现场︱一起应用超声波法发现罐式断路器内部缺陷的案例
国网冀北电力有限公司检修分公司的研究人员田霖、刁彦平、王建伟等，在2015年第12期《电气技术》杂志上撰文，在概括超声波局部放电检测原理的基础上，分析了电晕、悬浮电位、自由金属颗粒缺陷的基本特征，并对某检修公司所辖变电站500kV罐式断路器开展超声局放试验，试验发现姜家营变电站5031断路器A相超声局放信号严重超标，100Hz相关性明显，气体组分分析正常，判断断路器内部出现屏蔽松动或悬浮电位。经解体发现内部固定螺栓松动，采用螺纹锁紧剂紧固后超声局放信号恢复正常。
罐式断路器由于抗震性能好，集成穿心式电流互感器，现场安装简单等优点在电力系统中得到广泛应用，其制造、安装质量及运行安全也越来越引起人们重视[1]。六氟化硫中的水分、自由金属颗粒、悬浮电位、电极表面的毛刺以及安装过程中的遗留物等往往形成罐式断路器早期放电缺陷，长期发展会导致绝缘击穿闪络，而此类缺陷在传统停电例行试验中却很难被发现，应用超声波法对罐式断路器进行带电检测可以预防此类绝缘事故的发生。
1 超声波检测法
局部放电是设备绝缘系统中部分被击穿的电气放电，这种放电可以发生在导体附近，也可以发生在其他位置[2]。超声波检测法原理是利用超声波传感器把因局部放电而产生的频率介于20KHz-200KHz区间的声信号转换为电信号，通过对检测数据进行分析和处理，判断电气设备内是否存在局部放电现象以及局部放电的类型[3]。
超声波检测法为非电检测方法，具有抗电磁干扰能力强、受机械噪声影响小、便于实现放电定位和适应范围广泛等优点[4]。超声波局部放电检测范围涵盖变压器、GIS组合电器、罐式断路器、开关柜、电缆终端、架空输电线路等各类一次设备[5]。
2 罐式断路器典型缺陷的特征分析
局部放电是很复杂的物理现象，用单一表征参数很难做到全面描述，因此在诊断中应尽量对各种放电谱图进行全面分析，以减少误判[6]。
2.1电晕缺陷
当罐式断路器内部存在金属尖刺时，在高压电场作用下会产生电晕放电信号。电晕放电信号的产生与施加在其两端的电压幅值具有明显关联性，在放电谱图中则表现出典型的50Hz相关性及100Hz相关性，即存在明显的相位聚集效应。
但是，由于电晕放电具有较明显极化效应，其正、负半周内的放电起始电压存在一定差异，电晕放电信号的起始时刻主要集中在外施电压的负半周，最大放电量发生在峰值附近。因此，电晕放电的50Hz相关性明显，100Hz相关性较弱。
2.2悬浮电位缺陷
当罐式断路器内部部件存在松动或者接触不良时会引起电位悬浮，悬浮部位与导体之间存在耦合电容，在高压电场作用下会产生容性放电信号[7]。此放电信号的产生与施加在其两端的电压幅值具有明显关联性，在放电谱图中则表现出典型的50Hz相关性及100Hz相关性，即存在明显的相位聚集效应，且100Hz相关性大于50Hz相关性。
2.3自由金属颗粒
当罐式断路器内部存在自由金属颗粒缺陷时，在高压电场作用下，自由金属颗粒来回跳动，每次撞击壳体都会产生一个宽带的瞬态声脉冲，与颗粒端部的局部放电信号相混合形成一个复合信号。自由金属微粒产生的超声波信号与放电关联较小，相位特征不是很明显，即50Hz、100Hz相关性小。但是，由于自由金属颗粒通过直接碰撞产生超声波信号，因此其信号有效值及周期峰值往往较大。
3 现场检测应用
3.1现场初步检测判断
在利用超声法现场检测中，我们通常判断设备是否正常运行的依据是检测仪器在连续图谱状态下信号有效值不应大于2mV，峰值不应大于5mV，且无50Hz相关性和100Hz相关性。
2015年1月20日，检修公司组织带电检测人员对姜家营变电站罐式断路器开展超声局放带电检测工作，当天检测过程中发现5031断路器A相存在检测信号异常现象，检测到有效值最大15mV，峰值最大65mV的超声局放信号，有效值和峰值严重超出正常范围，连续图谱中表现出典型的50Hz相关性及100Hz相关性，且100Hz相关性大于50Hz相关性，50Hz相关性最大0.25mV，100Hz相关性最大2.5mV，信号随时间发生变化，通过缺陷特征对比，既有罐式断路器内部悬浮放电缺陷的特征，又有自由金属颗粒放电缺陷的特征。
初步判断断路器内部存在屏蔽松动和自由颗粒类综合放电缺陷，B、C相检测数据在正常范围内，5031断路器为新东北电气（沈阳）高压开关有限公司生产的LW56-550型产品，投运时间为2005年12月27日，检测位置如图1所示，最大幅值图谱如图2所示，三相检测结果如表1所示。
图1 2015年1月20日5031A相断路器带电检测位置图
图2 2015年1月20日5031A相断路器带电检测图谱（连续模式）
表1 2015年1月20日5031三相断路器超声局放带电检测结果
3.2现场进一步检测判断
2015年1月27日，为进一步对检测结果进行确认，相关专业技术人员再次对5031罐式断路器A相进行了复诊，此次测试为了防止误判，不仅采取两种超声检测仪器同时进行检测，而且添加气体组分分析测试。检测结果如表2、表3所示。
从复诊结果来看，故障超声信号仍然存在，且敲击罐体后信号强度发生了明显变化。断路器内部气体组分正常，最终判断断路器内部存在部件松动造成的悬浮电位或屏蔽松动，报严重急缺陷。
表2 2015年1月27日5031A相断路器复诊超声局放带电检测结果
表3 2015年1月27日5031A相断路器联合复诊气体组分带电检测结果
3.3缺陷处理
停电后，进行罐体解体检查，发现断路器罐体内及盆式绝缘子上方无放电痕迹，钻罐检查灭弧室内屏蔽罩，发现中间屏蔽罩敲击后有松动响声，进一步检查发现其固定螺栓四条中靠上侧一条松动，且该螺栓已滑扣，断路器内部结构及故障部件如图3、图4所示。
现场采用螺纹锁紧剂紧固，以保证设备机械稳定性和可靠性。设备重新投入运行后，利用超声波法对5031三相断路器进行再次检测，检测结果显示有效值和峰值都在规定范围内，且无50Hz相关性及100Hz相关性，A相缺陷消除，设备正常运行，检测结果如表4所示。
图3 罐体内部结构图示
图4 松动螺栓图示
表4 检修后5031三相断路器超声局放带电检测结果
4 结论
超声波检测法能有效的检测罐式断路器内部的局部放电信号，可以作为一条有效的监测手段长期开展，对于设备状态评价具有重要意义。同时，现场检测可以结合高频法、超高频法、化学检测法等手段，以提高故障诊断的适用性和准确性。
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