超聲波法在GIS 局部放電檢測中的應用

王 偉 馮新巖 曲文韜 徐 亮

（山東電力集團公司超高壓公司，濟南 250021）

1 引言

局部放電作為診斷GIS絕緣狀況的重要手段，其檢測技術一直受到制造廠家和運行維護單位的關注[1-2]。傳統的脈沖電流法通過測量設備發生局部放電時產生的脈沖電流來確定視在放電量、局部放電脈沖等參數，技術成熟，可以對放電量進行估算，但抗干擾能力差，現場測試的精度受到很大的影響[3]；化學檢測法抗電磁干擾能力強，但受到設備內部吸附劑、干燥劑以及斷路器開斷時產生的電弧分解氣體的影響，其靈敏性較差；光學檢測法需多個傳感器，成本較高，在現場應用很少[4]。另外，相位門極控制法、有限時域差分法還處于理論研究的階段，沒有成熟的儀器裝置應用到現場[5]。

超聲波法和超高頻法作為目前兩種比較有效的檢測方法，抗干擾能力強，靈敏度高，相比之下，超高頻法適合對設備進行長期連續的監測，需要廠家在設備制造時內置傳感耦合器以保證測量精度。超聲波設備使用簡便，可以通過對設備的逐點測量進行缺陷定位，更適合帶電巡檢和短期的在線監測[6]。

2 超聲波檢測法

GIS發生局部放電時分子間劇烈碰撞并在宏觀上瞬間形成一種壓力，產生超聲波脈沖，信號波長較短，方向性較強，因此它的能量較為集中。將基于諧振原理的聲發射傳感器置于設備外殼上檢測這一脈沖信號，然后經過前置放大、濾波、放大、檢波等處理環節，進而通過信號分析以確定設備的絕緣狀況。圖1給出了超聲波檢測GIS設備局部放電的原理圖。

圖1 超聲波檢測局部放電原理圖

超聲波信號有橫波、縱波和表面波三種傳播形式，在SF6氣體中只有縱波可以傳播，而在帶電導體、絕緣子和金屬殼體等固體中傳播的除縱波外還有橫波。縱波在氣體、固體中衰減很大，橫波在固體中衰減小。

在傳播過程中，由介質吸收效應導致的高頻分量衰減、不同介質傳播速率的差異以及邊界處產生的折、反射，都會對接收到的脈沖信號產生影響。因此檢測的有效性和靈敏性不僅取決于局部放電的類型和能量大小，還取決于聲信號在不同介質的傳播特性和具體的傳播路徑。評估設備狀態特別是確定缺陷部位時，需要綜合考慮這些因素并結合GIS的具體結構進行分析。

3 GIS典型缺陷的特征分析

3.1 毛刺放電

毛刺尖端處電場集中，電暈放電信號的起始時刻主要集中在外施電壓的負半周，最大放電量發生在峰值附近。隨著電壓的升高，局放脈沖增大，頻度增加，在正半周也可能發生放電。因此信號的50Hz相關性明顯，100Hz相關性較弱。

導體上的毛刺放電可以看成一個點源向其四周發射球面波，其高頻分量直接往腔體傳播且衰減很大，而低頻分量向多個角度傳播，傳播路徑較遠，在殼體外較廣的范圍內都能接收到信號。而殼體上的毛刺信號較集中，在放電處信號最強，且高頻分量衰減較小。利用這一點可以通過減小濾波器的上限頻率來區分二者，信號變化不明顯表明是導體毛刺放電，變化明顯時表現是殼體上的毛刺放電。圖2給出了超聲波對兩種放電模式檢測的示意圖。除此之外，導體毛刺比位于殼體上相同毛刺的起始放電電壓低很多，在相同電壓下，前者的局部放電量和脈沖幅值也高于后者，其危險性較高。

圖2 毛刺放電超聲檢測示意圖

3.2 懸浮屏蔽

松動或接觸不良會引起電位懸浮，懸浮部位與導體之間存在耦合電容，相當于容性放電。圖3給出超聲檢測的示意圖。放電脈沖一般發生在電壓上升沿，在外施電壓的正負半周均能檢測，信號的100Hz相關性很強。由于耦合電容和放電時兩端的電壓差比較固定，因此隨著電壓的升高，放電量變化不大。檢測信號比較穩定，重復性強。

圖3 懸浮屏蔽超聲檢測示意圖

3.3 自由顆粒

如圖4所示，自由顆粒在電場力的作用下來回跳動，每次撞擊殼體都會產生一個寬帶的瞬態聲脈沖，與顆粒端部的局部放電信號相混合形成一個復合信號。放電信號的大小與金屬顆粒的位置有著密切的聯系，相比于殼體上的顆粒，絕緣子上的顆粒對電場的影響更為嚴重，在放電強度上明顯大于殼體顆粒。

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圖4 自由顆粒超聲檢測示意圖

3.4 絕緣子缺陷

絕緣子內部的氣隙放電工頻正負半周放電指紋基本對稱。放電脈沖一般出現在電壓幅值絕對值的上升部分，放電頻率依賴于所加電壓大小，只有在放電強烈時，才會擴展到電壓絕對值下降部分的相位上，且每次放電的大小不相等。

絕緣子表面的缺陷易形成表面放電，導致絕緣子表面的絕緣劣化，甚至擊穿。其放電特征是：在電流最大相位過零時發生小電荷的局放脈沖，隨電壓上升會出現不規則的脈沖。

4 GIS局部放電的現場超聲檢測

以上分析奠定了超聲檢測的理論基礎，而現場的測試診斷會受到電磁干擾、傳感器安裝位置、殼體環流等多種因素的影響，下面結合AIA儀器在現場測試中的應用對具體的診斷分析過程做下介紹。

4.1 傳感器的安裝

測試時利用聲耦合硅膠使傳感器與殼體接觸良好并保持靜止狀態，必要時用綁帶固定以保持一定的壓力。考慮到聲信號在經過絕緣子或法蘭時明顯衰減的特點，要求獨立的氣室、兩個法蘭之間至少有一個測量點。隔離開關、接地開關和斷路器的運動部件容易產生自由顆粒，可以對這些部位進行重點檢測，而自由顆粒在氣室中有向下運動的趨勢，一般把傳感器安裝在設備殼體的下方。

4.2 信號的測量與分析

AIA超聲波局部放電測試儀有連續、相位和脈沖三種測量模式。連續測量模式以水平柱的方式給出了一個工頻周期中放電信號有效值和峰值信號以及與信號與 50Hz、100Hz的相關程度；相位模式主要用來判斷放電和是否和工頻周期存在關系；脈沖模式針對顆粒故障，給出了信號幅值與飛行時間的關系。表1給出了典型缺陷的特征判據。

表1 典型缺陷的特征判據

在表1完成缺陷的初步定性的基礎上，可以根據具體的信號制定相應的維護策略。對于毛刺放電，若信號的峰值Vp＞2 mV即可密切監視或停電處理。對于懸浮屏蔽，除了信號幅值外，還應關注信號100Hz含量(Vf2)與50Hz含量(Vf1)的比值，引起密切關 注 的 判 據 為 ： Vf2/Vf1＞＞1 且 Vp＞20mV 或1＜Vf2/Vf1＜2且Vp＞100m V。對于自由顆粒，可通過脈沖模式進行危險性評估，如圖5所示，Vp＜500mV且t＜50ms和Vp＜150mV且 50ms＜t＜100ms 的斜線區域為安全區域。

圖5 自由顆粒危險性評估示意圖

4.3 測試注意事項

（1）有些缺陷形成了機械振動，但沒形成懸浮電位，信號不穩定，相位圖呈現多條豎線并在零點左右兩側均勻分布，此時建議加強監視或停電處理。

（2）由壓變鐵芯的磁滯伸縮現象引起的噪聲信號表現出一定的100Hz相關性，而線圈在電場作用下產生的熱噪聲也會使測量幅值變大，與懸浮屏蔽的特征圖譜類似，但其信號幅值很低，且三相測試結果一致，檢測時應注意區分以防止誤判缺陷。

5 診斷實例分析

在對某變電站 220kVGIS設備進行巡視時，發現B相某CT氣室有異音，超聲波檢測信號如圖6和圖7所示。

圖6 連續測量模式圖

圖7 相位測量模式圖

由圖 6可以看出，信號的峰值達到 20mV，信號的 100Hz含量遠大于50Hz含量。在圖7可以明顯看到一個周期內有兩簇信號集中點。根據表1可以判斷CT內部出現電位懸浮故障。

檢修人員與廠家協商后對設備進行了解體，如圖8所示， CT的電極較短，沒能完全進入適配孔中，并可見明顯的黑色粉末狀的 SF6氣體放電分解物。實踐證明了超聲波檢測GIS缺陷的有效性。

圖8 CT氣室放電圖示

6 結論

（1）本文分析了GIS典型缺陷的基本特征，為超聲波檢測、判斷設備故障提供了理論依據。

（2）本文給出了現場超聲波局放測試的注意事項和各種缺陷的特征圖譜和經驗判據，對于現場運行維護人員具有一定的參考價值。

（3）狀態檢修規程明確把運行中GIS局部放電測量作為例行試驗項目，診斷實例表明，超聲波法能有效的檢測GIS內部的局部放電信號，可以作為一條有效的監測手段長期開展，對于設備狀態評價具有重要的意義。

（4）由于絕緣體材料對聲波的高吸收性，超聲波法對于絕緣子內部缺陷反映不靈敏，可以結合超高頻法、化學檢測法以提高故障診斷的適用性和有效性。

[1]金立軍,劉衛東,錢家驪.GIS絕緣配合中的故障分析及診斷和檢測技術[J].中國電力,2002,35(3): 52-55.

[2]郭俊,吳廣寧,張血琴.局部放電檢測技術的現狀和發展[J].電工技術學報,2005,20(2): 29-35.

[3]肖燕,郁惟鏞. GIS中局部放電在線監測研究的現狀與展望[J].高電壓技術,2005,31(1): 47-49.

[4]黎大健, 梁基重, 步科偉等. GIS中典型缺陷局部放電的超聲波檢測[J].高壓電器,2009,45(1): 72-75.

[5]李信,李成榕,李亞莎等. 有限時域差分法對 GIS局部放電傳播的分析[J].中國電機工程學報, 2005,25(15): 150-155.

[6]苑舜.全封閉組合電器局部放電超聲傳播特性及監測問題的研究[J].中國電力, 1997,30(1):7-10.