局部放电检测技术在海洋石油设施上的推广应用

摘要：首先根据国内海洋石油采掘业电气设备维保的发展要求并结合陆地国家电网公司相关试行标准，基于带电检测的物理机理，介绍了几种不同于传统电气设备常规检测方法的带电检测方法。接着对这些方法的基本原理进行阐述，并分析了其各自的特点及在海洋油气设施上的应用情况，结合对实际检测案例结果的横向对比，总结了该类带电检测方法在海洋石油设施上应用的一些特点及注意事项。最后结合传统电气设备检测方法，总结了提高海洋石油设施电气设备缺陷检测水平并发挥其最大经济效益，提高人员检测技能与素质的意义。

关键词：局部放电;超高频法;超声法;暂态地电压法;红外热成像

0    引言

随着海洋油气设施规模的整合与扩大，其复杂程度也越来越大。经济效应对生产连续性及设备低故障率的要求越来越高。传统的设备定期检修、被动检修模式已经越来越不适应生产形势的要求，带来的弊病也越来越多，表现如下：设备检修盲目性大，普遍存在过修、失修现象，设施壮大对检修人员数量与质量及定期安排的挑战增大，检修模式跟不上装备水平的进步。要有效克服上述弊端，适应新形势的要求，势必需要改变思维观念，寻求更先进有效的办法来解决问题。

基于形势与要求，我们参考了国家电网公司2010年制订的《电力设备带电检测技术规范（试行）》，并结合该规范里提到的区别于传统的带电检测方法，精心对该规范涉及的几种新检测方法的技术原理进行了剖析与了解，同时组织相应机构进行实际操作，取得了很好的效果。

该规范提到的区别于传统的带电检测方法大致有如下几种：高频或超高频局部放电检测法、红外热像法、超声波信号检测、暂态地电压检测。

当外加电压在电气设备中产生的场强足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的放电现象称为局部放电。局部放电检测技术正是基于电气设备的绝缘处在不佳状态时会表现出区别于正常时的不同细微物理变化，通过对这些物理信号的捕捉与锁定而确定其存在故障隐患，它是在设备还未真正发生故障前进行检测，因而有效性及经济效果非常明显。

设备因为运行过电压、雷电波冲击、谐波畸变、设备所使用的绝缘材料不均匀或内部存在空洞与杂质、导体表面存在凸出部分、绝缘强度不足及所处环境潮湿过热等原因，一旦介质内部或表面处于强电场情况下就会产生放电现象，这是导致电气设备产生放电的因素。

局部放电现象是一种脉冲形式的放电，它会在电力设备内部和周围空间产生一系列的声、光、电、气和机械振动等物理现象和化学变化，在产生局部放电现象的同时会为监測电力设备内部绝缘状态提供检测信号。

1    高频与超高频局部放电检测

高频局部放电检测技术是指对频率介于3～30 MHz的局部放电信号进行采集、分析、判断的一种检测方法。超高频检测技术是指对频率介于300～3 000 MHz的局部放电信号进行采集、分析、判断的一种检测方法。二者的区别在于针对不同类型的电气设备在产生局部放电时发出不同波段的电磁脉冲而进行有选择性的取舍使用，现在陆地电网的实际检测中已经形成针对不同类型的设备相对固定的检测方法，而且随着检测仪器的功能及标准的完善，均已形成相对标准的检测措施。

（1）超高频局部放电检测技术依据的原理主要是通过分置在不同设备部位的传感器采集放电信号，采用专用软件对信号进行过滤与计算，将计算结果自动保存并进行对比，确认放电信号的存在。典型设计是将一个50 Hz周期分成64个检测时间段，每个时间段的长度约为312 μs（图1）。在每一个检测时间段，检测仪的超高频信号峰值俘获电路都将本时间段内振幅最强的光电采集信号峰值保存起来，并对俘获的信号峰值进行数字化处理;在该50 Hz周期结束的时候，检测仪软件从本50 Hz周期各个检测时间段俘获的光电采集信号峰值中选取最大者保存，并将此信号峰值与前面的50 Hz周期已记录的信号峰值进行比较，保留其中的最大值。如果一个信号的峰值超过了系统预设的阈值，系统就认为测到了一次局部放电，发生了一次局部放电事件。系统通过信号特征提取与局放信号图谱判断局放类型。

超高频法的优点在于，检测灵敏度高，信号传输衰减慢，现场该频段干扰小，不受机械干扰，可以实现快速定位。

（2）高频局部放电检测技术依据的原理主要是对局放电路里的三电容等效电路进行计算（图2）。

对于变压器，利用变压器或电抗器绕组与铁芯之间的分布电容形成的耦合通路，如果变压器或电抗器内部发生局部放电，产生的高频信号通过耦合通路经铁芯接地线构成回路，卡装在铁芯接地线上的高频电流传感器即可接收到变压器内部的放电信号并在巡检仪上显示出相应的检测数据（图3）。

高频脉冲电流法是检测变压器本体局部放电的有效手段，对线圈、铁芯、夹件上的局部放电信号尤为敏感。

2    超声波信号检测法

检测原理：电力设备内部发生局部放电现象的时候，同时会伴有幅值很低的声波发射，采用地电压检测技术进行检测很难发现隐患。此时，可以采用超声探测进行检测，由于沿边放电频率很高（40 kHz），使用局放测试仪可以更灵敏地反映放电频谱中指向性最强的超声波部分，有利于判断故障位置（图4）。该方法的检测频带：20～200 kHz。

超声法与被测设备之间无电气连接，可以避免多种电气干扰。声测法的灵敏度不会随被测物电容量变化而变化，因而声学方法广泛用于大电容器的检测，并且声学方法通常能指出一个复杂系统内PD源的位置，定位精度高;但它存在灵敏度低、传播衰减快、测试范围小、判别标准比较困难的缺点，因而一定程度上应用受到限制。

超声法对某些类型的放电比较敏感，而对有些类型的放电则检测灵敏度较低。如在GIS中，对于移动中的颗粒，这个方法比传统的局放测量法和UHF优越;而对于检测来自绝缘子上颗粒引起的放电时，这个方法还存在一些问题，由于在环氧树脂绝缘中超声信号衰减很大，所以这种方法不能测量环氧树脂绝缘中的缺陷（例如气泡）。在变压器中，该方法对内部深层次放电不敏感，定位及诊断对使用者要求高。大量实践证明，对于交流变压器、电抗器、换流变压器都可以进行局部放电超声波检测和定位。

超声波检测在实践中需要密切注意定位的有效性和有效波型的识别，不管是使用信号衰减法还是时差定位法，定位需要注意：

（1）仔细搜寻疑似放电信号，传感器间距小于60 cm;

（2）初步判断疑似信号性质，排除干扰;

（3）继续搜索，寻求最好的信号获取位置;

（4）观察信号一致性，判断是否存在固定声源;

（5）初步定位，给出明确坐标，此时传感器坐标测量务必准确;

（6）对定位点位置进一步检测，获得精确定位结果;

（7）长时间录波和回放对换流变定位很重要;

（8）定位数据结合色谱和变压器结构往往能得到正确结论。

3    暂态地电压法

局部放电发生时，在接地的金属表面将产生瞬时地电压，这个地电压将沿金属的表面向各个方向传播。暂态地电压检测方法通过检测地电压实现对电力设备局部放电的判别和定位（图5）。开关柜类设备应用此检测措施已经较为普遍。

检测原理：

（1）局部放电发生时，电子快速由带电体向接地的非带电体迁移，如柜体。

（2）放电点产生高频电流波，并向两个方向传播;受集肤效应影响，电流波仅集中在金属柜体内表面传播，而不会直接穿透。

（3）在金属断开或绝缘连接处，电流波转移至外表面，并以电磁波形式进入自由空间。

（4）电磁波上升沿碰到金属外表面，产生暂态对地电压（TEV，Transient Earth Voltage）。

4    红外热像检测

利用红外热成像技术，对电气系统中具有电流、电压致热效应或其他致热效应的带电设备进行检测和诊断。

随着仪器的成熟，加上检测方法简单易操作，可使用范围广泛，红外热像检测方法已经基本普及，无需多述，但在操作时还是需要注意对于操作环境的识别及提高检测者自身排除干扰及识别故障隐患的能力。

5    实际应用效果分析

2018年4月在中国南海某油田的5个采油平台利用便携式局放仪和综合式局放仪开展了检测活动，使用暂态地电压TEV法和超声法对开关柜进行检测，采用高频局部放电法和超声法对干式及油浸型变压器进行检测，对1 kV以上的中高压电缆使用局部放电巡线仪进行高频局放和超声检测。

抽取其中某个平台连续两年的检测数据进行比较分析。該平台的检测量为14台13.8 kV等级中压开关柜、8台主生产变压器和25个中高压电缆点。

该平台2018年与2019年的测试结论对比如表1所示。

分析这两年的检测结果，发现个别设备检测值出现异常，通过使用不同的仪器进行复核，部分异常现象消失，特别是超声检测结果出现多处超标的情况，结合现场实际进行分析，海洋油气平台本身受空间体积限制，受海浪、生产机器振动影响，超声检测事实上在一定程度上受到明显的干扰，说明该方法在这种环境下的应用受到一定限制，容易导致对结果的误判，这从设备在检测后一直能正常运行就可反映出来，虽然如此，超声波检测方法还是有非常大的使用参考价值。

6    实际操作需注意的事项

通过对上述检测结论的对比分析，可以明显感受到局放检测技术在海洋石油设施上使用时应该考虑如何消除环境对检测的影响，从而识别出潜在的隐患，练就识别图谱的火眼金睛。

特别是在海洋油气设施上开展的检测活动，一定要慎重选择在恰当的时间段及合适的气象条件下进行，并密切关注、积极排除周围电磁、振动、温湿度等的影响，否则检测结果极易受到干扰，造成误判。同时，需要制定严密的作业规程，以保证人员、设备和电网安全为前提，多种检测方式联合并用、综合分析，正确定位可能存在的缺陷，不误判、不过判，根据缺陷形式和位置及时采取措施，避免设备缺陷酿成大事故，并为状态较差的设备、家庭缺陷设备制订下一周期的重点检测措施。局放检测应结合设备的运行方式以及传统的检测方式进行，各取所长与所需，有效监测设备状态，根据结果对相同运行方式及型号的同类型设备进行横向及纵向比较，根据规范要求严格执行带电检测的项目、周期和标准，把检测结果严格与检测标准进行对比，确定设备及电网是否正常或存在缺陷、异常。检测人员要认真领会并全面掌握各类设备电晕放电、内部放电、沿面放电的单个脉冲频域波形、相位图谱、分类图谱等的图形特征，能正确识别雷达噪声、马达噪声、闪光噪声、电话噪声的典型图谱，能在检测仪的结果图里正确、及时排除干扰。

7    结语

基于传统的电力设备检测试验操作规程，加上对近些年国内开始试行的几种新型局部放电检测原理的分析与介绍及陆地电网公司应用经验的积累，油气行业完全有理由相信本文所述区别于传统检测办法的局部放电检测措施能切实有效地提高对电力设备的检测效果，排除油气设施上电力设备在潮湿、腐蚀性恶劣环境里的故障隐患，降低事故损失，提高工作效率，克服传统检测办法的弊端。局部放电数据分析技术不是简单地回答“是”与“否”，其目标是在海量数据中发现“异常者”，总结出指导检修的普遍性规律。充分认识到状态检修是设备检修模式发展的必然阶段，是生产精益化管理的核心内容。

[参考文献]

[1] 国家电网公司.电力设备带电检测技术规范（试行）[S]，2010.

[2] 电力设备预防性试验规程：Q/CSG 114002—2011[S].

[3] 电气装置安装工程电气设备交接试验标准：GB 50150—1991[S].

[4] 陈化钢.电力设备预防性试验方法及诊断技术[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

收稿日期：2020-05-08

作者简介：薛旭（1973—），男，河北阳原人，电气工程师，电气主管，研究方向：海洋油气设施电气设备应用、防潮、控制、潜油电泵变频拖动。