基于時差和幅值的超聲波閃絡定位儀在GIS耐壓試驗過程中的應用

東莞市輸變電工程建設有限責任公司 吳柱榮

GIS有占地面積小、運行可靠、使用壽命長和免維護等優點，已廣泛應用于電力行業中。但在GIS加工、運輸和現場安裝的過程中，受加工工藝、運輸和安裝條件及安裝人員的裝備技術水平限制，其腔體內經常出現一些小的缺陷，如：絕緣子內部有氣泡或是裂紋、內部緊固件松動、金屬導體毛刺、安裝時帶入灰塵或異物、清掃不潔凈殼體上附著有灰塵或顆粒等缺陷。因此GIS在進行交接時進行雷電沖擊試驗或交流耐壓試驗（大多數情況下交接試驗以交流耐壓試驗為主），在投運前有效發現上述這些問題。

無論是雷電沖擊試驗還是交流耐壓試驗，就設備本身而言都屬于破壞性試驗，如發生擊穿反復加壓會造成設備的整體絕緣性能下降，從而影響使用壽命和帶來安全隱患。因此在耐壓試驗過程中對擊穿點進行精準定位顯得尤為重要。最早期傳統的方法靠人耳感知，安排若干人員站立在GIS設備周圍，憑耳朵感知哪里的聲響最大來進行定位，此方法發生錯誤的概率為90%以上，解決手段就是分間隔多次加壓，直至找出擊穿點。

隨著技術進步，采用分解產物對擊穿進行定位，SF6在高壓場強的作用下發生分解，分解的成份有SO2、H2S等氣體，若擊穿點剛好發生在取氣口附近、并及時進行測量，能有效找到擊穿部位。但是由于現階段通常采用整體加壓方式，每次耐壓所帶的間隔都是幾個或二十多個，此時用測量分解產物的方法顯得力不從心。原因一：SF6具有極強穩定性和電負性，擊穿時可能不發生分解或分解后能快速修復；原因二：耐壓時所帶間隔多、需測量的氣室數量多，當測量到擊穿點時SF6已完成自我修復，而且通常是多個氣室共用一個取氣口，測量的數據是取氣口附近氣體的數據。所以該方法也不能準確定位擊穿點。

再后來發展到采用超聲波幅值的定位，但由于受傳感器一致性的影響和超聲信號在傳輸的過程中會產生反射疊加，經常會出現最大值不是擊穿部位的情形，從而導致定位不準。

1 GIS耐壓過程中擊穿的原因

固定缺陷。其中包括導體和外殼內表面上的金屬突起，以及固體絕緣表面上的微粒。金屬突起通常是制造不良和安裝損壞擦劃時造成的，導致毛刺且較尖，使得場強分布不均勻。在穩定的工頻狀態下形成電暈保護球不容易發生引擊穿，但在快速電壓如雷電沖擊情況下容易擊穿；GIS腔體內可移動的自由金屬微粒。金屬微粒是最普遍的微粒，在制造、裝配和運行中均有可能產生，它有積累電荷的能力。在交流電壓場的影響下能夠移動，在很大程度上運動與放電的可能性是隨機的。當靠近高壓導體且并未接觸時可能發生放電，隨電壓等級的升高可能發生擊穿。

傳導部分接觸不良。如靜電屏蔽和其它浮動部件，由松動或浮動部件產生電位差，隨電壓不斷上升而最終可能發生擊穿；絕緣子制造時造成的內部空隙和實驗閃絡引起的表面痕跡，還包括或是因電極的表面粗糙或是來自制造時嵌入的金屬微粒。此外因環氧樹脂與金屬電極的收縮系數不同，也會形成氣泡或空隙。這些GIS的絕緣缺陷類型極有可能會在GIS中產生局部放電，在絕緣體中的局部放電甚至會腐蝕絕緣材料，進一步發展成為樹枝并最后導致絕緣擊穿。

在GIS發生擊穿時伴隨有聲、光、熱等現象，通過對某一種或幾種現象進行監測，達到定位的目的。此文重點闡述對擊穿時產生的超聲波進行監測，實現擊穿定位的目的。

2 擊穿定位系統介紹

2.1 系統簡介

本系統采用全金屬一體化設計，抗電磁輻射等級滿足國標四級標準。內置信號高速采集，采樣率高達1MHz，具備同步處理、包括濾波、放大、觸發設置等功能；采樣時北斗或GPS實時同步授時，或采用后臺筆記本無線授時，授時精度達到納秒級，內置恒溫晶振，授時后計時精度達到50us/12h。

本系統考慮到傳感器個體差異，專門增設參數校準，針對單個傳感器在諧振頻率上響應差異進行系數修正，修正精度高達1%；且充分考慮現場若發生擊穿會產生高頻信號、對無線通訊會產生一定的影響，可能導致無線信號中斷、后臺無法顯示的情形，本系統采用了最可靠的顯示方式：最穩定可靠的信號指示燈強弱顯示；直觀的液晶顯示，可直接顯示擊穿時的峰值和擊穿起始脈沖時間；采用后臺筆記本顯示。

圖1 系統組成示意（最多可299個單元同時使用）

2.2 幅值定位介紹

由于環氧樹脂對超聲波信號有極強的吸收作用，當擊穿點在擊穿時產生的超聲波信號在通過絕緣盆子時被盆子吸收，使得信號的強度發生大幅衰減。通過實驗室對比發現，超聲波信號的強度每經過一個盆式絕緣子能量衰減比率高達40%~60%之間。依據這種情況，就可通過擊穿時每個定位單元的幅值大小進行定位，理論上幅值越大離擊穿點越近。此方法對傳感器的一致性要求較高，需所有定位單元的一致性不超過20%的誤差。

2.3 時差定位介紹

若GIS內部發生擊穿，超聲波在沿殼體進行傳播過程中，遇到較大的障礙物時一部分被障礙物吸收、一部分穿過障礙物沿殼體繼續向前傳播、一部分會發生反射，此時可能發生波形的疊加，會出現疊加后的波峰高于擊穿點的波峰，從而產生誤判的情況。遇到此情形需根據起始脈沖的時差來判斷擊穿點的位置。在GIS內部發生擊穿時，超聲波信號在SF6氣體中先主要以縱波的形式傳到殼體表面，再主要以橫波的形式沿殼體傳播，根據定位單元離擊穿點的距離不同，超聲波信號到達定位單元的時間先后也不一樣，因此理論上越早到達的定位單元離擊穿點越近。

超聲波沿殼體傳播時的速度，以鋁合金為例約為6300m/s、在鐵中的傳播速度約為5900m/s，所以定位單元的授時精度要達到納秒級，在工作中的所有傳感器誤差要小于100us才能確保時差法定位的準確性。但由于GIS緊湊的結構，比如在發生擊穿時超聲波信號還會沿空氣傳播，通過空氣傳播到不是擊穿點上的定位單元時間更短，此時也容易發生誤判。如圖2中，黑點代表定位單元安裝位置、紅點代表擊穿位置，此時可能先接受到信號的單元是上方的單元。所以對GIS耐壓過程中擊穿定位的方法，最好是時差法和幅值法相結合進行綜合判斷，才能確保定位的準確。

圖2 時差定位誤判斷情形舉例

3 現場使用注意事項

3.1 工裝注意事項

超聲波傳感器作為定位單元的核心元器件之一，它采用壓電陶瓷片制作而成，接收到擊穿時產生的壓力波，通過轉換把壓力波轉變為電信號，再通過A/D轉換呈現信號的強弱。因此測量前的安裝情況顯得尤為重要，在安裝時一定要使傳感器的中心點和GIS殼體完全耦合；如果在安裝時不是傳感器的中心點與殼體接觸會導致幅值的誤差高達50%或以上，從而導致定位不準的結果。固定安裝時選用專門的緊固帶將定位單元緊固在GIS殼體表面，使得傳感器承受一定的壓力并盡量使所有定位單元壓力的大小一致。

超聲波的傳遞需要介質，在一種介質進入另外一種介質中時傳播速度和衰減都會有明顯的變化，所以安裝時要盡量多的將耦合劑涂抹在傳感器的表面，使得傳感器和殼體之間不留間隙；如果耦合不夠緊密，測量時導致幅值的誤差高達30%甚至更多，從而導致定位出現錯誤的情況。對于耦合劑最好是選用絕緣硅脂為首選。

3.2 布點選擇

依據超聲波經過盆式絕緣子的衰減，在條件允許的情況下，每隔一個盆子都要安裝一個定位單元；安裝在離盆子左右（或上下）30cm處，盡量安裝在殼體的側下方；注意不要把定位單元緊挨盆子安裝，因為如果離得太近可能會出現波形疊加的情況而產生誤判斷。很多時候受定位單元數量的限制，在安裝時要優先選擇現場安裝部分，再根據結構不同選擇安裝，優先級為：現場安裝部分→斷路器處→刀閘處→T型或者L型接頭處。安裝時盡量避開互感器（圖3）。

圖3 定位單元安裝（黃色代表定位單元的安裝位置）

3.3 開始前檢測確認

開始前先開啟所有定位單元，對定位單元進行授時，授時完成點擊開始測量，然后在每個定位單元所在的氣室用金屬輕輕敲擊殼體，看定位單元能否接收到信號。檢查完畢后將這些數據全部清除，點擊停止和屏保，待確認開始升壓后再全部開啟測量。

4 成功定位案例分享

4.1 某電網公司220kV GIS現場交流耐壓試驗中成功定位

圖4 實測定位解題驗證圖片

本次對220kV新某某變電站220kV GIS進行耐壓擊穿定位測試過程中：A、C相整體耐壓及斷口通過；B相整體耐壓通過后，調整刀閘狀態后進行斷口耐壓時，電壓到460kV時95706刀閘處傳感器先發生了擊穿，根據現場測量數據對發生擊穿相鄰的3個傳感器進行峰值比較，由于95706刀閘處最先發生擊穿且峰值最大、斷路器峰值最小，#6母線的傳感器布置在B相的正前方位置但峰值比95706刀閘處峰值小，根據聲音的傳播方向判斷越接近放電源峰值越大，擊穿點應在95706刀閘氣室內；各方到場后對95706刀閘氣室進行抽真空開檢修門，利用內窺鏡在95706刀閘氣室下部靠A相面發現明顯的放電痕跡。

4.2 廣東電網公司220kVGIS耐壓時擊穿成功定位

本次對220kV某變電站220kV GIS進行耐壓擊穿定位測試過程中：第一次對#4主變變高間隔A相加壓時，當電壓等級完成第二階段向第三階段加壓至420kV時發生擊穿，對地保護后檢查傳感器在#4主變變高間隔1m側22041刀閘氣室處的傳感器峰值到達了3248mV，斷路器處傳感器為99mV，根據峰值比較該放電源在#4主變變高間隔1m側22041刀閘氣室概率較大；各方到場后對#4主變變高間隔1m側22041刀閘氣室進行抽真空開檢修門，利用內窺鏡在#4主變變高間隔1m側22041刀閘氣室A相發現內部絕緣材料破損。

綜上，通過實驗室和現場測試情況來看，在GIS工頻耐壓或者雷電沖擊實驗過程中，對發生擊穿時的定位利用超聲波幅值和時差法能準確定位出擊穿點的位置，在定位過程中需做好如下工作：現場安裝時一定要認真仔細檢查安裝是否正確，確保傳感器的中心點和GIS殼體充分接觸；保每個定位單元與殼體的完全耦合，盡量多的涂抹耦合劑；開始前要確保每個定位單元處于正常工作狀態并統一授時；條件允許的情況下每隔一個盆子至少安裝一個定位單元；對定位單元的一致性要求較高，建議所有定位單元的一致性在20%以內；時間精度至少到達100us，并能準確記錄起始脈沖時間。