超声波检测在GIS局部放电在线监测中的应用

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，成都，610091)

1 概述

GIS是英文Gas Insulated Switcher(气体绝缘封闭开关)的缩写，由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成。这些设备或部件全部封闭安装在金属接地外壳中，在壳内充有一定压力的SF6气体，因此也成为SF6封闭开关。

随着我国电力行业的发展，GIS的使用越来越广泛，从最初的几千伏等级发展到现在的220kV、500kV、750kV等级，有些国家和地区正在发展1000kV等级的GIS。

人们通常认为GIS设备具有故障率低的特点，但这是相对于常规设备而言的，根据CIGRE的调查，GIS的故障远远高于IEC推荐的每百间隔1年0.1次的水平。就国内而言，则发生了多起比较严重的GIS事故，因此“GIS免维护”的观点已经不再认同。同时GIS设备一旦发生故障，将引起停电时间长、检修费用高、损失巨大等一系列问题。现场使用经验表明，大部分故障是可以预先监测的，因此采用先进的GIS在线故障诊断技术，可以大幅度减少GIS的故障率。

局部放电是GIS绝缘劣化的征兆和表现形式，也是绝缘进一步劣化的原因。由于绝缘击穿的后果经常比较严重，因而受到国内外的关注。对GIS进行局部放电检测，能够确实地有效地发现其内部早期的绝缘缺陷，以便于采取措施，避免其进一步发展，进而提高GIS的可靠性。另外，它还可以弥补耐压试验的不足。通过局部放电在线监测能发现GIS制造和安装的“清洁度”，能发现绝缘制造工艺和安装过程中的缺陷、差错，并能确定故障位置，从而进行有效的处理，确保设备的安全运行。因此，开展GIS局部放电在线监测研究，具有十分重要的现实意义。

GIS局部放电的检测方法主要有光学法、化学法、声学法和电气法。其中，超声检测法抗干扰能力强，瞬态特性好。因为局部放电每个放电脉冲，它都伴随着产生一个与之相关的超声脉冲，由于电流脉冲中夹杂着很强的各种电气干扰脉冲，直接测量微小的局放脉冲十分困难，且其它电气干扰脉冲不产生超声脉冲，因此间接的测量它所产生的超声脉冲具有很强的抗干扰能力。通过对超声脉冲在线监测，能检测出GIS局部放电的类型、放电量值及放电位置。

2 局部放电的产生

在电气设备的绝缘系统中，各部位的电场强度往往是不相等的，当局部区域的电场强度达到该区域的击穿场强时，该区域就会出现放电，但放电并没有贯穿施加电压的两导体之间，即整个绝缘系统尚未击穿，这种现象称之为局部放电。产生局部放电的条件，取决于绝缘介质中的电场分布和绝缘的电气物理性能，通常局部放电是在高电场强度下，在绝缘体内电气强度较低的部位发生。

3 超声波检测方法的特点

超声波检测法具有易于实现和便于空间定位等特点。

目前采用的超声波法检测GIS局部放电，是利用超声波传感器贴在接地的GIS外壳上进行检测，对GIS的运行和操作没有任何影响。传感器与检测设备之间采用光纤连接，光纤具有良好的绝缘性能，检测设备与高电压设备之间有很好的隔离，使设备和测量人员的安全可以得到保证，同时不存在在线结果与离线结果的等效性问题。因此，利用超声波法可以较容易地实现在线检测GIS局部放电。

确定局部放电位置，可以判断局部放电对GIS的危害程度，还可以减少检修时间。目前提出并采用的主要局部放电定位方法有：电脉冲电流电容分量定位法，利用电脉冲的电容分量，从局部放电点传播到绕组两端的时间差来确定故障点的大概位置；X射线法，利用外加X射线来加大局部放电从而进行定位；超声波定位法，利用局部放电时所产生的电信号和声信号之间的相对时间差或声信号和声信号之间的时间差，对局部放电进行空间定位。这几种方法都能帮助人们寻找局部放电位置，前两种方法只能确定大致部位，而不是空间精确位置。X射线法需要外加X射线发生装置，在线定位存在一定的困难。超声波定位方法是根据卫星定位原理实现的，从理论上讲，可以做到精确定位，在线检测方便。所以很多学者都对此进行了大量的研究，目前世界范围内的变压器局部放电定位系统多数采用电声定位法和声声定位法。

4 超声波检测局部放电原理

GIS中出现局部放电时，放电区域内分子间剧烈撞击激发超声信号，这些信号可由安装在GIS外面的传感器来检测。GIS中导电金属微粒碰撞外壳、电磁振动以及操作引起的机械振动等，发出的声波频率较低，一般都在10kHz以下。局部放电产生的声波频谱分布约为10Hz～107Hz，高频分量在GIS中传播衰减较大，检测高频超声波需要较高灵敏度。超声波检测GIS中局部放电时，监测谐振频率可选为20kHz～40kHz。其灵敏度不仅取决于局放产生的能量，而且最主要取决于信号的传播途径。声信号在GIS中的传播相当复杂，因为气体、绝缘子、金属外壳、导体及其它部件对声信号的传播特性各不相同，因此灵敏度不高，不能进行定量测量。

超声波检测一般采用超声传感器、前置放大器、DSP高速数据采集系统、基于ARM的高性能嵌入式控制平台和后台具有强大数据分析能力的服务器等。超声信号经过前置放大器放大后，送往DSP信号数据采集模块，经前期数字信号预处理后，最终通过网络传送给远程服务器，对信号进行抗干扰处理和提取特征参数后，存入局放信号特征数据库，专家系统根据特征数据库中的历史数据作出GIS绝缘状态的诊断。

GIS中的绝缘缺陷，主要有高压导体上的突出物、外壳上的微粒、浮动微粒、自由微粒、绝缘子上的微粒、绝缘子中的裂缝、绝缘中的气泡和浮动电极。超声信号的识别可以利用统计分类器，也可以利用人工神经网络。

局放的检测只是GIS绝缘监测整个过程中的第一步。在当前情况下，局放监测系统能够实现检测、识别和部分定位功能，但最终的定位和风险评估结论必须由专家给出。

5 结语

采用GIS局部放电在线监测，对于防止GIS设备内部故障的发生，随时掌握运行工况，及时发现故障隐患以及大幅度减少GIS设备故障率，具有十分重要的意义。但超声波局部放电检测法也存在一些不足之处，如对局部放电源的定位受外壳法兰的个数影响，单个法兰对声信号的衰减为8dB，因此这种方法的检测范围为1～2个气室。定位精度对接地侧放电可达10cm左右，高压侧电晕时，这种定位方法就不适用了。且检测范围有限，要求有大量传感器，测量比较费时，故对长期监测不实用。

局部放电产生的超声波信号包含了局部放电测量的多种信息，但是对这些信息的分析却刚刚起步，因此对于局部放电超声波法测量的深入研究，将可能得到令人鼓舞的结果，从而使局部放电的整体研究达到一个新的高度。

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