GIS带电检测中超声波干扰信号的多维度综合分析方法研究

杜 伟，杨 勇，梅冰笑，董雪松，邵先军

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

GIS带电检测中超声波干扰信号的多维度综合分析方法研究

杜 伟，杨 勇，梅冰笑，董雪松，邵先军

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

超声波局部放电检测法被广泛应用于现场GIS带电检测工作中，但该方法在现场实测时，受多种因素影响产生的干扰信号严重影响了缺陷诊断的准确性。通过对现场检测的超声波异常信号开展分析，综合屏蔽法、相位法、时差定位法等手段对现场测试数据进行诊断。该方法可用于指导现场超声波检测时干扰信号的分析与排除。

GIS；超声波；带电检测；局部放电；干扰信号

0 引言

GIS（气体绝缘组合电器）因具有占地面积小、维护工作量少、绝缘性能优良、可靠性高等优点而被广泛应用于高压输电领域。为保证GIS设备安全可靠运行，需对GIS进行周期性带电检测和日常维护[1]。

超声波检测法是最早应用于GIS设备局部放电带电检测的方法之一，积累了大量现场应用经验。其检测原理是：当GIS设备内部发生局部放电时，伴随有超声波信号的产生。使用耦合硅胶将超声波传感器贴附在GIS腔体上，通过压电传感器接收内部缺陷产生的超声波信号（10～200 kHz），通过对声波信号的诊断分析来判断GIS内部是否有放电现象[2-3]。由于超声波检测受电磁信号干扰较小，且不受试品容量的限制，可以根据声波信号对缺陷进行有效定位，该方法已经广泛应用于GIS设备日常检测、缺陷诊断中。

超声波信号传输过程中衰减较大，信号失真严重，易受设备本身机械振动及环境噪声的影响。此外，若超声波测量仪器含有外置放大器，高频电磁干扰信号会通过放大器裸露端口耦合进入仪器，在超声信号采集分析仪上引起频率较高的杂乱交变信号，从而影响有效信号的读取与分析[4]。以上情况对超声波测量的准确度均有严重影响，在现场超声波测量中应引起重点关注。

近年来，国内外对GIS设备中典型缺陷局部放电超声波检测进行了大量的研究工作，主要集中在放电模式识别、放电点定位等方面，取得了一定的研究成果。然而，关于GIS设备现场带电检测中超声波干扰信号的识别提及甚少。结合现场实测情况，对超声波异常信号采用信号屏蔽、时差定位、相位定位等多种方法进行综合分析，排查异常信号产生的原因，最终确认检测到的异常信号属于干扰信号，而非GIS设备故障引起的超声波异常信号。在上述基础上，提出了多手段综合分析GIS带电检测中超声波干扰信号的方法，以期为超声波异常信号的分析诊断提供重要的依据。

1 超声波干扰信号产生机理

在变电站进行现场特高频、超声波测试时，通常会受到变电站内局部放电产生的声音点与EMI（电磁干扰）信号的影响。局部放电主要来自变压器母线两端耐张线夹处、高压架空线路的耐张杆塔处、出线套管与线路搭接处、接地刀闸静触头等位置。

EMI信号通常会影响试验仪器采集信号的完整性与准确性，在现场试验时应特别关注。EMI信号传播途径一般分为传导耦合方式和辐射耦合方式。传导耦合必须有完整的电路连接，信号通过导电介质传递到试验仪器的敏感器，从而发生干扰现象。辐射耦合指EMI信号以电磁波的形式通过截止传播，干扰能量按电磁场规律向周围空间发射。常见的辐射耦合有3种：甲天线发射的电磁波被乙天线意外接收，称为天线对天线耦合；空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合；2根平行导线之间的高频信号感应，称为线对线的感应耦合。

超声波检测仪具有抗电磁干扰能力强的特点，但并非不受电磁干扰的影响，尤其是有外置放大器的检测仪器，例如：Transinor AS厂家的AIA超声波检测仪，在高处进行超声波测量时，EMI信号通过前置放大器的接口端子耦合进入试验仪器，进而通过传导耦合的方式传至仪器敏感器，对仪器的测量信号产生影响。现场检测时，常常使用铝箔包裹外置放大器接口端子处，以屏蔽EMI信号。

变电站电晕放电亦会产生声波信号，对现场GIS超声波检测造成干扰。由于这些声波信号与GIS气室内部局部放电形成的声信号特征谱图一致，难以分析，故现场测试时，需对异常信号进行比对，通过超声波信号定位进一步确认。

超声波信号几乎无法通过盆式绝缘子从一个气室传播至相邻的气室。在同一气室内，GIS局部放电发出的超声波信号一般通过2条路径传播至传感器：一条由局部放电源以纵波的形式直接传播至GIS外壳，即直达波；另一条先通过纵波传至GIS外壳，再以横波的形式通过筒壁传播至传感器，此部分为复合波[5]。由于复合波通过筒壁传播速度快且衰减大，往往先到达传感器，但其幅值比直达波小很多，信号谱图不明显。在现场测量时，超声波定位常常以直达波为准。

此外，设备正常工作状况下，TV（电压互感器）和TA（电流互感器）的内置绕组和铁芯会产生周期性的交变电磁场，引起磁滞伸缩现象[6]。所谓磁滞伸缩现象，即为铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，又恢复原来长度的现象。由于磁化状态的改变，其磁性物质尺寸在各方向发生变化，产生振动现象。所以，现场超声波测量中，若TV气室和TA气室的超声波信号异常，应通过纵向、横向比较的方式，对照历史数据，综合分析。

2 超声波干扰信号数据及分析

2.1 电磁信号干扰

2.1.1 测量数据

在某500 kV变电站550 kV HGIS设备区域现场检测时发现，某开关间隔A相隔离开关筒壁处超声波信号异常，信号谱图如图1所示。由图所知，超声波局部放电信号有效值为0.25 mV，周期峰值为1.5 mV，在连续模式下，该测点信号具有一定的50 Hz/100 Hz相关性。

将超声波探头置于隔离开关A相附近空气背景中，同样存在超声波异常信号，信号谱图如图2所示。由图可知，超声信号有效值为0.40 mV，周期峰值为1.9 mV，在连续模式下，具有一定的50 Hz/100 Hz相关性。

为排除外界电磁引起的超声波干扰信号，用铝箔包裹超声波放大器接口，如图3所示。

屏蔽外界电磁干扰信号后对隔离开关A相再次进行检测，检测结果如图4所示。

图1 隔离开关A相测点的超声波信号谱图

图2 隔离开关A相附近空气背景超声波信号谱图

图3 铝箔屏蔽后的放大器

由图4可知，经过铝箔屏蔽后，隔离开关A相所测信号明显降低，有效值降为0.15 mV，周期峰值降为0.90 mV，连续模式下，50 Hz/100 Hz相关性减弱。

图4 铝箔屏蔽后隔离开关A相测点超声波信号谱图

2.1.2 数据分析

因检测区域套管顶部存在明显的电晕放电现象，现场电晕声音清晰。隔离开关A相位于高处，超声波测量时需要登高，测点距离检测区域电晕放电套管顶部较近。将探头置于隔离开关A相筒壁周围空气中，超声波异常信号仍然存在，且信号幅值强于A相筒壁处测点超声波信号。两者信号相位谱图特征一致，呈2条斜天线状，属于同源信号。

屏蔽超声波放大器接口后，隔离开关A相筒壁信号幅值明显变小，50 Hz/100 Hz相关性减弱，但由于无法完全屏蔽电磁耦合信号，超声信号仍然存在。其相位谱图与未屏蔽时筒壁周边空气中超声信号相位谱图特征一致，为同源信号。

因此，现场所测隔离开关A相处超声波异常信号由检测区域套管顶部电晕放电产生的电磁干扰信号耦合进入超声波检测仪前置放大器所致，为超声波电磁干扰信号。

2.2 声波信号干扰

2.2.1 测量数据

在某500 kV变电站252 kV HGIS设备区域进行超声波检测时发现，靠近接地刀闸静触头的筒壁测点均存在超声波异常信号。以某开关间隔为例，对其TA气室、TA与隔离开关连接段气室进行测量分析。测点位置分布如图5所示。

TA测点（以下简称测点1）与连接段测点（以下简称测点2）的超声波信号连续、相位谱图如图6所示。由图可知，测点1处超声波信号有效值为0.16 mV，周期峰值为2.5 mV，在连续模式下，50 Hz/100 Hz相关性较大；测点2的超声波信号有效值为0.19 mV，周期峰值为2.1 mV，连续模式下，同样具有较大的50 Hz/100 Hz相关性。2处测点的相位谱图特征一致，具有同源性。

将超声波探头置于A相接地刀闸周边的空气背景中进行超声波测量，同样测得超声波异常信号。空气背景测点（以下简称测点3）的超声波信号谱图如图7所示。由图可知，测点3超声波信号有效值为0.19 mV，周期峰值为2.2 mV，连续模式下，存在50 Hz/100 Hz相关性。

2.2.2 数据分析

比较图6、图7可知，实测TA处测点、连接段处测点与空气背景中的超声波信号相位谱图特征一致，初步认为3处信号为同源信号，所测的超声波异常信号为干扰信号。为确定干扰信号的类型，与相关标准（DL/T 1250-2013）、导则（Q/GDW 11059.1-2013）中所给出的典型谱图进行了比对。根据图8提供的典型GIS毛刺放电信号的超声波相位谱图可知，3处测点的相位谱图与典型毛刺谱图特征类似，呈毛刺放电特征。

为确定超声波传感器所测干扰信号的来源，采用相位角和时差2种方法来确定干扰源位置。对3个测点进行相位定位。各测点与线路接地刀闸静触头间距离如表1所示。

图5 开关间隔A相测点位置分布

图6 测点处超声波连续、相位谱图

图7 空气背景测点超声波信号谱图

定位结果如图9所示。由图9可知，测点3相位角超前测点1相位角65°，测点1相位角超前测点2相位角28°。由此可知，超声波干扰信号由线路A相接地刀闸发出，信号通过空气传至TA与连接段测点，TA测点先接收到信号。

图8 典型毛刺放电相位谱图

表1 测点与线路接地刀闸静触头间距离

图9 相位角定位图

现场进行超声波信号定位时，相位定位采用公式为：

式中：Δδ为相角差；Δx为距离差；v为声速，即340 m/s。

按表1实测距离通过公式（1）进行相位换算，空气背景信号相位角领先TA测点相位角80.36°，TA测点相位角领先连接段测点相位角26.63°。计算结果与实测结果基本一致，说明信号是先经空气再传播到GIS筒壁上。

为进一步确定超声波异常信号来源，对连接段测点与空气背景测点进行示波器时差定位。定位结果如图10所示，其中CH1为连接段测点信号，CH2为空气背景测点信号。由图可知，CH2信号领先CH1约5.7 ms。通过时差定位公式（2）计算：

式中：Δx为距离差；Δt为时间差；v为声速。

图10 时差定位

由结果可知，2个测点间距离为1.952 m，与实测距离差2.021 m接近（如表1所示）。故确定干扰源位于A相接地刀闸静触头处，干扰信号经空气传播至GIS筒壁。

综上所述，现场实测超声波异常信号为干扰信号，信号类型呈毛刺放电，由测量筒壁附近A相接地刀闸静触头处传出。

2.3 设备自身信号的干扰

2.3.1 测量数据

在某500 kV变电站252 kV GIS设备区域内进行超声波检测时发现，TV气室均存在超声波异常信号。以某开关间隔TV A相气室为例，测量分析。现场测量中，超声波背景信号有效值为0.15 mV，周期峰值为0.54 mV，无频率分量，背景信号正常。TV A相气室超声波信号谱图如图11所示，测点处超声波信号有效值为0.18 mV，周期峰值为0.87 mV，在连续模式下，存在50 Hz/100 Hz相关性。

2.3.2 测量分析

现场测量中背景信号正常，TV A相测点存在超声异常信号。为确定超声波异常信号类型，与相关标准（DL/T 1250-2013）、导则（Q/GDW 11059.1 -2013）中所给出的典型图谱（如图12所示）进行比对。可知，开关间隔TV A相测点的超声波相位谱图与典型振动图谱特征基本类似，呈内部机械振动特征。

由于所测变电站252 kV设备区域内TV气室均存在超声波异常信号，谱图特征一致，说明该站的252 kV GIS TV的超声波信号不是由内部缺陷引起，而是由设备自身结构引起的。

3 结语

现场超声波测量时，应及时参考历史数据，横向、纵向比对，进行多维度综合分析，排除潜在的超声波干扰信号，提高现场检测的准确性。

对有前置放大器且进行高处测量的情况，需重点关注电磁信号的干扰。经过大量的现场测量，认为图2中的信号谱图为典型的电磁干扰信号谱图，频率分量明显，且100 Hz分量大于50 Hz分量，相位谱图呈2条斜天线状，有一定的倾斜角。

若GIS筒壁中存在的异常信号相位谱图与DL/T 1250-2013，Q/GDW 11059.1-2013中给出的典型异常信号相位谱图特征相似，且测点空气背景中存在相同的超声波信号，则初步断定为干扰信号，需通过相位法、时差法进一步确定信号来源，判断是否为干扰信号。

GIS设备中TV和TA中检测到的超声波振动信号，若有效值小于0.5 mV，周期峰值小于1.5 mV，频率分量较小，则该信号为设备自身特殊结构引起的磁滞伸缩现象所致，可不做处理。若信号幅值大于上述值，需进一步测量分析。

图11 TV A相测点处超声波连续、相位谱图

图12 典型机械振动相位谱图

[1]司文荣，黄华，傅晨钊，等.超声检测进行气体绝缘组合电器典型绝缘缺陷识别[J].高压电器，2011，47（12）∶11-18.

[2]LUNDGAARD L E.Partial dischargeⅩⅢ∶Acoustic partial discharge detection-fundamental considerations[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine，1992，8（4）∶25-31.

[3]李燕青，陈志业，刘云鹏，等.超声波法进行变压器局部放电模式识别的研究[J].中国电机工程学报，2003，23（2）∶108-111.

[4]李颖.GIS局部放电超声检测技术的研究及应用[D].大连：大连理工大学，2014.

[5]刘君华，姚明，黄成军，等.采用声电联合法的GIS局部放电定位试验研究[J].高电压技术，2009,35（10）∶2458 -2463.

[6]张红菊.稀土超磁致伸缩电流互感器的研究[D].西安：中国科学研究院西安光学精密仪器研究所，2008.

（本文编辑：徐 晗）

Research on The Multi-dimensional Comprehensive Analysis Method of Ultrasonic Interference Signal in Live Detection of GIS

DU Wei，YANG Yong，MEI Bingxiao，DONG Xuesong，SHAO Xianjun

（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Ultrasonic-based partial discharge detection method is widely used in live detection of field GIS. But in actual field detection，the accuracy of defect diagnosis of this method is seriously affected by the interference signal due to various factors.In this paper，the abnormal ultrasonic signal in field detection is analyzed，and through the shielding method，phase method，time difference location method the field test data are diagnosed.The method can be used to direct the analysis and elimination of interference signal in field ultrasonic detection.

GIS；ultrasonic；live detection；partial discharge；interference signal

TM835.3

B

1007-1881（2016）10-0001-06

2016-03-28

杜 伟（1988），男，工程师，从事电力系统高压试验工作。