局部放電檢測技術在海洋石油設施上的推廣應用

摘要：首先根據國內海洋石油采掘業電氣設備維保的發展要求并結合陸地國家電網公司相關試行標準，基于帶電檢測的物理機理，介紹了幾種不同于傳統電氣設備常規檢測方法的帶電檢測方法。接著對這些方法的基本原理進行闡述，并分析了其各自的特點及在海洋油氣設施上的應用情況，結合對實際檢測案例結果的橫向對比，總結了該類帶電檢測方法在海洋石油設施上應用的一些特點及注意事項。最后結合傳統電氣設備檢測方法，總結了提高海洋石油設施電氣設備缺陷檢測水平并發揮其最大經濟效益，提高人員檢測技能與素質的意義。

關鍵詞：局部放電;超高頻法;超聲法;暫態地電壓法;紅外熱成像

0? ? 引言

隨著海洋油氣設施規模的整合與擴大，其復雜程度也越來越大。經濟效應對生產連續性及設備低故障率的要求越來越高。傳統的設備定期檢修、被動檢修模式已經越來越不適應生產形勢的要求，帶來的弊病也越來越多，表現如下：設備檢修盲目性大，普遍存在過修、失修現象，設施壯大對檢修人員數量與質量及定期安排的挑戰增大，檢修模式跟不上裝備水平的進步。要有效克服上述弊端，適應新形勢的要求，勢必需要改變思維觀念，尋求更先進有效的辦法來解決問題。

基于形勢與要求，我們參考了國家電網公司2010年制訂的《電力設備帶電檢測技術規范（試行）》，并結合該規范里提到的區別于傳統的帶電檢測方法，精心對該規范涉及的幾種新檢測方法的技術原理進行了剖析與了解，同時組織相應機構進行實際操作，取得了很好的效果。

該規范提到的區別于傳統的帶電檢測方法大致有如下幾種：高頻或超高頻局部放電檢測法、紅外熱像法、超聲波信號檢測、暫態地電壓檢測。

當外加電壓在電氣設備中產生的場強足以使絕緣部分區域發生放電，但在放電區域內未形成固定放電通道的放電現象稱為局部放電。局部放電檢測技術正是基于電氣設備的絕緣處在不佳狀態時會表現出區別于正常時的不同細微物理變化，通過對這些物理信號的捕捉與鎖定而確定其存在故障隱患，它是在設備還未真正發生故障前進行檢測，因而有效性及經濟效果非常明顯。

設備因為運行過電壓、雷電波沖擊、諧波畸變、設備所使用的絕緣材料不均勻或內部存在空洞與雜質、導體表面存在凸出部分、絕緣強度不足及所處環境潮濕過熱等原因，一旦介質內部或表面處于強電場情況下就會產生放電現象，這是導致電氣設備產生放電的因素。

局部放電現象是一種脈沖形式的放電，它會在電力設備內部和周圍空間產生一系列的聲、光、電、氣和機械振動等物理現象和化學變化，在產生局部放電現象的同時會為監測電力設備內部絕緣狀態提供檢測信號。

1? ? 高頻與超高頻局部放電檢測

高頻局部放電檢測技術是指對頻率介于3～30 MHz的局部放電信號進行采集、分析、判斷的一種檢測方法。超高頻檢測技術是指對頻率介于300～3 000 MHz的局部放電信號進行采集、分析、判斷的一種檢測方法。二者的區別在于針對不同類型的電氣設備在產生局部放電時發出不同波段的電磁脈沖而進行有選擇性的取舍使用，現在陸地電網的實際檢測中已經形成針對不同類型的設備相對固定的檢測方法，而且隨著檢測儀器的功能及標準的完善，均已形成相對標準的檢測措施。

（1）超高頻局部放電檢測技術依據的原理主要是通過分置在不同設備部位的傳感器采集放電信號，采用專用軟件對信號進行過濾與計算，將計算結果自動保存并進行對比，確認放電信號的存在。典型設計是將一個50 Hz周期分成64個檢測時間段，每個時間段的長度約為312 μs（圖1）。在每一個檢測時間段，檢測儀的超高頻信號峰值俘獲電路都將本時間段內振幅最強的光電采集信號峰值保存起來，并對俘獲的信號峰值進行數字化處理;在該50 Hz周期結束的時候，檢測儀軟件從本50 Hz周期各個檢測時間段俘獲的光電采集信號峰值中選取最大者保存，并將此信號峰值與前面的50 Hz周期已記錄的信號峰值進行比較，保留其中的最大值。如果一個信號的峰值超過了系統預設的閾值，系統就認為測到了一次局部放電，發生了一次局部放電事件。系統通過信號特征提取與局放信號圖譜判斷局放類型。

超高頻法的優點在于，檢測靈敏度高，信號傳輸衰減慢，現場該頻段干擾小，不受機械干擾，可以實現快速定位。

（2）高頻局部放電檢測技術依據的原理主要是對局放電路里的三電容等效電路進行計算（圖2）。

對于變壓器，利用變壓器或電抗器繞組與鐵芯之間的分布電容形成的耦合通路，如果變壓器或電抗器內部發生局部放電，產生的高頻信號通過耦合通路經鐵芯接地線構成回路，卡裝在鐵芯接地線上的高頻電流傳感器即可接收到變壓器內部的放電信號并在巡檢儀上顯示出相應的檢測數據（圖3）。

高頻脈沖電流法是檢測變壓器本體局部放電的有效手段，對線圈、鐵芯、夾件上的局部放電信號尤為敏感。

2? ? 超聲波信號檢測法

檢測原理：電力設備內部發生局部放電現象的時候，同時會伴有幅值很低的聲波發射，采用地電壓檢測技術進行檢測很難發現隱患。此時，可以采用超聲探測進行檢測，由于沿邊放電頻率很高（40 kHz），使用局放測試儀可以更靈敏地反映放電頻譜中指向性最強的超聲波部分，有利于判斷故障位置（圖4）。該方法的檢測頻帶：20～200 kHz。

超聲法與被測設備之間無電氣連接，可以避免多種電氣干擾。聲測法的靈敏度不會隨被測物電容量變化而變化，因而聲學方法廣泛用于大電容器的檢測，并且聲學方法通常能指出一個復雜系統內PD源的位置，定位精度高;但它存在靈敏度低、傳播衰減快、測試范圍小、判別標準比較困難的缺點，因而一定程度上應用受到限制。

超聲法對某些類型的放電比較敏感，而對有些類型的放電則檢測靈敏度較低。如在GIS中，對于移動中的顆粒，這個方法比傳統的局放測量法和UHF優越;而對于檢測來自絕緣子上顆粒引起的放電時，這個方法還存在一些問題，由于在環氧樹脂絕緣中超聲信號衰減很大，所以這種方法不能測量環氧樹脂絕緣中的缺陷（例如氣泡）。在變壓器中，該方法對內部深層次放電不敏感，定位及診斷對使用者要求高。大量實踐證明，對于交流變壓器、電抗器、換流變壓器都可以進行局部放電超聲波檢測和定位。

超聲波檢測在實踐中需要密切注意定位的有效性和有效波型的識別，不管是使用信號衰減法還是時差定位法，定位需要注意：

（1）仔細搜尋疑似放電信號，傳感器間距小于60 cm;

（2）初步判斷疑似信號性質，排除干擾;

（3）繼續搜索，尋求最好的信號獲取位置;

（4）觀察信號一致性，判斷是否存在固定聲源;

（5）初步定位，給出明確坐標，此時傳感器坐標測量務必準確;

（6）對定位點位置進一步檢測，獲得精確定位結果;

（7）長時間錄波和回放對換流變定位很重要;

（8）定位數據結合色譜和變壓器結構往往能得到正確結論。

3? ? 暫態地電壓法

局部放電發生時，在接地的金屬表面將產生瞬時地電壓，這個地電壓將沿金屬的表面向各個方向傳播。暫態地電壓檢測方法通過檢測地電壓實現對電力設備局部放電的判別和定位（圖5）。開關柜類設備應用此檢測措施已經較為普遍。

檢測原理：

（1）局部放電發生時，電子快速由帶電體向接地的非帶電體遷移，如柜體。

（2）放電點產生高頻電流波，并向兩個方向傳播;受集膚效應影響，電流波僅集中在金屬柜體內表面傳播，而不會直接穿透。

（3）在金屬斷開或絕緣連接處，電流波轉移至外表面，并以電磁波形式進入自由空間。

（4）電磁波上升沿碰到金屬外表面，產生暫態對地電壓（TEV，Transient Earth Voltage）。

4? ? 紅外熱像檢測

利用紅外熱成像技術，對電氣系統中具有電流、電壓致熱效應或其他致熱效應的帶電設備進行檢測和診斷。

隨著儀器的成熟，加上檢測方法簡單易操作，可使用范圍廣泛，紅外熱像檢測方法已經基本普及，無需多述，但在操作時還是需要注意對于操作環境的識別及提高檢測者自身排除干擾及識別故障隱患的能力。

5? ? 實際應用效果分析

2018年4月在中國南海某油田的5個采油平臺利用便攜式局放儀和綜合式局放儀開展了檢測活動，使用暫態地電壓TEV法和超聲法對開關柜進行檢測，采用高頻局部放電法和超聲法對干式及油浸型變壓器進行檢測，對1 kV以上的中高壓電纜使用局部放電巡線儀進行高頻局放和超聲檢測。

抽取其中某個平臺連續兩年的檢測數據進行比較分析。該平臺的檢測量為14臺13.8 kV等級中壓開關柜、8臺主生產變壓器和25個中高壓電纜點。

該平臺2018年與2019年的測試結論對比如表1所示。

分析這兩年的檢測結果，發現個別設備檢測值出現異常，通過使用不同的儀器進行復核，部分異?，F象消失，特別是超聲檢測結果出現多處超標的情況，結合現場實際進行分析，海洋油氣平臺本身受空間體積限制，受海浪、生產機器振動影響，超聲檢測事實上在一定程度上受到明顯的干擾，說明該方法在這種環境下的應用受到一定限制，容易導致對結果的誤判，這從設備在檢測后一直能正常運行就可反映出來，雖然如此，超聲波檢測方法還是有非常大的使用參考價值。

6? ? 實際操作需注意的事項

通過對上述檢測結論的對比分析，可以明顯感受到局放檢測技術在海洋石油設施上使用時應該考慮如何消除環境對檢測的影響，從而識別出潛在的隱患，練就識別圖譜的火眼金睛。

特別是在海洋油氣設施上開展的檢測活動，一定要慎重選擇在恰當的時間段及合適的氣象條件下進行，并密切關注、積極排除周圍電磁、振動、溫濕度等的影響，否則檢測結果極易受到干擾，造成誤判。同時，需要制定嚴密的作業規程，以保證人員、設備和電網安全為前提，多種檢測方式聯合并用、綜合分析，正確定位可能存在的缺陷，不誤判、不過判，根據缺陷形式和位置及時采取措施，避免設備缺陷釀成大事故，并為狀態較差的設備、家庭缺陷設備制訂下一周期的重點檢測措施。局放檢測應結合設備的運行方式以及傳統的檢測方式進行，各取所長與所需，有效監測設備狀態，根據結果對相同運行方式及型號的同類型設備進行橫向及縱向比較，根據規范要求嚴格執行帶電檢測的項目、周期和標準，把檢測結果嚴格與檢測標準進行對比，確定設備及電網是否正?；虼嬖谌毕?、異常。檢測人員要認真領會并全面掌握各類設備電暈放電、內部放電、沿面放電的單個脈沖頻域波形、相位圖譜、分類圖譜等的圖形特征，能正確識別雷達噪聲、馬達噪聲、閃光噪聲、電話噪聲的典型圖譜，能在檢測儀的結果圖里正確、及時排除干擾。

7? ? 結語

基于傳統的電力設備檢測試驗操作規程，加上對近些年國內開始試行的幾種新型局部放電檢測原理的分析與介紹及陸地電網公司應用經驗的積累，油氣行業完全有理由相信本文所述區別于傳統檢測辦法的局部放電檢測措施能切實有效地提高對電力設備的檢測效果，排除油氣設施上電力設備在潮濕、腐蝕性惡劣環境里的故障隱患，降低事故損失，提高工作效率，克服傳統檢測辦法的弊端。局部放電數據分析技術不是簡單地回答“是”與“否”，其目標是在海量數據中發現“異常者”，總結出指導檢修的普遍性規律。充分認識到狀態檢修是設備檢修模式發展的必然階段，是生產精益化管理的核心內容。

[參考文獻]

[1] 國家電網公司.電力設備帶電檢測技術規范（試行）[S]，2010.

[2] 電力設備預防性試驗規程：Q/CSG 114002—2011[S].

[3] 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準：GB 50150—1991[S].

[4] 陳化鋼.電力設備預防性試驗方法及診斷技術[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

收稿日期：2020-05-08

作者簡介：薛旭（1973—），男，河北陽原人，電氣工程師，電氣主管，研究方向：海洋油氣設施電氣設備應用、防潮、控制、潛油電泵變頻拖動。