GIS设备超声波局放信号异常的分析

徐 华，顾文涛，沈中元

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江 舟山 316000；3.国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033）

全封闭组合电器GIS具有结构紧凑、安全可靠、维护简单等优点，在电力系统得到了广泛的应用[1]。对浙江电网最近12年的近20起GIS设备故障统计分析表明，绝缘故障占60%。实践证明，开展局部放电（简称局放）检测可以有效避免GIS事故的发生，GIS设备的局放既是内部绝缘故障的先兆，也是绝缘故障的典型表现。

1 超声波和特高频局放测量技术

1.1 超声波局放测量技术

当GIS内部发生局部放电时，由于分子的剧烈撞击、气泡的形成和发展、颗粒的跳动以及固体材料的微小振动，会发出几十至几百千赫兹的瞬态高频超声波，信号波长较短，方向性较强，能量较为集中。超声波向四周传播时，经过气体介质和金属壳体后到达电气设备容器的表面。超声波局放检测就是将传感器贴于设备表面，倾听与捕捉由设备内部故障如局放、部件松动、电弧与过热等产生的瞬态超声脉冲信号并进行适当的处理，如相位特征识别与定位等，以此来判别故障状态。图1为超声波检测GIS设备局放信号的原理图示。

图1 超声波检测局部放电的原理图示

超声波测量技术有以下特点：

（1）抗干扰能力强，检测频带一般取10～100 kHz。

（2）容易实现局部放电定位[2]。

（3）能根据超声信号的波形特征、频谱特征和传播衰减特征等进行故障诊断[3]。超声波信号在SF6气体中的传播速度约为140 m/s，在钢板中的传播速度约为6000 m/s。

（4）GIS体外传感仪器简单，使用方便安全。

（5）超声信号衰减明显，在SF6中为26 dB/m，在空气中为0.9 dB/m。

超声波诊断的最大灵敏度约30 kHz，在10～100 kHz范围内也相对灵敏。超声波传感器固定方式如图2所示，先将松紧带穿过固定块两端的固定环，松套在GIS的外壳上，然后把声发射传感器放在固定块下面，在传感器和外壳之间涂抹耦合剂，再收紧松紧带。一般每隔1 m设1个测试点，测试点宜选壳体的底部。

图2 超声波传感器固定方式

目前，超声波测量技术在运用中的难点是信号的标定，即难以对局放信号进行有效评估。

1.2 特高频局放测量技术

GIS局部放电特高频（以下简称UHF）信号传感由英国学者首先提出和研究，在检测灵敏度和抗干扰能力方面显示了良好的特性。GIS内有局放发生时，会伴随1个很陡的电流脉冲（上升时间小于1 ns），并在GIS腔体内激励出频率高达数吉赫兹的电磁波。UHF测量就是利用UHF传感器来检测该电磁波信号。UHF检测GIS设备局部放电的原理如图3所示。

图3 UHF检测局部放电原理

UHF测量技术有以下特点：

（1）避开了电网中主要的电磁干扰频段（主要集中在300 MHz以下），具有良好的抗电磁干扰能力[3]，检测频带为 300～1500 MHz。

（2）对GIS的各种放电性缺陷均有较高的灵敏度，但不能发现垫圈松动、粉尘飞舞等非放电性缺陷。

（3）根据电磁波信号的衰减和时差，可进行局放定位[4]。

（4）根据放电脉冲的波形特征和UHF信号的频谱特征，可进行故障诊断。

（5）信号传播衰减较小，绝缘屏障会造成约2 dB的信号衰减，转角结构会造成约6 dB的信号分散。

目前，UHF测量技术在运用中面临的难点是视在放电量的标定问题，即难以对局放信号进行有效评估。

2 缺陷情况介绍

在对某126kV GIS进行带电检测时，发现某线路隔离开关及接地开关气室附近内部有异声，但声音较小。使用超声波检测仪器进行测试时，其它气室的超声波信号有效值都与背景值相近，约0.32mV，没有50 Hz和100 Hz的相关性信息，但该线路隔离开关及接地开关气室的信号有效值偏大，约为3.57mV，50 Hz相关性不明显，而100 Hz相关性则较明显。改变带通滤波器的上限频率至20～100 kHz，信号基本无变化；使用特高频局放技术进行检测时，在该气室附近的检测点均未检测到局放信号；使用SF6分解物测试仪进行测试，也未测到SO2和H2S信号。

3 原因分析

为查找缺陷部位，使用网格法对超声波信号偏大的气室及相邻气室的壳体表面进行划分，如图4所示，在每个网格处测量超声波信号。在壳体的另一侧、上侧和下侧也使用同样的方法进行划分，但测得的数据相对偏小。各点的超声波有效值测试数据见表1，根据测试结果、结构布置和内部异声可得到以下结论：

（1）电流互感器、电压互感器、避雷器气室的超声波信号均较隔离开关及接地开关气室的信号小，说明缺陷在隔离开关及接地开关气室内。

图4 隔离开关气室壳体的网格划分及编号

表1 各网格处测量的超声波信号有效值 mV

（2）超声波信号在隔离开关及接地开关气室较大范围内存在，说明缺陷位于中心导体上。

（3）28，29号网格的超声波信号有效值较其它网格大，说明缺陷位于28，29号网格附近。

（4）结合三相导体的内部布置，可以确定较大的超声波信号来自于B相导体。

（5）内部异声的原因可能是B相导体的某个部件松动，在内部电场作用下发生振动，从而产生了幅值较大的超声波信号。

4 解体检查

设备停运解体后，发现隔离开关及接地开关气室B相靠近盆式绝缘子的导体屏蔽罩有轻微松动，属于产品本身的固有缺陷，设备生产厂家在后期产品中已停用该型号屏蔽罩。更换屏蔽罩后，重新进行超声波局放测试，隔离开关气室及附近气室的超声波缺陷信号均消失，轻微异声也同时消失。

5 结论

（1）对于较小的局放信号，难以用化学分解物测试来检测相关分解物。

（2）利用超声波检测仪器发现缺陷信号时，可使用网格法对缺陷气室外壳进行划分测量，找到信号幅值最大点，再根据幅值及信号与50 Hz和100 Hz的相关性进行初步分析，从而确定缺陷的具体位置。

（3）对因部件松动引起的较小的局放信号，特高频法检测不够灵敏。

[1]肖登明，董越，黄东海.我国特高压输电工程的GIS技术[J].高电压技术，2006，32（12）∶115-117.

[2]肖燕，黄成军，郁惟镛，等.基于小波和分形分析的GIS局部放电信号特征提取[J].电力系统自动化，2006，30（6）∶66-69.

[3]KRIVDA A.Automated recognition of partial discharge[J].IEEE Tran-sactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2（5）∶796-812.

[4]钱勇，黄成军，江秀臣，等.基于超高频法的GIS局部放电在线检测研究现状及展望[J].电网技术,2005，29（1）∶40-43.

[5]刘君华，姚明，王江，等.基于GIS中电磁波传播路径特性的局放源定位方法[J].电力系统自动化，2008，32（21）∶77-81.