GIS帶電檢測中超聲波干擾信號的多維度綜合分析方法研究

杜 偉，楊 勇，梅冰笑，董雪松，邵先軍

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

GIS帶電檢測中超聲波干擾信號的多維度綜合分析方法研究

杜 偉，楊 勇，梅冰笑，董雪松，邵先軍

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

超聲波局部放電檢測法被廣泛應用于現場GIS帶電檢測工作中，但該方法在現場實測時，受多種因素影響產生的干擾信號嚴重影響了缺陷診斷的準確性。通過對現場檢測的超聲波異常信號開展分析，綜合屏蔽法、相位法、時差定位法等手段對現場測試數據進行診斷。該方法可用于指導現場超聲波檢測時干擾信號的分析與排除。

GIS；超聲波；帶電檢測；局部放電；干擾信號

0 引言

GIS（氣體絕緣組合電器）因具有占地面積小、維護工作量少、絕緣性能優良、可靠性高等優點而被廣泛應用于高壓輸電領域。為保證GIS設備安全可靠運行，需對GIS進行周期性帶電檢測和日常維護[1]。

超聲波檢測法是最早應用于GIS設備局部放電帶電檢測的方法之一，積累了大量現場應用經驗。其檢測原理是：當GIS設備內部發生局部放電時，伴隨有超聲波信號的產生。使用耦合硅膠將超聲波傳感器貼附在GIS腔體上，通過壓電傳感器接收內部缺陷產生的超聲波信號（10～200 kHz），通過對聲波信號的診斷分析來判斷GIS內部是否有放電現象[2-3]。由于超聲波檢測受電磁信號干擾較小，且不受試品容量的限制，可以根據聲波信號對缺陷進行有效定位，該方法已經廣泛應用于GIS設備日常檢測、缺陷診斷中。

超聲波信號傳輸過程中衰減較大，信號失真嚴重，易受設備本身機械振動及環境噪聲的影響。此外，若超聲波測量儀器含有外置放大器，高頻電磁干擾信號會通過放大器裸露端口耦合進入儀器，在超聲信號采集分析儀上引起頻率較高的雜亂交變信號，從而影響有效信號的讀取與分析[4]。以上情況對超聲波測量的準確度均有嚴重影響，在現場超聲波測量中應引起重點關注。

近年來，國內外對GIS設備中典型缺陷局部放電超聲波檢測進行了大量的研究工作，主要集中在放電模式識別、放電點定位等方面，取得了一定的研究成果。然而，關于GIS設備現場帶電檢測中超聲波干擾信號的識別提及甚少。結合現場實測情況，對超聲波異常信號采用信號屏蔽、時差定位、相位定位等多種方法進行綜合分析，排查異常信號產生的原因，最終確認檢測到的異常信號屬于干擾信號，而非GIS設備故障引起的超聲波異常信號。在上述基礎上，提出了多手段綜合分析GIS帶電檢測中超聲波干擾信號的方法，以期為超聲波異常信號的分析診斷提供重要的依據。

1 超聲波干擾信號產生機理

在變電站進行現場特高頻、超聲波測試時，通常會受到變電站內局部放電產生的聲音點與EMI（電磁干擾）信號的影響。局部放電主要來自變壓器母線兩端耐張線夾處、高壓架空線路的耐張桿塔處、出線套管與線路搭接處、接地刀閘靜觸頭等位置。

EMI信號通常會影響試驗儀器采集信號的完整性與準確性，在現場試驗時應特別關注。EMI信號傳播途徑一般分為傳導耦合方式和輻射耦合方式。傳導耦合必須有完整的電路連接，信號通過導電介質傳遞到試驗儀器的敏感器，從而發生干擾現象。輻射耦合指EMI信號以電磁波的形式通過截止傳播，干擾能量按電磁場規律向周圍空間發射。常見的輻射耦合有3種：甲天線發射的電磁波被乙天線意外接收，稱為天線對天線耦合；空間電磁場經導線感應而耦合，稱為場對線的耦合；2根平行導線之間的高頻信號感應，稱為線對線的感應耦合。

超聲波檢測儀具有抗電磁干擾能力強的特點，但并非不受電磁干擾的影響，尤其是有外置放大器的檢測儀器，例如：Transinor AS廠家的AIA超聲波檢測儀，在高處進行超聲波測量時，EMI信號通過前置放大器的接口端子耦合進入試驗儀器，進而通過傳導耦合的方式傳至儀器敏感器，對儀器的測量信號產生影響。現場檢測時，常常使用鋁箔包裹外置放大器接口端子處，以屏蔽EMI信號。

變電站電暈放電亦會產生聲波信號，對現場GIS超聲波檢測造成干擾。由于這些聲波信號與GIS氣室內部局部放電形成的聲信號特征譜圖一致，難以分析，故現場測試時，需對異常信號進行比對，通過超聲波信號定位進一步確認。

超聲波信號幾乎無法通過盆式絕緣子從一個氣室傳播至相鄰的氣室。在同一氣室內，GIS局部放電發出的超聲波信號一般通過2條路徑傳播至傳感器：一條由局部放電源以縱波的形式直接傳播至GIS外殼，即直達波；另一條先通過縱波傳至GIS外殼，再以橫波的形式通過筒壁傳播至傳感器，此部分為復合波[5]。由于復合波通過筒壁傳播速度快且衰減大，往往先到達傳感器，但其幅值比直達波小很多，信號譜圖不明顯。在現場測量時，超聲波定位常常以直達波為準。

此外，設備正常工作狀況下，TV（電壓互感器）和TA（電流互感器）的內置繞組和鐵芯會產生周期性的交變電磁場，引起磁滯伸縮現象[6]。所謂磁滯伸縮現象，即為鐵磁性物質在外磁場作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉外磁場后，又恢復原來長度的現象。由于磁化狀態的改變，其磁性物質尺寸在各方向發生變化，產生振動現象。所以，現場超聲波測量中，若TV氣室和TA氣室的超聲波信號異常，應通過縱向、橫向比較的方式，對照歷史數據，綜合分析。

2 超聲波干擾信號數據及分析

2.1 電磁信號干擾

2.1.1 測量數據

在某500 kV變電站550 kV HGIS設備區域現場檢測時發現，某開關間隔A相隔離開關筒壁處超聲波信號異常，信號譜圖如圖1所示。由圖所知，超聲波局部放電信號有效值為0.25 mV，周期峰值為1.5 mV，在連續模式下，該測點信號具有一定的50 Hz/100 Hz相關性。

將超聲波探頭置于隔離開關A相附近空氣背景中，同樣存在超聲波異常信號，信號譜圖如圖2所示。由圖可知，超聲信號有效值為0.40 mV，周期峰值為1.9 mV，在連續模式下，具有一定的50 Hz/100 Hz相關性。

為排除外界電磁引起的超聲波干擾信號，用鋁箔包裹超聲波放大器接口，如圖3所示。

屏蔽外界電磁干擾信號后對隔離開關A相再次進行檢測，檢測結果如圖4所示。

圖1 隔離開關A相測點的超聲波信號譜圖

圖2 隔離開關A相附近空氣背景超聲波信號譜圖

圖3 鋁箔屏蔽后的放大器

由圖4可知，經過鋁箔屏蔽后，隔離開關A相所測信號明顯降低，有效值降為0.15 mV，周期峰值降為0.90 mV，連續模式下，50 Hz/100 Hz相關性減弱。

圖4 鋁箔屏蔽后隔離開關A相測點超聲波信號譜圖

2.1.2 數據分析

因檢測區域套管頂部存在明顯的電暈放電現象，現場電暈聲音清晰。隔離開關A相位于高處，超聲波測量時需要登高，測點距離檢測區域電暈放電套管頂部較近。將探頭置于隔離開關A相筒壁周圍空氣中，超聲波異常信號仍然存在，且信號幅值強于A相筒壁處測點超聲波信號。兩者信號相位譜圖特征一致，呈2條斜天線狀，屬于同源信號。

屏蔽超聲波放大器接口后，隔離開關A相筒壁信號幅值明顯變小，50 Hz/100 Hz相關性減弱，但由于無法完全屏蔽電磁耦合信號，超聲信號仍然存在。其相位譜圖與未屏蔽時筒壁周邊空氣中超聲信號相位譜圖特征一致，為同源信號。

因此，現場所測隔離開關A相處超聲波異常信號由檢測區域套管頂部電暈放電產生的電磁干擾信號耦合進入超聲波檢測儀前置放大器所致，為超聲波電磁干擾信號。

2.2 聲波信號干擾

2.2.1 測量數據

在某500 kV變電站252 kV HGIS設備區域進行超聲波檢測時發現，靠近接地刀閘靜觸頭的筒壁測點均存在超聲波異常信號。以某開關間隔為例，對其TA氣室、TA與隔離開關連接段氣室進行測量分析。測點位置分布如圖5所示。

TA測點（以下簡稱測點1）與連接段測點（以下簡稱測點2）的超聲波信號連續、相位譜圖如圖6所示。由圖可知，測點1處超聲波信號有效值為0.16 mV，周期峰值為2.5 mV，在連續模式下，50 Hz/100 Hz相關性較大；測點2的超聲波信號有效值為0.19 mV，周期峰值為2.1 mV，連續模式下，同樣具有較大的50 Hz/100 Hz相關性。2處測點的相位譜圖特征一致，具有同源性。

將超聲波探頭置于A相接地刀閘周邊的空氣背景中進行超聲波測量，同樣測得超聲波異常信號。空氣背景測點（以下簡稱測點3）的超聲波信號譜圖如圖7所示。由圖可知，測點3超聲波信號有效值為0.19 mV，周期峰值為2.2 mV，連續模式下，存在50 Hz/100 Hz相關性。

2.2.2 數據分析

比較圖6、圖7可知，實測TA處測點、連接段處測點與空氣背景中的超聲波信號相位譜圖特征一致，初步認為3處信號為同源信號，所測的超聲波異常信號為干擾信號。為確定干擾信號的類型，與相關標準（DL/T 1250-2013）、導則（Q/GDW 11059.1-2013）中所給出的典型譜圖進行了比對。根據圖8提供的典型GIS毛刺放電信號的超聲波相位譜圖可知，3處測點的相位譜圖與典型毛刺譜圖特征類似，呈毛刺放電特征。

為確定超聲波傳感器所測干擾信號的來源，采用相位角和時差2種方法來確定干擾源位置。對3個測點進行相位定位。各測點與線路接地刀閘靜觸頭間距離如表1所示。

圖5 開關間隔A相測點位置分布

圖6 測點處超聲波連續、相位譜圖

圖7 空氣背景測點超聲波信號譜圖

定位結果如圖9所示。由圖9可知，測點3相位角超前測點1相位角65°，測點1相位角超前測點2相位角28°。由此可知，超聲波干擾信號由線路A相接地刀閘發出，信號通過空氣傳至TA與連接段測點，TA測點先接收到信號。

圖8 典型毛刺放電相位譜圖

表1 測點與線路接地刀閘靜觸頭間距離

圖9 相位角定位圖

現場進行超聲波信號定位時，相位定位采用公式為：

式中：Δδ為相角差；Δx為距離差；v為聲速，即340 m/s。

按表1實測距離通過公式（1）進行相位換算，空氣背景信號相位角領先TA測點相位角80.36°，TA測點相位角領先連接段測點相位角26.63°。計算結果與實測結果基本一致，說明信號是先經空氣再傳播到GIS筒壁上。

為進一步確定超聲波異常信號來源，對連接段測點與空氣背景測點進行示波器時差定位。定位結果如圖10所示，其中CH1為連接段測點信號，CH2為空氣背景測點信號。由圖可知，CH2信號領先CH1約5.7 ms。通過時差定位公式（2）計算：

式中：Δx為距離差；Δt為時間差；v為聲速。

圖10 時差定位

由結果可知，2個測點間距離為1.952 m，與實測距離差2.021 m接近（如表1所示）。故確定干擾源位于A相接地刀閘靜觸頭處，干擾信號經空氣傳播至GIS筒壁。

綜上所述，現場實測超聲波異常信號為干擾信號，信號類型呈毛刺放電，由測量筒壁附近A相接地刀閘靜觸頭處傳出。

2.3 設備自身信號的干擾

2.3.1 測量數據

在某500 kV變電站252 kV GIS設備區域內進行超聲波檢測時發現，TV氣室均存在超聲波異常信號。以某開關間隔TV A相氣室為例，測量分析。現場測量中，超聲波背景信號有效值為0.15 mV，周期峰值為0.54 mV，無頻率分量，背景信號正常。TV A相氣室超聲波信號譜圖如圖11所示，測點處超聲波信號有效值為0.18 mV，周期峰值為0.87 mV，在連續模式下，存在50 Hz/100 Hz相關性。

2.3.2 測量分析

現場測量中背景信號正常，TV A相測點存在超聲異常信號。為確定超聲波異常信號類型，與相關標準（DL/T 1250-2013）、導則（Q/GDW 11059.1 -2013）中所給出的典型圖譜（如圖12所示）進行比對。可知，開關間隔TV A相測點的超聲波相位譜圖與典型振動圖譜特征基本類似，呈內部機械振動特征。

由于所測變電站252 kV設備區域內TV氣室均存在超聲波異常信號，譜圖特征一致，說明該站的252 kV GIS TV的超聲波信號不是由內部缺陷引起，而是由設備自身結構引起的。

3 結語

現場超聲波測量時，應及時參考歷史數據，橫向、縱向比對，進行多維度綜合分析，排除潛在的超聲波干擾信號，提高現場檢測的準確性。

對有前置放大器且進行高處測量的情況，需重點關注電磁信號的干擾。經過大量的現場測量，認為圖2中的信號譜圖為典型的電磁干擾信號譜圖，頻率分量明顯，且100 Hz分量大于50 Hz分量，相位譜圖呈2條斜天線狀，有一定的傾斜角。

若GIS筒壁中存在的異常信號相位譜圖與DL/T 1250-2013，Q/GDW 11059.1-2013中給出的典型異常信號相位譜圖特征相似，且測點空氣背景中存在相同的超聲波信號，則初步斷定為干擾信號，需通過相位法、時差法進一步確定信號來源，判斷是否為干擾信號。

GIS設備中TV和TA中檢測到的超聲波振動信號，若有效值小于0.5 mV，周期峰值小于1.5 mV，頻率分量較小，則該信號為設備自身特殊結構引起的磁滯伸縮現象所致，可不做處理。若信號幅值大于上述值，需進一步測量分析。

圖11 TV A相測點處超聲波連續、相位譜圖

圖12 典型機械振動相位譜圖

[1]司文榮，黃華，傅晨釗，等.超聲檢測進行氣體絕緣組合電器典型絕緣缺陷識別[J].高壓電器，2011，47（12）∶11-18.

[2]LUNDGAARD L E.Partial dischargeⅩⅢ∶Acoustic partial discharge detection-fundamental considerations[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine，1992，8（4）∶25-31.

[3]李燕青，陳志業，劉云鵬，等.超聲波法進行變壓器局部放電模式識別的研究[J].中國電機工程學報，2003，23（2）∶108-111.

[4]李穎.GIS局部放電超聲檢測技術的研究及應用[D].大連：大連理工大學，2014.

[5]劉君華，姚明，黃成軍，等.采用聲電聯合法的GIS局部放電定位試驗研究[J].高電壓技術，2009,35（10）∶2458 -2463.

[6]張紅菊.稀土超磁致伸縮電流互感器的研究[D].西安：中國科學研究院西安光學精密儀器研究所，2008.

（本文編輯：徐 晗）

Research on The Multi-dimensional Comprehensive Analysis Method of Ultrasonic Interference Signal in Live Detection of GIS

DU Wei，YANG Yong，MEI Bingxiao，DONG Xuesong，SHAO Xianjun

（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Ultrasonic-based partial discharge detection method is widely used in live detection of field GIS. But in actual field detection，the accuracy of defect diagnosis of this method is seriously affected by the interference signal due to various factors.In this paper，the abnormal ultrasonic signal in field detection is analyzed，and through the shielding method，phase method，time difference location method the field test data are diagnosed.The method can be used to direct the analysis and elimination of interference signal in field ultrasonic detection.

GIS；ultrasonic；live detection；partial discharge；interference signal

TM835.3

B

1007-1881（2016）10-0001-06

2016-03-28

杜 偉（1988），男，工程師，從事電力系統高壓試驗工作。