基于聲電綜合的GIS設備帶電檢修技術研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.042

摘" 要：該文主要探究特高頻檢測法和超聲波檢測法在GIS設備局部放電檢修中的應用。首先介紹特高頻檢測和超聲波檢測的原理、流程和局部放電源定位方法。隨后對比分析2種局部放電檢測方法的優勢與不足，并結合某GIS設備帶電檢修實例，驗證特高頻檢測與超聲波檢測的聯合應用效果。結果表明，基于聲電綜合的GIS設備帶電檢修技術，發揮特高頻法靈敏度高、檢測范圍大，以及超聲波法定位精度高、抗干擾能力強的優勢，將局部放電源位置精確到2 cm以內，為故障維修提供依據。

關鍵詞：特高頻檢測法；超聲波檢測法；GIS設備；聲電綜合檢修；超聲波定位

中圖分類號：TM855 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0169-04

Abstract： This paper mainly discusses the application of UHF detection and ultrasonic detection in partial discharge maintenance of GIS equipment. Firstly， the principle and flow of UHF detection and ultrasonic detection and the location method of local discharge power supply are introduced. Then， the advantages and disadvantages of two partial discharge detection methods are compared and analyzed， and combined with an example of live maintenance of a GIS equipment， the combined application effect of UHF detection and ultrasonic detection is verified. The results show that the live maintenance technology of GIS equipment based on acousto-electric synthesis has the advantages of ultra-high frequency， high sensitivity， large detection range， high positioning accuracy and strong anti-interference ability of ultrasonic method， and the position of local discharge power supply is accurate to less than 2 cm， which provides a basis for fault maintenance.

Keywords： UHF detection; ultrasonic detection; GIS equipment; acousto-electric comprehensive maintenance; ultrasonic positioning

六氟化硫封閉式組合電器（GIS）是變電站電氣系統的核心組成。隨著運行年限的增加，GIS設備由于自身材料的老化，以及長期受到振動、電磁干擾等因素的影響，容易出現局部放電故障。如果不能及時采取維修措施，容易造成GIS設備停運，增加后期運維成本并影響變電站的正常運行。相比于常規的單一檢測方法，本文提出了一種將特高頻檢測法與超聲波檢測法相結合的組合式檢修技術，通過2種檢測方法的優勢互補，能夠實現對GIS設備局部放電故障的有效識別，以及精準確定局部放電源的位置，在保障GIS設備安全可靠運行方面發揮了重要價值。

1" GIS設備局部放電特高頻檢測法

1.1" 特高頻局部放電檢測原理

在GIS設備出現局部放電情況后，產生的電流脈沖具有頻率極高、持續很短的特點，可以激發500 MHz～5 GHz的特高頻電磁波。該電磁波以局部放電源為起點，沿著導體以特定速度進行橫向傳播，在導體的一側安裝特高頻傳感器采集電磁波信號，即可實現對GIS設備局部放電的檢測。根據安裝位置的不同，特高頻傳感器可分為2種類型，即內置傳感器和外置傳感器，檢測原理如圖1所示。

其中，內置式傳感器是在GIS設備生產過程中嵌入到設備內部，并且通過金屬殼密封等措施提高其抗干擾能力。當GIS設備內部出現局部放電后，內置式傳感器能夠快速地捕捉到電磁波信號，實現對局部放電的精準檢測。外置式傳感器則是安裝在GIS設備的非金屬材料處（電磁波只能通過非金屬材料向外傳播），用于檢測GIS設備是否存在特高頻信號，從而判斷是否存在局部放電現象。

1.2" 特高頻局部放電檢測流程

開始局部放電檢測前，測試人員現場組裝檢測儀器，并檢查儀器工況、檢測背景信號，保證儀器正常運行，排除電磁干擾，保證最終的檢測結果準確、可靠。準備工作完成后，開始對GIS設備進行局部放電檢測。根據儀器采集信息判斷有無放電信號，如果未檢測到放電信號，則保存檢測數據并結束本次檢測；如果檢測到放電信號，需要進一步確定局部放電源的位置。根據判斷結果，如果為外部放電源，則采取平分面法進行精確定位；如果為內部放電源，則采取時差定位法進行精確定位。在確定了局部放電源的位置后，再判斷放電信號所屬類型，為下一步維修工作的開展提供依據。完成上述檢測后，將所有數據存儲起來，結束本次檢測任務。整個流程如圖2所示。

1.3" 基于特高頻的局部放電源定位方法

現階段常用的局部放電源定位方法主要有平分面法、信號幅值比較法、時差計算法等幾種[1]。其中，特高頻時差定位法具有定位精度高、檢測實時性好等優勢，是一種常用的特高頻局部放電源定位方法，其定位原理如圖3所示。

如圖3所示，在GIS設備的左右兩側各放置1個外置傳感器。如果該設備出現局部放電現象，則2個外置傳感器會獲取來自不同路徑的特高頻信號。將來自X1路徑的特高頻信號記為f（t），來自X2路徑的特高頻信號記為g（t）。假設2個外置傳感器接收到特高頻信號的時間差為ΔT，則存在

式中：X表示2個傳感器之間的距離，X1和X2分別表示傳感器1和傳感器2與放電源之間的距離，c表示光速。這樣就能利用時間差ΔT確定放電源的位置，從而為檢修人員快速鎖定故障源并進行維修處理提供了幫助。

2" GIS設備局部放電超聲波檢測法

2.1" 超聲波檢測原理

當GIS設備發生局部放電故障后，原來存在于GIS介質中并且處于穩定狀態的雜質，會因為電場力的突然消失而產生振動，進而引起超聲波。除此之外，局部放電產生的瞬時大電流，會因為電流熱效應導致GIS設備放電部位的體積發生變化，也會產生超聲波[2]。根據超聲波傳播方向的不同，可以將GIS設備中的超聲波分為3類，即縱波、橫波、表面波。不同波的傳播介質存在差異，例如縱波的傳播介質是SF6氣體，而橫波的傳播介質是GIS設備的金屬外殼。

超聲波隨著傳播距離的增加，會出現明顯的能量衰減。GIS設備所處環境存在多種干擾，當超聲波受到干擾發生嚴重衰減后，很難捕捉到超聲波信號，進而導致誤判。為了避免此類問題，需要增加信號放大器，對采集到的超聲波信號進行降噪和放大，從而提高檢測結果的可靠性。對GIS設備局部放電超聲波的檢測原理如圖4所示。

結合圖4可知，在GIS設備的外部安裝接觸式傳感器，當GIS設備的某個導體上發生局部放電故障后，局部放電源產生的超聲波會以自身為中心向四周擴散。此時超聲波傳感器會接收到信號，使用前置放大器對該信號進行放大后，通過線纜將該放大后的信號發送給檢測主機。經過檢測主機的數據處理與分析后，得出相應的檢測結果，并在人機交互界面上顯示局部放電源的位置信息[3]。

2.2" 超聲波放電源定位方法

現階段常用的局部放電源超聲波定位方法有2種，即幅值法、時差法。前者是利用了超聲波的衰減程度與放電源距離呈正相關的特點，根據超聲波信號的峰值或有效值進行定位；后者與上文超高頻的時差定位原理相同，不再贅述。從實際應用情況來看，時差定位法雖然具有定位精度高的優勢，但是鑒于GIS設備內部結構復雜，并且不同型號的GIS設備在結構組成上也存在明顯差異，這就讓傳感器的安裝和放電源空間坐標的確定存在較大難度。因此，從實用性方面考慮，在超聲波放電源定位中應當優先選擇幅值定位法。

3" 面向GIS設備局部放電的聲電綜合檢測技術

結合上文分析，可以總結出特高頻檢測法和超聲波檢測法的優缺點。

特高頻檢測法的優點是檢測靈敏度高。當GIS設備發生局部放電故障后，產生大量的特高頻信號，并且由于GIS設備內部屬于同軸結構，使得特高頻信號傳播過程中衰減不明顯，傳感器可以精準捕捉特高頻信號，從而保證了檢測結果的可靠性。該方法的缺點是容易受到電磁干擾，在放電源定位方面容易出現坐標誤差。

超聲波檢測法則是利用外置可移動傳感器進行檢測，不與GIS設備內部電路產生聯系，也就不存在電磁干擾問題，這就使得超聲波檢測法在精準定位局部放電源坐標方面具有突出優勢。其缺點在于超聲波在傳播過程中，受到反射、折射等作用而發生衰減，因此檢測靈敏度要低于特高頻法[4]。

基于此，在GIS設備局部放電維修工作中，可以將特高頻檢測法和超聲波檢測法結合起來，通過聲電結合實現優勢互補，從而提高檢測精度和定位精度，保障檢修工作的順利開展。

4" 基于聲電綜合的GIS設備帶電檢修實例

4.1" 故障情況

某110 kV變電站在開展六氟化硫封閉式組合電器（GIS）檢查時，發現疑似放電信號，遂安排檢修人員開展復測。

4.2" 特高頻檢測結果

檢測人員首先使用便攜式特高頻局部放電測試儀器對出現疑似放電信號的區域進行檢測，根據檢測圖譜發現7#刀閘與I母線處信號幅值最大，得出初步結論：故障位于7#刀閘或I母線氣室內。然后采取時差定位法確定局部放電源的精確位置。檢測結果顯示，7#刀閘A、C兩相絕緣子的傳感器接收信號的間隔為18 ms，信號幅值大體相同，表明A相和C相絕緣子檢測到的信號屬于同一放電源。將7#刀閘C相盆式絕緣子定義為P1，7#刀閘A相支柱絕緣子定義為P2，I母線盆式絕緣子定義為P3，如圖5所示。

對P1、P2、P3 3處進行檢測，結果表明P1和P2處時間差為4 ns，P2和P3處時間差為11 ns。結合現場測量數據，P1和P2兩點最短直線距離為1.8 m，P2和P3 2點最短直線距離為3.9 m。結合上文介紹的特高頻時差定位方法，可以得出結論局部放電源位于P2和P3兩點之間，并且距離P2處約為0.3 m。

4.3" 超聲波檢測結果

檢測人員使用特高頻時差定位法，確定了局部放電源位于P2附近，即7#刀閘A相支柱絕緣子處，但是定位精度不夠精確。因此，檢測人員充分發揮超聲波能夠精確定位信號源方面的優勢，采取聲電綜合的檢修技術。根據DL/T 2277—2021《電力設備帶電檢測儀器通用技術規范》中的相關規定，GIS本體超聲波局部放電檢測中，相對值小于等于5 dB的，屬于“正常”工況；相對值在6～10 dB的，屬于“異常”工況；相對值超過10 dB的，屬于“存在局放缺陷”。這里的“相對值”為檢測值與背景值之差[5]。

在超聲波檢測中，將7#刀閘A相支柱絕緣子上從左至右等間隔布置了6個測試點，并標記為A、B、C、D、E、F。然后使用超聲波測試儀分別采集6個測試點的超聲波信號，背景噪聲統一設定為14 dB。6個測點的超聲波檢測值與相對值如圖6所示。

結合圖6可以發現，7#刀閘A相支柱絕緣子確實存在局部放電信號。其中，A、F兩點的相對值分別為5 dB和4 dB，對照相關標準屬于正常范圍；B、E兩點的相對值分別為6 dB和7 dB，說明檢測信號存在異常；而C、D兩點的相對值均超過了10 dB，說明存在局部放電故障。這樣就能將局部放電源的位置縮小到2 cm以內，基本上能夠鎖定局部放電源的精確位置。

4.4" 故障檢修結果

在本次GIS設備局部放電檢測中，檢測人員綜合運用特高頻檢測法和超聲波檢測法，最終確定局部放電源的位置在7#刀閘A相支持絕緣子的C、D兩點之間。隨后檢修人員拆開設備，檢查發現C、D兩點之間的絕緣子存在氣隙，是造成本次局部放電的根本原因。更換絕緣子后，再次檢測，發現局部放電源消失。本次基于聲電綜合的GIS設備帶電檢修作業，充分發揮了特高頻法靈敏度高、檢測范圍大，以及超聲波法定位精度高、抗干擾能力強的優勢，兩者互補快速、準確地確定局部放電源，為故障排查提供了參考。

5" 結束語

局部放電是GIS設備運行中常見的故障之一，該故障的產生原因多樣、危害后果嚴重，需要引起檢修人員的重視。基于聲電綜合的帶電檢修技術，能夠融合超聲波檢測和特高頻檢測的優勢，首先利用特高頻檢測法高靈敏度的特性，在局部放電故障發生早期準確識別微弱的信號，讓檢修人員確認局部放電故障是否存在；如果確實存在局部放電，再使用超聲波檢測確定局部放電源的具體位置，然后有針對性地進行拆機維修，提高了維修效率。

參考文獻：

[1] 滕昊，藍海文，楊帆.結合設備多源狀態數據的GIS設備局放帶電測試異常的分析與處理[J].電氣應用，2021（8）：161-163.

[2] 陳博棟，劉康，陳乾棟，等.基于多種局放帶電檢測技術的GIS設備異常診斷與分析[J].電工技術，2022（13）：49-50.

[3] 程實，陳道強，唐世虎，等.特高頻帶電檢測技術在GIS設備中的應用研究和驗證[J].電工技術，2021（11）：42-43.

[4] 韓四滿，李秀廣，郭林.基于循環氣體的GIS設備帶電干燥裝置研制與應用[J].電工材料，2021（4）：45-46.

[5] 尹泰，劉航，魏鋼，等.基于多種局部放電帶電檢測技術對GIS設備內部放電缺陷的綜合診斷與分析[J].電工技術，2021（3）：14-15.

第一作者簡介：劉學（1996-），男，助理工程師。研究方向為特高壓變電站變電檢修。