏度高、有效检测范围广的特点，对GIS内部因悬浮电位、金属表面毛刺、绝缘内部气隙等导致的局部放电较为敏感，但对气室内部纯机械振动类缺陷检测不敏感。
2）超声波法
当GIS内部发生局部放电或出现部件异常松动时，将产生超声波信号，信号穿透绝缘介质及设备外壳传到外部，将特定频带的超声波传感器贴在GIS外壳上即可接收产生的异常信号，进而通过检测主机对异常进行诊断分析。
超声波法局部放电检测技术，不受外部空间的电磁波信号干扰，且其测点选取不受设备结构限制，对GIS内部机械振动、自由颗粒缺陷及因悬浮电位、金属表面毛刺等导致的局部放电较为敏感。
3）X射线数字成像法
X射线在穿透物质时会存在吸收、散射情况，因吸收、散射能力不同，射线穿透物质后强度不同，若被透照物体局部厚度存在差异，则该区域透过的射线强度与周围就会产生差异，感光片上就会反映出该差异，进而检出所测部位有无异常。
X射线数字成像检测技术实现了GIS内部部件的“可视化”，可对缺陷类型及位置进一步确认，为异常的分析确认及检修策略的制定提供有力支撑。
2 检测案例
自2015年以来对某ZF8A-550型GIS开展带电检测时，在其断路器气室陆续检测发现多起明显的信号异常情况，其中气室底部左侧或右侧粒子捕捉器部位信号最大，设备结构如图1所示。
图1 550kV GIS断路器结构示意图
2.1 案例1
2015年5月对某特高压站内550kV GIS开展带电检测，发现5032断路器C相存在明显的异常超声波信号，其中靠近50321隔离开关一侧信号幅值较大且峰值抖动明显，随后在罐体不同部位进行了多点测量以确认信号最大部位，测点情况如图2所示。
图2 测点布置情况
检测结果见表1。
表1 各测点检测结果
4个测点信号峰值均大于背景峰值，存在50Hz及100Hz相关性，其中粒子捕捉器正下方的测点1信号峰值最大，超过250mV，如图3所示。
图3 测点1超声波信号图谱
由图3可知，测点1信号有效值及峰值较大，100Hz相关性较50Hz相关性强，且相位图谱存在多簇“竖条状”脉冲集中现象，与典型的异常振动信号图谱相似，开展特高频局放检测未见异常。
后期进一步跟踪检测分析发现异常信号存在一定间歇性，且信号幅值时大时小，最大达500mV。由于异常信号幅值较大，结合停电检修对该气室进行了解体检查，打开断路器靠近50311隔离开关一侧的盖板，发现异常信号所在区域粒子捕捉器一颗紧固螺栓松动，分别如图4和图5所示。
图4 粒子捕捉器示意图
图5 紧固螺栓松动情况
2.2 案例2
2017年5月对某特高压站内550kV GIS开展带电检测，发现5033断路器B相存在明显的超声波异常信号，其中靠近50331隔离开关一侧信号幅值较大，采用幅值法定位发现信号最大点处在本侧粒子捕捉器底部位置，最大峰值达1000mV，远远大于背景峰值，如图6所示。
图6 超声波信号图谱（案例2）
为进一步分析，在5033断路器B相左右两侧电流互感器上方的盆式绝缘子处开展了特高频局放检测，如图7所示。
图7 传感器布置示意图
图7中CH1、CH2代表检测通道1、通道2，两通道均检测到异常信号，其中通道2信号幅值较通道1大，如图8所示。
图8 特高频信号图谱
异常信号在一个周期内有明显的两簇脉冲集中现象，幅值基本一致且较大，达10dBm，PRPS图谱呈现明显的“内、外八字”分布特征，与典型的悬浮电位放电特征一致。采用时差法定位发现局放源处在50331隔离开关正下方部位，与超声波法定位结果基本一致。进一步跟踪检测发现信号存在一定的间歇性，异常时有时无，无周期性。
结合停电检修解体检查发现异常部位三颗粒子捕捉器紧固螺栓完全脱落，捕捉器已偏移，如图9所示。
图9 紧固螺栓脱落情况
2.3 案例3
2018年11月对某特高压站内550kV GIS开展带电检测，发现5011断路器C相存在明显的超声波异常信号，其中最大点处在50111隔离开关一侧粒子捕捉器正下方，如图10所示。
图10 设备现场实物图
检测发现信号有效值、峰值不稳定，抖动较为明显，最大部位信号图谱如图11所示。
图11 超声波信号图谱（案例3）
相位图谱与典型的振动及悬浮电位放电图谱均有差异，将仪器检测频段起始范围由10kHz上调为50kHz，再次在相同部位测量，发现信号峰值有明显降低，因此判断信号在低频段有较多分布；进一步开展特高频局放检测，未见异常；对异常部位开展X射线检测发现粒子捕捉器一颗紧固螺栓已明显松动，如图12所示。
图12 X射线检测结果
3 原因分析
文中3起案例所涉及的设备厂家、型号相同，投运日期相同。解体检查或X射线检测均发现存在粒子捕捉器紧固螺栓松动或脱落情况，所采用的垫片均为普通金属平垫片，对脱落部位的螺孔检查亦未发现防松胶痕迹或其他防松措施。
分析认为粒子捕捉器螺栓未采取有效的防松动措施，在设备长期运行中逐渐松动，产生异常振动，导致超声波信号异常；随着运行年限的增长，螺栓松动加剧，最终出现案例2所述的螺栓完全脱落情况，脱落的金属部件在电磁场作用下形成悬浮电位，产生间歇性悬浮放电。
基于超声波法的带电检测技术，对GIS内部异常振动具有较好的检出效果。针对GIS内部不同的缺陷类型，各种带电检测技术具有其各自独特的检测优势，应综合采用多种技术手段同时结合设备内部结构，对异常进行综合诊断分析，以提高诊断分析的准确性。