超声波法在GIS 局部放电检测中的应用

王 伟 冯新岩 曲文韬 徐 亮

（山东电力集团公司超高压公司，济南 250021）

1 引言

局部放电作为诊断GIS绝缘状况的重要手段，其检测技术一直受到制造厂家和运行维护单位的关注[1-2]。传统的脉冲电流法通过测量设备发生局部放电时产生的脉冲电流来确定视在放电量、局部放电脉冲等参数，技术成熟，可以对放电量进行估算，但抗干扰能力差，现场测试的精度受到很大的影响[3]；化学检测法抗电磁干扰能力强，但受到设备内部吸附剂、干燥剂以及断路器开断时产生的电弧分解气体的影响，其灵敏性较差；光学检测法需多个传感器，成本较高，在现场应用很少[4]。另外，相位门极控制法、有限时域差分法还处于理论研究的阶段，没有成熟的仪器装置应用到现场[5]。

超声波法和超高频法作为目前两种比较有效的检测方法，抗干扰能力强，灵敏度高，相比之下，超高频法适合对设备进行长期连续的监测，需要厂家在设备制造时内置传感耦合器以保证测量精度。超声波设备使用简便，可以通过对设备的逐点测量进行缺陷定位，更适合带电巡检和短期的在线监测[6]。

2 超声波检测法

GIS发生局部放电时分子间剧烈碰撞并在宏观上瞬间形成一种压力，产生超声波脉冲，信号波长较短，方向性较强，因此它的能量较为集中。将基于谐振原理的声发射传感器置于设备外壳上检测这一脉冲信号，然后经过前置放大、滤波、放大、检波等处理环节，进而通过信号分析以确定设备的绝缘状况。图1给出了超声波检测GIS设备局部放电的原理图。

图1 超声波检测局部放电原理图

超声波信号有横波、纵波和表面波三种传播形式，在SF6气体中只有纵波可以传播，而在带电导体、绝缘子和金属壳体等固体中传播的除纵波外还有横波。纵波在气体、固体中衰减很大，横波在固体中衰减小。

在传播过程中，由介质吸收效应导致的高频分量衰减、不同介质传播速率的差异以及边界处产生的折、反射，都会对接收到的脉冲信号产生影响。因此检测的有效性和灵敏性不仅取决于局部放电的类型和能量大小，还取决于声信号在不同介质的传播特性和具体的传播路径。评估设备状态特别是确定缺陷部位时，需要综合考虑这些因素并结合GIS的具体结构进行分析。

3 GIS典型缺陷的特征分析

3.1 毛刺放电

毛刺尖端处电场集中，电晕放电信号的起始时刻主要集中在外施电压的负半周，最大放电量发生在峰值附近。随着电压的升高，局放脉冲增大，频度增加，在正半周也可能发生放电。因此信号的50Hz相关性明显，100Hz相关性较弱。

导体上的毛刺放电可以看成一个点源向其四周发射球面波，其高频分量直接往腔体传播且衰减很大，而低频分量向多个角度传播，传播路径较远，在壳体外较广的范围内都能接收到信号。而壳体上的毛刺信号较集中，在放电处信号最强，且高频分量衰减较小。利用这一点可以通过减小滤波器的上限频率来区分二者，信号变化不明显表明是导体毛刺放电，变化明显时表现是壳体上的毛刺放电。图2给出了超声波对两种放电模式检测的示意图。除此之外，导体毛刺比位于壳体上相同毛刺的起始放电电压低很多，在相同电压下，前者的局部放电量和脉冲幅值也高于后者，其危险性较高。

图2 毛刺放电超声检测示意图

3.2 悬浮屏蔽

松动或接触不良会引起电位悬浮，悬浮部位与导体之间存在耦合电容，相当于容性放电。图3给出超声检测的示意图。放电脉冲一般发生在电压上升沿，在外施电压的正负半周均能检测，信号的100Hz相关性很强。由于耦合电容和放电时两端的电压差比较固定，因此随着电压的升高，放电量变化不大。检测信号比较稳定，重复性强。

图3 悬浮屏蔽超声检测示意图

3.3 自由颗粒

如图4所示，自由颗粒在电场力的作用下来回跳动，每次撞击壳体都会产生一个宽带的瞬态声脉冲，与颗粒端部的局部放电信号相混合形成一个复合信号。放电信号的大小与金属颗粒的位置有着密切的联系，相比于壳体上的颗粒，绝缘子上的颗粒对电场的影响更为严重，在放电强度上明显大于壳体颗粒。

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图4 自由颗粒超声检测示意图

3.4 绝缘子缺陷

绝缘子内部的气隙放电工频正负半周放电指纹基本对称。放电脉冲一般出现在电压幅值绝对值的上升部分，放电频率依赖于所加电压大小，只有在放电强烈时，才会扩展到电压绝对值下降部分的相位上，且每次放电的大小不相等。

绝缘子表面的缺陷易形成表面放电，导致绝缘子表面的绝缘劣化，甚至击穿。其放电特征是：在电流最大相位过零时发生小电荷的局放脉冲，随电压上升会出现不规则的脉冲。

4 GIS局部放电的现场超声检测

以上分析奠定了超声检测的理论基础，而现场的测试诊断会受到电磁干扰、传感器安装位置、壳体环流等多种因素的影响，下面结合AIA仪器在现场测试中的应用对具体的诊断分析过程做下介绍。

4.1 传感器的安装

测试时利用声耦合硅胶使传感器与壳体接触良好并保持静止状态，必要时用绑带固定以保持一定的压力。考虑到声信号在经过绝缘子或法兰时明显衰减的特点，要求独立的气室、两个法兰之间至少有一个测量点。隔离开关、接地开关和断路器的运动部件容易产生自由颗粒，可以对这些部位进行重点检测，而自由颗粒在气室中有向下运动的趋势，一般把传感器安装在设备壳体的下方。

4.2 信号的测量与分析

AIA超声波局部放电测试仪有连续、相位和脉冲三种测量模式。连续测量模式以水平柱的方式给出了一个工频周期中放电信号有效值和峰值信号以及与信号与 50Hz、100Hz的相关程度；相位模式主要用来判断放电和是否和工频周期存在关系；脉冲模式针对颗粒故障，给出了信号幅值与飞行时间的关系。表1给出了典型缺陷的特征判据。

表1 典型缺陷的特征判据

在表1完成缺陷的初步定性的基础上，可以根据具体的信号制定相应的维护策略。对于毛刺放电，若信号的峰值Vp＞2 mV即可密切监视或停电处理。对于悬浮屏蔽，除了信号幅值外，还应关注信号100Hz含量(Vf2)与50Hz含量(Vf1)的比值，引起密切关 注 的 判 据 为 ： Vf2/Vf1＞＞1 且 Vp＞20mV 或1＜Vf2/Vf1＜2且Vp＞100m V。对于自由颗粒，可通过脉冲模式进行危险性评估，如图5所示，Vp＜500mV且t＜50ms和Vp＜150mV且 50ms＜t＜100ms 的斜线区域为安全区域。

图5 自由颗粒危险性评估示意图

4.3 测试注意事项

（1）有些缺陷形成了机械振动，但没形成悬浮电位，信号不稳定，相位图呈现多条竖线并在零点左右两侧均匀分布，此时建议加强监视或停电处理。

（2）由压变铁芯的磁滞伸缩现象引起的噪声信号表现出一定的100Hz相关性，而线圈在电场作用下产生的热噪声也会使测量幅值变大，与悬浮屏蔽的特征图谱类似，但其信号幅值很低，且三相测试结果一致，检测时应注意区分以防止误判缺陷。

5 诊断实例分析

在对某变电站 220kVGIS设备进行巡视时，发现B相某CT气室有异音，超声波检测信号如图6和图7所示。

图6 连续测量模式图

图7 相位测量模式图

由图 6可以看出，信号的峰值达到 20mV，信号的 100Hz含量远大于50Hz含量。在图7可以明显看到一个周期内有两簇信号集中点。根据表1可以判断CT内部出现电位悬浮故障。

检修人员与厂家协商后对设备进行了解体，如图8所示， CT的电极较短，没能完全进入适配孔中，并可见明显的黑色粉末状的 SF6气体放电分解物。实践证明了超声波检测GIS缺陷的有效性。

图8 CT气室放电图示

6 结论

（1）本文分析了GIS典型缺陷的基本特征，为超声波检测、判断设备故障提供了理论依据。

（2）本文给出了现场超声波局放测试的注意事项和各种缺陷的特征图谱和经验判据，对于现场运行维护人员具有一定的参考价值。

（3）状态检修规程明确把运行中GIS局部放电测量作为例行试验项目，诊断实例表明，超声波法能有效的检测GIS内部的局部放电信号，可以作为一条有效的监测手段长期开展，对于设备状态评价具有重要的意义。

（4）由于绝缘体材料对声波的高吸收性，超声波法对于绝缘子内部缺陷反映不灵敏，可以结合超高频法、化学检测法以提高故障诊断的适用性和有效性。

[1]金立军,刘卫东,钱家骊.GIS绝缘配合中的故障分析及诊断和检测技术[J].中国电力,2002,35(3): 52-55.

[2]郭俊,吴广宁,张血琴.局部放电检测技术的现状和发展[J].电工技术学报,2005,20(2): 29-35.

[3]肖燕,郁惟镛. GIS中局部放电在线监测研究的现状与展望[J].高电压技术,2005,31(1): 47-49.

[4]黎大健, 梁基重, 步科伟等. GIS中典型缺陷局部放电的超声波检测[J].高压电器,2009,45(1): 72-75.

[5]李信,李成榕,李亚莎等. 有限时域差分法对 GIS局部放电传播的分析[J].中国电机工程学报, 2005,25(15): 150-155.

[6]苑舜.全封闭组合电器局部放电超声传播特性及监测问题的研究[J].中国电力, 1997,30(1):7-10.