超声波和特高频在GIS局部放电检测中的联合应用

谢耀恒，徐 波，段肖力，吴水锋，孙利朋

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

超声波和特高频在GIS局部放电检测中的联合应用

谢耀恒，徐 波，段肖力，吴水锋，孙利朋

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

介绍了特高频和超声波在GIS缺陷检测中的联合诊断方法，现场应用该方法成功发现GIS内部局部放电缺陷，并采用时差法对放电源进行定位，最终准确找到并解体消除缺陷，避免严重事故的发生。现场应用表明，该方法能有效地诊断出GIS内部缺陷。

局部放电；超声波；特高频；带电检测；故障诊断

GIS(gas insulated switchgear)设备的安全运行对整个电力系统的稳定至关重要，一旦发生故障，将引起大面积停电事故。由于GIS设备机构的特殊性，其停电检修时除需要投入大量的人力物力外，还需要较长的维修时间，造成较大经济损失〔1〕。GIS在设备制造、运输、安装、运行等环节均可能产生设备安全隐患，造成绝缘缺陷。主要缺陷形式包括:固体绝缘件内部放电、悬浮电位、尖端放电、自由微粒等。放电过程中会激发电磁波，并产生超声波信号，高能量放电还会伴随SF6气体分解，产生相应的化学产物。目前现场较多采用特高频、超声波、气体分解物检测技术对GIS设备进行局部放电故障检测和定位〔2-3〕。

文中结合某220 kV变电站GIS设备内部缺陷检测案例，介绍GIS局部放电缺陷超声波和特高频联合检测(以下简称声电联合检测)、诊断和定位的方法及过程，并结合设备解体情况分析缺陷产生原因。

1 局部放电检测方法

1.1 超声波法

超声波局部放电检测法是利用压电式传感器，接收放电时产生的脉冲波，该方法可通过定位超声波来源确定放电位置，且受周围电磁干扰影响较小，但超声波信号传播途径复杂，且容易受到其他振动信号的干扰〔4-5〕。

1.2 特高频法

特高频检测法是通过接收局部放电发生过程中辐射的特高频电磁波实现对局部放电的有效检测，检测频段一般为300 MHz～3 GHz，由于现场的电晕干扰主要集中在300 MHz频段以下，因此特高频法能有效地避开现场的电晕等干扰，常用于GIS、全封闭罐式断路器、变压器等设备的局放带电检测，但其定位精确度有限，需结合其他方法共同定位局放发生位置〔6-7〕。

1.3 声电联合检测法

声电联合法是同时提取局放信号的特高频信息和超声信息，通过对两种信号的对比分析，判断信号是否具有一致性，能更加有效地排除现场干扰，提高缺陷类型识别的准确性。

采取声电联合定位技术能将特高频法快速定位和超声法精确定位的特点有效结合，首先利用特高频法初步定位放电发生位置，再通过测量不同位置超声波的传播时差，结合信号传播路径，计算局部放电发生位置，从而提高局部放电定位的准确性。

2 现场检测案例

对某220 kV变电站GIS设备进行例行带电检测工作时，通过超声波和特高频检测发现110 kV GIS 516间隔C相出线气室内存在内部严重局部放电缺陷，并通过声电联合诊断及定位，定位故障点位于C相套管底座下部支撑绝缘子与导电杆连接处，放电类型为悬浮放电。几天后解体检查后，发现该516 C相出线气室内支撑绝缘子屏蔽罩与导电杆连接处等电位弹簧螺栓松动，导电杆及屏蔽罩上有明显烧伤痕迹，支撑绝缘子上布满放电粉尘。现场对故障部位处理后，恢复后复测无异常信号，避免了一起电网设备事故。

110 kV GIS 516间隔C相出线气室和传感器布置如图1所示。采用超声波法和特高频法分别对516间隔C相出线气室进行了检测，检测到的超声波和特高频信号如图2，3所示。

根据超声波和特高频检测结果分析，超声波连续图谱100 Hz相关性明显，相位图谱1个工频周期内有两簇波峰，特高频图谱1个工频周期内有2簇幅值等高信号，符合悬浮电位典型放电特征，由此可判断516间隔C相出线气室存在内部局部放电缺陷，缺陷类型为悬浮电位放电。

图1 出线间隔及检测位置示意图

图2 超声局放检测图谱

图3 特高频局放检测图谱

为了精确查找内部放电位置，借助高速示波器采用超声波和特高频联合定位技术对放电源进行了定位。首先特高频传感器和超声波传感器布置如图1所示，检测到的信号如图4所示。由图4可知，特高频和超声均检测到了局放信号，并且能一一对应，说明两者检测到的为同一信号；另外，每10 ms出现了一次放电，特高频信号间隔等宽、脉冲幅值几乎相等，说明该信号为典型悬浮放电，通过原始时域波形分析也验证了之前的检测结果。

图4 多周期特高频和超声波时域波形图

通过声电联合定位，将特高频信号作为放电起始点，根据特高频信号与超声波信号间的时延差计算出放电源位置，由此可初步定位出放电源在套管附近。由于516间隔C相出线气室没有盆式绝缘子，进一步精确定位采用两个超声波传感器进行，布置示意图如图5所示，超声时域信号波形如图6所示(通道3-1号超声传感器、通道4-2号超声传感器)。通过多次移动超声传感器根据两个超声波传感器时延差定位，定位结果表明异常信号点位置在图5中2号超声传感器附近，即支撑绝缘子屏蔽罩与导电杆连接处。

图5 超声定位传感器布置

图6 定位时域波形图

3 设备解体检查情况

对516出线间隔进行解体检查，根据超声波定位结果，打开516间隔出线气室C相侧面盖板，对GIS内部进行检查，如图7所示，发现516 C相靠套管侧水平导电杆与支撑绝缘子连接处有较多放电粉尘，对C相水平导电杆拆除发现，水平导电杆与屏蔽罩等电位螺栓弹簧已烧蚀。

图7 现场解体情况

4 原因分析及缺陷处理

516出线间隔内部结构如图8所示。根据GIS带电检测及定位结果，并结合解体分析，判断该缺陷原因为:导电杆与支撑绝缘子屏蔽罩通过连接螺栓弹簧等电位连接，由于516 GIS C相水平导电杆与支撑绝缘子屏蔽罩产生错位，导致导电杆与屏蔽罩等电位螺栓弹簧接触不良，产生悬浮放电；放电导致螺栓弹簧烧蚀，屏蔽罩完全悬浮，随后在导电杆离屏蔽罩距离较近处继续产生悬浮放电，放电产生大量金属粉尘。

图8 GIS内部结构示意图

更换损坏的螺栓，对导电杆表面进行处理，彻底清理放电形成的粉尘，对气室氮洗抽真空后注入合格SF6气体，静止24 h后进行SF6气体微水及分解产物、交流耐压、回路电阻试验，试验合格后投入运行，运行后再次对该间隔进行GIS超声波及超高频局放检测，无异常。

5 结语

1)特高频和超声波法两种带电检测技术联合检测，可有效发现GIS内部潜伏性缺陷，提高缺陷诊出率，并可根据特高频和超声波实现缺陷定位，为GIS检修提供重要参考。

2)故障诊断应充分结合带电检测、在线监测、停电试验等多种方式，必要时通过解体检查来查找故障部位，分析故障原因，避免遗漏设备可能存在的缺陷。

3)悬浮电位缺陷本身发生事故的概率较小，但在本次事件中，悬浮电位放电强度较大，可能会产生金属粉尘导致闪络击穿、金属部件如屏蔽罩接触不良(或松动)可能导致金属部件脱落等引发事故风险。

4)GIS设备出厂及交接试验不一定能发现设备隐藏的缺陷。设备投运后，设备状态可能发生较大变化，因此在设备投运后应加强带电检测。

〔1〕唐炬，魏钢，侍海军，等.气体绝缘组合电器局部放电的超高频检测〔J〕.重庆大学学报(自然科学版)，2004，27 (4):1-5.

〔2〕司文荣，李军浩，袁鹏，等.气体绝缘组合电器多局部放电源的检测与识别〔J〕.中国电机工程学报，2009，29(16): 119-126.

〔3〕李立学，滕乐天，黄成军，等.GIS局部放电超高频信号的包络分析与缺陷识别〔J〕.高电压技术，2009.35(2):260-265.

〔4〕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.

〔5〕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.

〔6〕李忠，陈杰华，胡迪军，等.基于超高频检测技术研究GIS中的局部放电〔J〕.电力系统自动化，2004，28(1):41-44.

〔7〕钱勇，黄成军，江秀臣，等.基于超高频法的GIS局部放电在线监测研究现状及展望〔J〕.电网技术，2005，29(1): 40-43.

Combined application of ultrasonic and ultra high frequency techniques in the partial discharge detection of gas insulated switchgear

XIE Yaoheng，XU Bo，DUAN Xiaoli，WU Shuifeng，SUN Lipeng
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，Hunan，China)

The combined diagnostic method for partial discharge(PD)detection of gas insulated switchgear(GIS)is presented in this paper.The inner fault of GIS was found by the combined diagnostic method，the discharge power was located by the time difference method，and the potential defect is eliminated in the end to prevent serious accidents.The live application shows that the method presented in the paper can diagnose the defects in GIS more successfully.

partial discharge(PD)；ultrasonic wave；ultra high frequency(UHF)；live detection；fault diagnosis

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0063-03

谢耀恒(1985)，男，博士，工程师，主要从事电力设备状态检测和诊断技术研究工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.016

2015-12-29 改回日期:2016-02-24