GIS設備超聲波局部放電帶電測試方法及故障分析

朱 毅，吳建軍，劉 旭，李 博，王世民，周桂平

（1.國網錦州供電公司，遼寧 錦州 121000；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；3.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

GIS設備超聲波局部放電帶電測試方法及故障分析

朱 毅1，吳建軍2，劉 旭1，李 博1，王世民1，周桂平3

（1.國網錦州供電公司，遼寧 錦州 121000；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；3.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

GIS超聲局放技術是帶電測試GIS設備局放的試驗方法之一，通過對缺陷的檢測和分析，可以判斷故障點位置和故障性質，提高GIS設備的故障診斷水平，保障電力系統的安全、可靠、穩定運行。介紹了超聲波局部放電帶電測試的原理、方法、典型圖譜及判斷依據，通過輔助檢測手段和圖譜診斷，分析了某220 kV罐式SF6斷路器超聲局放異常的原因，并通過解體檢查確認了故障點位置。

GIS；超聲波局部放電；典型圖譜；數據分析

GIS氣體絕緣金屬封閉開關設備（組合電器）誕生于20世紀60年代，是由斷路器、隔離開關、接地開關、避雷器、電壓互感器、電流互感器、套管、母線、連接管多種高壓電器組合在一起，并全部封閉在接地的金屬外殼內，殼內充以一定壓力的SF6氣體作為絕緣和滅弧介質［1-2］。其優點是小型化、封閉式、占地面積小、運行維護工作量少、檢修周期長、安全可靠性高且不受環境污染和高海拔的影響。因此，GIS在電力系統的能量傳輸中得到廣泛應用［3］。

GIS設備內部電場強度較高，細微的隱患都可能發展成故障，一旦GIS設備出現故障，就會造成停電面積大、停電時間長、維修費用高等嚴重后果。GIS典型缺陷包括局放缺陷（空穴放電和懸浮電位放電）、電暈缺陷（電暈放電）和自由金屬顆粒缺陷（自由金屬顆粒放電）［4］。為準確反映GIS設備的狀態及運行情況，應對GIS設備采用有效的絕緣監督手段。

1 GIS設備超聲波局部放電帶電測試原理及方法

GIS設備內部產生局部放電信號時，會產生沖擊的振動及聲音。超聲波法（AE，又稱聲發射法）通過在設備腔體外壁上安裝超聲波傳感器來測量局部放電信號。該方法的特點是傳感器與電力設備的電氣回路無任何聯系，不受電氣方面的干擾，但在現場使用時易受周圍環境噪聲或設備機械振動的影響。由于超聲信號在電力設備常用絕緣材料中的衰減較大，超聲波檢測法的檢測范圍有限，但具有定位準確度高的優點。

當設備內部發生局部放電時，在放電區域中，分子間的撞擊會非常劇烈，這種撞擊在宏觀上表現為一種壓力。由于局部放電是以脈沖的形式表現出來，因此產生的壓力波也是脈沖形式，即產生了聲波。聲波是一種機械振動，當聲波頻率超過20 kHz時稱為超聲波。考慮到局部放電區域很小，局放源通?？煽闯牲c聲源。

GIS設備局部放電超聲波檢測的圖譜有連續檢測、時域波形檢測和相位檢測3種模式，具體如下：

a.連續檢測模式反映且能準確地讀出超聲波局部放電的有效值、峰值和指定頻率成分的實時數值；

b.時域波形檢測模式反映幾個周期的連續全電壓波形，從中可以分析出1個以上周波為周期的缺陷；

c.相位檢測模式是收集了單位時間內1個周期頻域范圍內1 000個瞬時全電壓值采樣點的打點圖，通過全電壓值在頻域上的分布情況來分析故障缺陷。

2 GIS設備典型缺陷

a.局放缺陷。該類缺陷主要由設備內部部件松動引起的懸浮電極（既不接地又不接高壓的金屬材料）、絕緣內部氣隙、絕緣表面污穢等引起的設備內部非貫穿性放電現象，該類缺陷與工頻電場具有明顯的相關性，是引起設備絕緣擊穿的主要威脅，應重點進行檢測［5-6］。

b.電暈缺陷。該類缺陷主要由設備內部導體毛刺、外殼毛刺等引起，主要表現為導體對周圍介質（如SF6）的一種單極放電現象，該類缺陷對設備的危害較小，但在過電壓作用下仍會存在設備擊穿隱患，應根據信號幅值大小予以關注。

c.自由金屬微粒缺陷。該類缺陷主要存在于GIS中，主要由設備安裝過程或開關動作過程產生的金屬碎屑引起。隨著設備內部電場的周期性變化，該類金屬微粒表現出隨機性移動或跳動現象，當微粒在高壓導體和低壓外殼之間跳動幅度加大時，則存在設備擊穿危險，應予以重視。

2.1 缺陷判據（見表1）

表1 缺陷判據

2.2 典型缺陷圖譜（見圖1～圖4）

3 GIS設備故障診斷分析

3.1 故障現象

為確保高壓開關設備的安全運行，國網遼寧省電力有限公司對所轄的220 kV及以上電壓等級變電站內GIS、罐式斷路器設備用超聲法進行周期性帶電巡檢。試驗人員用PD-208型超聲檢測儀對某500 kV站罐式斷路器進行試驗時，發現型號為HGF1014F3的220 kV斷路器A相極內超聲波探測結果異常，測量波與背景值相差較大，峰值差異達5.2倍，并且50 Hz和100 Hz的相關性均較強。

圖1 背景噪聲典型圖譜

圖2 局放缺陷典型圖譜

圖3 電暈缺陷典型圖譜

圖4 自由金屬微粒缺陷典型圖譜

3.2 故障分析

為分析異常原因及故障點位置，試驗人員決定對異常設備進行SF6氣體分解物檢測和超聲局放檢測綜合分析，并對同線路正常相進行對比分析。試驗人員在A相罐式斷路器每側面分別選擇上左、上右、下左、下右4個位置、共計8個測試點，并用PD-208型超聲檢測儀逐點進行測試。為表述簡潔，本文僅列舉2個測試點，見圖5。

圖5 超聲局放測試位置示意圖

測試結果表明，異常點位于A相極位置“1”的下部，當操作從“1”位置向“2”位置方向移動時，監測值的異常結果逐步減小。對A相的位置1和位置2處分別測試后的波形測量值見圖6，其中紅色為取自構架的背景波形，白色為測試信號。

圖6 短路器A相測試結果

分析測試結果可知：信號圖譜幅值高且穩定，信號與50 Hz相關性弱，與100 Hz相關性強，每個周波內峰值脈沖連續、不規則；同一水平帶上，位置1的幅值明顯高于位置2，信號最大值出現在位置1的下半部，整個測試過程中斷路器本體上半部信號幅值均小于下半部。在罐式斷路器內部，局部放電產生的電脈沖和部件松動引起的機械振動均能產生幅值異常的超聲信號，為確定故障類型，對該斷路器進行了SF6氣體分解物測試，測試結果見表2。

表2 斷路器A相SF6氣體分解物測試結果

故障斷路器SF6氣體分解物測試結果正常，表明該斷路器內部未經受電弧放電，綜合超聲局放圖譜特征，初步認為操作斷路器是機械振動導致零件松動?；谠摦惓２坏湫?，且為了線路運行的安全，決定對該相斷路器進行拆解、檢查分析。

3.3 解體檢查

經商討，設備運行單位和設備廠家對該斷路器進行了解體檢查，主要檢查罐體內各零部件狀態及螺絲緊固力矩，包括導電桿、觸頭連接、積塵板、絕緣棒及罐體內清潔情況。發現積塵板表面有極少的顆粒物，螺栓緊固良好，力矩合格，未發現異常松動現象。在拆卸積塵板的固定螺釘前，輕拍積塵板，隱隱聽到有輕微震顫聲。經過仔細拍打研究，認為該聲音是由積塵板發出，可能是積塵板與罐體內的安裝臺階邊緣輕微刮擦所致（圖7中紅色圈為出現震顫碰撞的積塵板位置）。

圖7 積塵板解體檢查照片

檢查結束后，對罐體內部使用吸塵器進行吸塵，并對零部件進行清潔；然后安裝、調整、緊固積塵板，再次進行輕敲試驗，震顫聲消失；最后，更換吸附劑和密封圈后恢復、安裝端蓋。

分析結果為該故障斷路器超聲信號異常為積塵板與罐體內的安裝臺階邊緣輕微刮擦所致。

4 結論

a.可在GIS運行狀態下進行測試，對實施狀態檢修具有極其重要的意義。

b.超聲波檢測主要采用20 kHz以上頻帶，可不受外部噪聲的干擾。但檢測過程中，應注意避免敲打被測設備，防止外界振動信號對檢測結果造成影響。

c.使用超聲波局放檢測可通過測得的連續波形、相位波形、原始波形對GIS內部典型絕緣缺陷進行識別。

d.通過本次故障表明超聲波局放檢測還應輔以化學法等其他方法聯合確定故障性質。

e.雖然超聲放電信號通過絕緣介質衰減較嚴重，靈敏度較差、定量分析較困難，但現場檢測實踐表明，當處于某一發展階段的缺陷主要反應為振動信號時，超聲波檢測方法發現缺陷具有一定優勢，且能夠較精確地進行故障定位。

f.作為一種方便的帶電檢測手段，超聲波局放檢測能有效地發現設備內部存在的問題，是一種實用性高的非電量檢測方法。

g.鑒于該缺陷為制造安裝工藝引起的，建議運維檢修部門在GIS設備交接試驗時即進行超聲檢測，以便及早發現此類缺陷，且應及時對同型號、同廠家的斷路器重點進行超聲檢測，檢查是否還有此類缺陷存在，并及時處理。

［1］ 李景祿.高壓電氣設備試驗與狀態診斷［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［2］ 杜貴和，王正風.電力系統元件經濟運行指標的統一［J］.東北電力技術，2013，34（8）：15-18.

［3］ 張新宇，姜萬超，蔣大偉.遼寧省城市配電網配電變壓器經濟運行統計分析［J］.東北電力技術，2012，33（12）：43 -48.

［4］ 李齊森.提高供電可靠性的方法［J］.東北電力技術，2010，31（7）：34-36.

［5］ 王風雷.電力設備狀態新技術應用案例精選［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［6］ 劉豐文，曹力力，姚建鋒.GIS設備超聲波局部放電帶電測試研究［J］.湖州師范學院學報，2011，33（6）：31-34.

The Ultrasonic Charged Partial Discharge Test Method and Fault Analysis of GIS Equipment

ZHU Yi1，WU Jian?jun2，LIU Xu1，LI Bo1，WANG Shi?min1，ZHOU Gui?ping3
（1.State Grid Jinzhou Power Supply Company，Jinzhou，Liaoning 121000，China；2.State Grid of Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

GIS ultrasonic PD technique is one of the testing method of charged GIS equipment testing of partial discharge.Detection and analysis of defects can identify the fault position and fault properties，improve the level of fault diagnosis of GIS equipment.To en?sure safe，reliable and stable operation of power system，it introduces the principles，methods and typical spectra and judgment of ul?trasonic charged partial discharge test.By auxiliary examination method and spectrum diagnosis，it analysed abnormal reasons of a 220 kV tank SF6breaker ultrasonic PD and confirmed the fault location by the disintegration test.

GIS；Ultrasonic partial discharge；Typical spectra；Data analysis

TM595

A

1004-7913（2015）01-0033-04

朱 毅（1976—），男，高級技師，主要從事電力試驗及相關技術管理工作。

2014-09-10）