GIS超聲波局部放電檢測技術的應用分析

王萬寶 李永寧 周迎新 楊琦欣 綦 巍

（濟南供電公司，濟南 250023）

氣體絕緣金屬封閉組合電器（GIS）具有結構緊湊、占地面積小、安裝工作量小、檢修周期長等優點[1]。但GIS在投入運行后，缺乏有效的維護手段，一旦發生事故，危害后果比分離式敞開設備嚴重的多，其中絕緣故障類最多[2-4]。故障檢修周期長，修復復雜，因此對GIS的維護相當重要。根據CIGRE聯合工作組33/23.12對GIS設備調查結果統計，通過有效試驗，可以避免的故障為60%，GIS的故障率可降低至小于0.1%（即每千個間隔，每年一次故障）[5]。局部放電是GIS絕緣劣化的征兆和表現方式，又是絕緣進一步劣化的原因，所以開展局放測試是診斷GIS早期絕緣狀況的重要手段[6]。

超聲波法作為目前現場檢測較為有效的方法，但缺少現場檢測經驗和實際數據。本文主要分析超聲波法在新安裝GIS交接試驗及故障處理中的實際應用研究。分析研究在GIS交流耐壓試驗時開展超聲波局部放電測試應根據GIS的不同結構形式來選擇試驗電壓值和加壓時間；以懸浮缺陷為例，通過對GIS故障設備解體檢查以驗證超聲波法試驗數據分析判斷及定位的準確性。

1 超聲波局放檢測原理

在GIS內部發生局放時，產生的電荷在中和過程會激發較陡的電流脈沖，使得放電局部區域瞬間受熱而膨脹，放電結束后膨脹區域會縮回原來體積。這種由于局部放電產生的體積變化引起了介質的疏密瞬間變化，形成超聲波[7]，以彈性波的形式釋放出能量。

根據聲波的傳播特性，采用超聲傳感器在20～100kHz的工作頻段，接收以橫波形式傳輸到外殼上的放電信號，然后對信號進行預放大，用帶通濾波器完成信號濾波，再經過再放大、檢波、平滑濾波、產生跟蹤濾波線路輸出頂部的信號、接收來自包絡線發生器的信號來完成峰值、頻率分量等檢測。具體檢測原理如圖1所示。

圖1 超聲波局部放電檢測原理

2 GIS交流耐壓試驗時超聲波局放測量

GIS現場交流耐壓試驗能有效地檢查內部導電微粒的存在、絕緣子表面污染、電場嚴重畸變程度等故障。但現場經驗表明，交流耐壓試驗能檢測出使GIS的實際耐受電壓降低到耐壓值以下的缺陷，且僅對GIS內部存留的導電顆粒特別敏感，并不能徹底發現并消除GIS設備中的某些微小缺陷，如GIS中固體絕緣材料內部的微小缺陷、導體接觸不良等[8]。這些微小缺陷產生的局部放電在短時存在并不影響到電氣設備的絕緣強度，但在正常運行電壓下不斷發生放電，這些微弱的放電就會產生積累效應會使絕緣的介電性能逐漸劣化并使局部缺陷擴大，最后導致整個絕緣擊穿。因此采用超聲波法測試GIS局放可作為GIS設備交流耐壓試驗的一種補充，不僅可以有效地檢測出隱藏在設備內部的絕緣弱點或生產過程中造成的缺陷，而且可以準確地判斷試驗過程中發生非自恢復放電或擊穿故障的確切部位。

GIS交流耐壓試驗程序分為“老練凈化”和耐壓試驗兩個階段，加壓順序為工作最大相電壓、系統運行最高電壓和耐壓試驗電壓值[1]。要在GIS交流耐壓試驗時開展超聲波局部放電測試應根據GIS的結構形式來選擇試驗電壓值和加壓時間。GIS結構形式分為三相共箱和三相分箱兩種。

對于大多數110kVGIS、220kVGIS母線為三相共箱結構型式。從絕緣設計及絕緣配合目的來說，除考慮各種過電壓外，應考慮持續工頻電壓對絕緣的影響，代表性的持續工頻電壓等于系統最高電壓Us。絕緣結構在運行過程中，要求必須能夠長期連續的運行在工頻最高運行電壓[2]。對絕緣配合程序，最重要參考電壓是設備最高電壓Um，且Um≥Us[9]。因此三相共箱式GIS應選擇試驗電壓為系統運行最高工作電壓Us。在此階段的交流耐壓可認為考察GIS相間的絕緣水平，與實際運行情況相近，此時所測的局部放電信號特性也比較明顯，其局放水平可作為GIS在運行狀態下的局放水平檢測的參考。由于交流耐壓試驗使介質發生破壞性放電的電壓值可以用交流電壓峰值來表示[10]，以110kVGIS為例，即155.5kV，系統最高運行電壓（126.5kV）低于破壞性放電的電壓值（155.5kV），所以在系統最高運行電壓時屬非破壞性試驗，建議適當延長在系統最高電壓下的耐壓時間，加強局放檢測密度。

對于 220kV GIS斷路器三相分箱的結構形式，主要考察GIS相對地的絕緣狀況。如果帶母線（多為三相共箱）進行交流耐壓試驗，斷路器等三相分箱的GIS承受不了系統最高運行交流電壓，因此對三相分箱的GIS 應以工作最大相電壓為準，即在“老練凈化”階段進行局放測試。此時進行超聲波檢測可能會檢測到較強的局部放電信號，但多是金屬毛刺等微小顆粒在灼燒過程中的放電，應延長局部放電測試時間，可延長至1～2h以更準確的認定該信號是否是設備存在缺陷故障。對于三相共箱的母線在此電壓下與GIS實際運行環境相差較大，所施電壓可能未達到某些局放的起始電壓，并不能代表設備實際運行的局部放電水平。

在耐壓試驗階段時如果發現在老練階段未發現的局部放電信號，但通過了交流耐壓試驗，可認為絕緣合格。因為GIS設備運行電壓只在瞬時過電壓時有可能達到耐壓值，即使存在該電壓下的局部放電，因其放電能量很小，它的短時存在不會影響到設備電氣設備的絕緣強度。同時由于1min交流耐壓試驗本身會損壞絕緣，所以耐壓試驗階段不宜多次或延長耐壓時間進行超聲波局放檢測。

超聲波法局放測試點應選擇斷路器斷口處、隔離開關、接地刀閘、電流互感器、電壓互感器、避雷器、導體連接部件等處的氣室側下方，認真觀察不同部位的超聲信號在連續模式下的有效值、峰值、及工頻和兩倍工頻的調制強弱。根據現場經驗，一般情況下可認定信號的有效值及峰值小于 5mV且50Hz/100Hz相關性較弱時，GIS設備內部不存在絕緣微小缺陷；當信號的有效值及峰值超過20mV或出現明顯的50Hz/100Hz調制相關性時，說明設備內部存在某種絕緣缺陷，應根據信號的不同特征進行故障定位排查。

在現場交流耐壓條件下進行超聲波局放測試，彌補交流耐壓試驗的不足。它可以有效地判斷GIS中的絕緣水平，及時發現其內部缺陷，為GIS設備在投運后的安全運行提供了行之有效的保障。

3 GIS運行環境下超聲局放測量

目前濟南供電公司運用挪威AIA型GIS內部故障與局放分析定位儀積極開展運行GIS設備的局放普查。普查結果證明GIS在運行環境下存在局部放電的機率遠高于設備安裝及擴建時的機率。普查中發現的缺陷均是因懸浮放電造成的，可見懸浮屏蔽類型缺陷在GIS設備故障中占比重相當高。現將GIS中典型懸浮屏蔽缺陷局部放電的超聲波信號檢測、故障定位、故障診斷過程做詳細分析，并通過對GIS設備解體檢查來驗證試驗數據分析判斷及定位的準確性。

某110kV變電站進行巡視過程中，發現101高壓斷路器在運行中聲音增大，隨即展開超聲波測試：GIS背景噪聲為2mV，放大器40dB，測量帶寬為 10～100kHz。采用基于信號幅值變化法進行超聲波法定位：首先將傳感器接近于初估聲源處（101開關 A相機構連桿處）測量數據為約500mV；然后將傳感器位置至于在A相下法蘭處，采集到的超聲信號幅值接近750mV，當傳感器至于A相其他位置時均比法蘭處信號幅值低。測量B相相同位置的超聲信號幅值為15mV，再測量C相相同位置的超聲信號幅值為6mV。可見當傳感器位置越偏離A相法蘭處，采集到的信號水平越微弱，可定位故障存在于101開關A相法蘭處。記錄該處在連續模式和相位模式下檢測到的超聲波局放信號如圖2和圖3所示。

圖2 連續模式下局放信號

圖3 相位模式下局放信號

主要從以下6個方面進行現場超聲波信號進行分析：①信號在連續模式下幅值：從圖2可以看出，局放信號的有效值達到120mV，峰值接近720 mV，峰值因數為6。其有效值和峰值明顯增大，說明內部存在較大的放電；②50Hz和100Hz信號調制相關性：信號與100Hz相關性強烈，與50Hz相關性較弱，Vf2/Vf1≈2，放電信號主要表現為倍工頻周期信號，說明在高壓作用下某處因松動、開路等產生震動信號，存在懸浮故障；③相位模式信號：一個周期內會有兩簇較集中的信號聚集點，工頻信號正負半周均能檢測到放電信號；從幅值與相位的關系分析，放電脈沖點陣主要集中分布在接近峰值的相位上，說明內部存在由于松動或接觸不良形成的耦合電容引起懸浮電位，當電壓超過電容的耐壓值時發生大規模放電；④濾波器的頻段相應情況：選用50kHz時，采集信號數值略有下降，與100kHz時相比較，其幅值變化不大。超聲波信號在不同介質中傳播特性是在帶電導體、金屬外殼上由于介質吸收效應導致高頻信號衰減較小，在環氧樹脂絕緣中對信號有高吸收性[16]。所以測的信號高頻分量衰減不大，說明放電位置靠近導電體；⑤測試點的分布情況：放電衰減范圍分布面積較大，也符合導電體放電的傳播特征；⑥放電現象是間歇式的，約間隔20～50s，放電持續30～90s左右。綜上所述，可確定101開關A相法蘭處內部存在松動或開路放電現象。

經停電解體檢修，發現斷路器上部瓷套法蘭內部CT引線絕緣均壓環松動，均壓環形成溝槽且絕緣部位已經存在嚴重電蝕磨損如圖4、圖5所示。

圖4 導管電蝕嚴重

圖5 導管均壓環懸浮放電形成的溝槽

正是由于CT引線均壓環松動，與引線導桿耦合出一個電容，導致容性放電。更換均壓環后，跟蹤測試均無異常。

該案例驗證了根據超聲信號幅值增減變化可很好地對放電點定位，并且根據超聲波局放信號特征進行數據分析、故障定位及故障類型判斷的正確性。實踐證明超聲波法局放檢測是診斷 GIS絕緣狀況的有效手段。

4 結論

本文在介紹GIS局部放電檢測方法原理的基礎上，分析了超聲波法在新安裝GIS交接試驗中的實際應用，提出應根據GIS結構形式來確定交流耐壓下開展局部放電測試的試驗電壓和時間，加強局放測試密度，有效彌補了交流耐壓試驗的不足；分析了典型懸浮放電缺陷的超聲波信號檢測、定位、故障診斷過程，通過對GIS故障設備解體檢查驗證了對試驗數據分析判斷及定位的準確性。現場實踐表明采用超聲波局放測量能夠對GIS設備進行有效、靈敏的狀態監測、故障診斷，從而實現對GIS設備的有效管理，更好的保障電網安全運行。現場成功經驗為GIS設備超聲檢測技術的推廣和缺陷診斷提供了一定借鑒作用。

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