基于超聲波/特高頻技術GIS帶電檢測方式改進

四川省電力公司檢修公司變電檢修中心 汪鑫 鄭衛賓

基于超聲波/特高頻技術GIS帶電檢測方式改進

四川省電力公司檢修公司變電檢修中心 汪鑫 鄭衛賓

本文簡述了超聲波法、特高頻法測量GIS局部放電的基本原理，利用超聲波法對GIS進行快速普測，對比分析了連續模式下、原始波形模式下、相位模型下放電圖譜特征，結合特高頻PRPS、PRPD及相位圖譜特征，確定其放電類型，通過超聲或特高頻幅值法對放電源進行初步定位。

超聲波；特高頻；聲電聯合；局部放電

0 引言

氣體絕緣金屬封閉組合電器（Gas Insulated Substation，簡稱GIS）是以SF6作為絕緣介質的一種金屬封閉開關設備，也稱為氣體絕緣變電站[1]。它具有占地面積少、可靠性高、檢修周期長、安裝方便等優點，被廣泛用于高壓輸電領域[2]。隨著特高壓電網的發展，電壓等級和系統容量的逐漸提高，GIS故障時有發生，且多數故障由絕緣缺陷引起[3]。

目前國內外主要通過特高頻/超聲波法（UHF/AE法）測量局部放電來有效評估GIS內部缺陷[4-5]。研究表明，GIS內部局放可分為自由金屬顆粒、電暈放電、懸浮放電及氣隙放電這四種類型。超聲波法對自由金屬顆粒、電暈放電、懸浮放電及機械振動較為敏感，特高頻法對電暈放電、懸浮放電及氣隙放電的檢測效果顯著[6-11]。但發電廠，變電站中不同電壓等級、不同設備集中分部，形成復雜的電磁環境，對超聲波/特高頻測量造成干擾。尤其當GIS外部存在局放干擾時，檢測儀器本身具備的抗干擾措施效果不明顯，難以確定干擾源位置，不能判斷信號是否來自內部。同時，國內GIS帶電檢測的應用起步較晚，各地帶電檢測水平發展不均，行業內缺乏統一的局部放電檢測標準，GIS設備眾多局部放電檢測工作量大、效率不高，缺少快速準確的局放診斷流程。本文在大量現場GIS帶電檢測的基礎上，選取330kV某變電站某刀閘與進線套管連接氣室內尖端放電為例，進行帶電檢測普測、復測，通過聲電聯合法對放電源進行厘米級精確定位，確認其放電類型、嚴重程度并提出檢修建議，總結出快速有效的局放診斷流程，實際檢測中發現優先采取超聲波的檢測方法更為有效。

1 局放檢測方法

1.1 特高頻法

區別于傳統的脈沖電流法，特高頻法（Ultra High Frequency，簡稱U H F）利用頻段為3 0 0-1500MHz信號接收天線，接收通過GIS殼體、空氣、絕緣油等介質傳播出來的電磁波信號來檢測局放。特高頻信號通過信號放大器處理后傳輸至主機，由主機CPU進行數模轉換，通過顯示界面呈現給用戶，在干擾信號較多時可在放大器前端加裝濾波裝置。特高頻法具有抗干擾能力強、可進行放電源定位、對電磁信號敏感等優點，其檢測設備組成及實物如圖1所示。測試人員將所得PRPS、PRPD及相位圖譜與典型放電圖譜對比分析，判段放電類型，診斷嚴重程度，同時為進一步定位分析提供依據。特高頻定位法有幅值定位、時差定位及平分面定位法等，在此不贅述。

圖1 特高頻檢測設備組成失意圖及檢測儀器

圖2 GIS內部典型缺陷

1.2 超聲波法

電力設備內部產生局部放電信號的時候，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。超聲傳感器的頻帶為20kHz-100kHz，能有效的避開低頻段的聲波干擾。由于聲波的傳播速度比電磁波慢很多，因此可以通過測量聲波間的時差，對放電源進行準確定位，同時可以檢測部分非電磁信號。超聲波測量儀器通常由超聲傳感器、同軸電纜、放大器、測試主機及相關附件（如絕緣支撐桿、耳機、綁帶等）構成。測試人員將測得超聲連續圖譜、原始波形及相位圖譜與典型放電圖譜對比分析，可判斷放電類型，診斷嚴重程度，進行幅值初步定位。超聲定位法有幅值法、時差法等。

1.3 聲電聯合法

為充分利用超聲波法和特高頻法的優勢，在實際中對放電源進行精確定位時，可同時將多個特高頻和超聲波傳感器經放大器接至示波器，通過示波器觀察放電源的原始波形。電磁波傳播速度接近光速，遠高于超聲在不同介質中的傳播速度，因此可以利用特高頻信號與超聲波信號的時間差來進行放電源定位，此種方法即為聲電聯合法。聲電聯合法使超聲波法與特高頻法互補，更準確的進行空間定位。

2 放電類型

研究表明[12-14]，GIS內部缺陷常見的有：內部殼體上突出毛刺、盆式絕緣子表面顆粒、盆式絕緣子內部氣隙、懸浮電極、導體上及腔體中自由金屬顆粒，如圖2所示。

以上常見局放缺陷可歸納為四種放電類型[15-17]：自由金屬顆粒、電暈放電、懸浮放電及氣隙放電。其中，特高頻法能夠靈敏發現金屬懸浮、針尖、表面爬電、絕緣內部缺陷放電，靈敏度高，對較大的金屬顆粒放電能夠發現，可進行定位分析，對尖端放電等長間隙放電相對不敏感；超聲波法對GIS外殼的局部放電靈敏度較高，當有較強的內部金屬懸浮、針尖的局部放電時也能夠測到，采用非電量測試方法，抗電場干擾能力強，定位準確；而聲電聯合法較好的利用了各自優點，更精確的進行放電源定位。

3案例分析

圖3 超聲波異常點連續及原始波形

2016年6月14日，在進行330kV某變電站帶電檢測時，發現#2主變1102開關間隔的11026刀閘氣室至進線套管氣室存在明顯超聲信號，信號50Hz及100Hz相關性明顯，并且具有極性效應。6月18日對該氣室復測，超聲信號依然存在，同時檢測到特高頻信號且具有典型放電圖譜特征。經綜合分析，判斷該氣室內部（靠近套管盆子附近）存在尖端放電缺陷。

圖4 超聲波局部放測點相位圖譜（左為測點1、右為測點2）

圖5 超聲復測點位置

3.1 超聲波法普測

2016年6月14日，用超聲波法對330kV某變電站110kVGIS進行帶電檢測，發現#2主變1102開關間隔的11026刀閘氣室至進線套管氣室存在明顯超聲信號（超聲信號放大為60dB）。超聲檢測點為刀閘氣室至進線套管氣室之間選取任意1-3點，其中背景測試點為套管氣室支撐構架（背景1）及異常點附近空氣（背景2）。

在獲得測試點1-3的連續圖譜和原始波形后，發現測試點1-3的圖譜與背景相比有明顯異常。連續圖譜上看異常點1、3信號有50Hz、100Hz工頻相關性，原始波形顯現出極性效應。檢測結果如圖3所示。

提取檢測點1-3及背景點1-2的連續圖譜數據，如表1所示。對比發現點1、3具有較大的有效值及峰值，分別達到4.7mV、26.12mV和4.7mV、26.25mV，峰值與背景1差值達到23.97mV、24.1mV。這一差值對于放電缺陷已相當顯著。同時，點1、3呈現出明顯的工頻相關性，50Hz、100Hz相關性分別達到1.12、0.96和1.95、2.01。

通過上述已給參數，能確定該段氣室內部確實存在某一類型放電缺陷，特征明顯。為進一步確定其放電類型，觀察峰值較大的測點1、3的相位圖譜，如圖4所示。由圖可見，測點1、3相位分部基本相同，說明這兩點測得為同一放電信號，負半軸有一簇集中的信號且最大值超過50mV，具有明顯的負極性效應，可判斷該段氣室內部存在尖端放電；同時正半軸也出現一簇較小的信號，為電暈放電發展為中期的特征。

3.2 超聲波法復測

為確定放電信號不是間歇性存在，測試人員于6月18日對該缺陷氣室進行復測。初測數據已經基本確認缺陷位于連接氣室或者套管氣室內部，因此在氣室筒體表面一條水平線上布置4個測點初步判斷放電源位置，測點位置如圖5所示。背景測點分別是套管構架上和附近空氣中。

測點1-4的連續圖譜顯示測點3、4的幅值大于其他點，其有效值分別達到2.64mV、2.63mV，峰值分別達到12.41mV、12.26mV，50Hz相關性分別是0.9、1.06，100Hz相關性分別0.87、1.02，其他點數據在此不一一列出。測量發現測點3的有效值和幅值均達到最大，因此圖6給出測點3的連續、波形及相位圖譜。

圖譜顯示超聲復測結果與初測結果很好的吻合，確認內部存在一個穩定的尖端電暈放電。正如之前分析，電暈放電發展至中后期在另一半軸也會出現一簇較小點的信號，因此出現100Hz相關性大于50Hz相關性。

3.3 特高頻法復測

圖6 測點3的超聲圖譜

當GIS尖端電暈放電信號較強時，在滿足特高頻測試條件下測量該氣室兩端特高頻信號，同樣測得具有放電特征的特高頻信號。特高頻測試點為，其中背景測試點為2號盆子附近支撐構架處，1、2號盆子測點位于同一平面。

圖7 特高頻復測圖譜

通過比較特高頻PRPS及相位圖譜，如圖7所示，易見1、2號盆子特高頻信號相對背景具有明顯的放電圖譜特征。放電信號在1工頻周期內有兩個放電脈沖（一大一?。?，PRPS譜圖也顯示放電信號在1工頻周期內有兩簇放電信號，且具有極性效應。

可見，特高頻檢測也驗證了該段氣室內部存在尖端放電缺陷，同時特高頻信號明顯發現正半軸出現幅值較小的放電脈沖，研究表明尖端放電發展為較嚴重時另一半軸也會出現放電信號，因此該處氣室內部放電缺陷較為嚴重。

3.4 放電信號的時域及頻域分析

為了進一步判斷放電源位于設備外殼還是導體附近，設置超聲波測試頻段為50k-100kHz，復測點3測試結果如圖8所示。

由圖8可見，當測試頻段為10kHz-100kHz時，放電信號較大；當測試頻段為10kHZ-50kHz時，超聲信號出現較大衰減，說明超聲信號主要為內部導體上傳來的低頻信號，同時測點3所在圓周上均測得放電信號，因此判斷放電源位于GIS氣室內導體附近。

采用示波器觀察特高頻測信號原始圖譜，如8所示。盆子1、2測得特高頻為同一信號，且一個工頻周期內有一束放電，具有典型的尖端放電特征；超聲及特高頻放電信號屬于同一放電信號，具有工頻相關性和明顯的極性效應，斷定放電類為內部導體上的尖端放電。

3.5 放電源定位

由上述分析基本確定連接氣室與套管氣室之間盆子（即2號盆子）附近存在尖端放電缺陷。為了進一步定位放電源位置，本節采用特高頻時差法定位。測試結果如圖9，易見特高頻信號先到達2號盆子。1、2號盆子接收到放電信號的時間差為1.8ns，按光速折算為距離為54cm。經測量1、2號盆子間的軸線距離為125cm，因此可確定放電源位于距離2號盆子35.5cm內部導體處且位于刀閘進線側連接氣室內而非套管氣室。同時，可見背景信號也接收到了放電信號但幅值小，這是因為該GIS盆子為非金屬屏蔽結構，GIS內部放電特高頻信號可經盆子泄漏出來。

由特高頻時差定位法已確認放電源位于連接氣室內，接下來采用聲電聯合法可精確定位放電源位置，測試結果如圖10，特高頻信號進過檢波處理后以精確判斷放電起始時間?？梢姺烹娦盘栔刑馗哳l信號與超聲信號時間差為0.756ms，而超聲信號在SF6氣體中的傳播速度為140m/s，因此放電源距離超聲測點10.58cm。經過測量盆子半徑為26cm，因110kVGIS為三相同體結構，所以經腔體尺寸測量確認放電源位于最靠近底部的一相導體上。

圖8 超聲波局放復測點3不同頻段測試圖

圖9 特高頻放電原始時域信號（黃-1號盆子、綠-2號盆子、藍-3背景）

圖10 原始時域信號

綜上所述，尖端放電位于刀閘氣室與進線套管氣室之間的連接氣室內，并位于距離套管側盆子35.5cm處靠近筒體底部相導電桿處。

3.6 缺陷原因分析及嚴重程度診斷

綜合分析毛刺可能為：（1）導電桿本身質量問題，存在缺口或凸起等；（2）GIS振動導致導體上有金屬屑。導體上的毛刺在晝夜大溫差的影響下，缺陷可能會加劇發展，經受不良工況時，對于三相共體GIS而言，這類缺陷有可能會造成相間短路故障。同時由超聲/特高頻檢測數據可見一個工頻周期內已經出現兩簇放電信號，說明該缺陷放電已發展至中后期，已屬較嚴重缺陷。

通過前30 min的測量數據，應用灰色預測模型預測后十多分鐘的覆冰增長狀態，符合灰色系統理論的基本思想，因此用灰色預測模型預測未來十多分鐘內的導線覆冰增長規律具有可行性。由于未來十多分鐘的氣候與前30 min內的氣候有類似的客觀規律，利用灰色預測模型進行超短期預測，不會有太大誤差。

3.7 檢修策略建議

該缺陷在晝夜大溫差的影響下，可能會加劇發展，容易受不良工況影響發展成為設備故障。因此建議運維單位會同制造廠家結合帶電檢測結果盡快制定綜合檢修方案，立即停電進行處理。

針對本次檢測發現的缺陷建議如下檢查處理：（1）用X射線檢查靠近套管側盆子附近導電桿上是否有毛刺。（2）先打開吸附劑蓋，用內窺鏡檢查，若檢查到毛刺，則進行解體處理；若無，繼續進行超聲和特高頻局放監測。（3）檢修后投運前對GIS進行耐壓老練試驗。（4）對檢修復電后開展特高頻和超聲波帶電檢測確認缺陷是否消除。停前，加強超聲波和特高頻局部放電檢測，縮短檢測周期，跟蹤信號幅值變化做趨勢分析。

4 診斷流程改進

傳統的GIS局放診斷流程為特高頻/超聲波法單獨進行普測、定位，但現場情況十分復雜，被檢設備往往不具備特高頻測試條件，干擾眾多難以排除，因此造成特高頻法實際效果不理想，單一方法不能對放電源精確定位；變電站內設備眾多，進行全站普測會耗費大量時間，檢測效率不高。相比而言，超聲波法在檢測過程中發現缺陷率較高，雖有無法測得的缺陷類型，但以特高頻法為輔助手段可以克服。通過上述案例及大量現場實測，總結出一套以超聲波發為主，檢測效率高、定位準確的診斷流程，如下圖11所示。

5 結論

（1）利用超聲波普測初步判斷放電類型和位置，通過聲電聯合法對放電源進行定位：尖端放電位于刀閘氣室與進線套管氣室之間的連接氣室內，在距離套管側盆子35.5cm靠近筒體底部相導電桿處。

（2）優先以超聲波法對設備進行普測，發現缺陷概率高，測試準確，結合特高頻法聲電聯合定位可精確至厘米級。

（3）總結出一套檢測效率高、定位準確的局部放電診斷流程。

圖11 改進的診斷流程

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