超高頻和超聲波聯合法在運行GIS設備局放檢測中的應用

摘要：本文主要介紹了GIS局放產生的原因、現階段檢測局放用到的幾種方法及各自優缺點，介紹了超高頻和超聲波聯合檢查法的基本原理及步驟。

關鍵詞：GIS局放 超高頻 超聲波 聯合檢測

1 概述

近年來，隨著電力工業對可靠性要求的提高、社會發展對資源節約要求的提高以及電力市場對降低運行費用要求的提高等方面的原因，GIS變電站的數量不斷增加。由于其危險性大，結構復雜，造價高，因此其故障后果是很嚴重的。

經過多年統計研究證明，GIS設備的故障中以絕緣故障為主。而設備的局放往往是絕緣性故障的表現形式及其先兆，局放使得SF6氣體分解，影響電場分布，使電場發生畸變，腐蝕絕緣材料。因此，局放的檢測是減少GIS設備故障的有效手段。

2 GIS局放產生的原因

GIS中有可能出現的主要絕緣缺陷可以總結為以下幾個方面：①自身固有缺陷，包括由于制造不良或安裝損壞等造成的導體和外殼內表面上的金屬突起，以及在固體絕緣表面上的金屬微粒。其中，金屬突起會導致毛刺而且毛刺較尖。在工頻狀態下是不會被擊穿的，但是在快速電壓沖擊、快速暫態過電壓條件下卻很危險。②絕緣子在制造過程中可能產生的內部空隙或是由于實驗閃絡引起的表面痕跡，此外還包括由于金屬電極與環氧樹脂的收縮系數的不同而形成氣泡或空隙。這些GIS設備的絕緣缺陷很有可能會在GIS設備中產生局部放電甚至會腐蝕絕緣材料，并最后導致絕緣擊穿。③傳導部分的接觸不良。比如說靜電屏蔽還有其它浮動部件。這個原因產生的放電可能性非常大，但是通常都易于檢測。④GIS的自由金屬微粒。金屬微粒是GIS中最普遍的微粒，它有積累電荷的能力。在制造、裝配以及運行中均有可能產生。金屬微粒在交流電壓場的影響下會移動，一般情況下運動與放電的可能性是隨機的。放電最可能在靠近高壓導體但并沒有接觸時發生，且放電可能性比為固定物的同樣微粒高10倍左右。

3 可用于GIS設備局放檢測的方法及其優缺點

對局放研究的結果表明，局部放電發生時會有物理的、化學的、電的效應，原理上講，任何一種現象都可用來揭示局放現象。局放的檢測手段也就有了電的和非電的兩大類。非電的方法包括光學方法、化學方法以及聲學檢測法。光學方法檢測結果容易分析，對GIS而言是利用視窗來觀察內部的放電。此種方法本是最敏感的，因為光電倍增器可以檢測到甚至一個光子的發射，但是由于射線會被SF6氣體或者絕緣子吸收，而且GIS設備光滑內壁的反射也會影響檢測結果，因此這種方法靈敏度較低，局限性較大。化學的方法是利用放電會使氣體分解從而產生新的成分，通過測量氣體生成物的含量來判斷是否有局放發生。但是設備本身的干燥劑和吸附劑可能影響檢測結果，還有斷路器合跳時產生的電弧也會使氣體分解。所以這種方法也有一定的局限性。聲學檢測法即利用GIS設備局放激發的聲音信號中含有比較寬的帶寬，可以在GIS外殼上用加速度傳感器或者超聲波傳感器檢測到。其優點是傳感器與設備沒有電氣方面的聯系，可以不用考慮電氣回路的干擾，而且還能對局放源進行定位。電的方法包括常規方法和超高頻法，其中常規方法包括電極法、測量通過地線電流的方法以及在絕緣子內預埋電極的方法，但是這些在檢測時，要么干擾信號導致無法判斷，要么影響GIS設備的正常運行，要么兩者都有。這樣就使得超高頻法比較被重視。

下面主要介紹超聲波法和超高頻法。

3.1 超聲波法 GIS設備發生局放時分子間會劇烈碰撞并在瞬間形成一種宏觀上壓力，從而產生超聲波脈沖，該信號波長較短，方向性較強，因此它的能量較為集中。超聲波在氣體中衰減很大，在金屬中衰減不大。

在超聲波傳播的過程中，由介質的吸收效應導致高頻分量衰減、不同介質的傳播速率差異以及在邊界處產生的折射、反射，都會對接收到的脈沖信號產生影響。因此檢測的有效性和靈敏性取決于局部放電的類型和能量大小以及聲信號在不同介質中的傳播特性和具體的傳播路徑。

超聲波檢測法的優點是設備使用簡便。通過比較信號的幅值可以定位到缺陷發生的腔體甚至精確到厘米范圍內。缺點是易受周圍環境的影響，特別是設備本身運行中具有的振動，對超聲波檢測影響很大。在定位缺陷時，需要逐點測量GIS，工作量非常大。

3.2 超高頻法 采用超高頻法檢測GIS設備局放是20 世紀80 年代初期由英國中央電力局開發出來的，該方法由Scottish Power 于1986 年最先引進并應用在英國的Torness 420kV 的GIS 設備上。

運行中的GIS 內部充有SF6氣體，其擊穿場強和絕緣強度都很高。當局部放電發生在很小的范圍內時，氣體擊穿過程會很快，會產生很陡的脈沖電流。放電脈沖持續時間為幾ns，其波頭上升時間僅1ns 左右，激發的電磁波頻率可達GHz。

局放激發的超高頻在同軸波導中傳播時，不僅以橫向電磁波（TEM）形式傳播，而且還會以橫電波（TE）和橫磁波（TM）形式傳播。橫向電磁波（TEM ）可以以任何頻率在GIS 中傳播，但當其頻率在100MHz以上時，會隨著頻率的增高衰減很快。而橫電波（TE）和橫磁波（TM）則各自具有下限截止頻率fc，當信號頻率小于截止頻率時，其衰減很大；當信號頻率大于fc 時，基本上無衰減。

超高頻法是把GIS設備看做是具有不連續點的同軸波導，局部放電產生的短脈沖所激發的電磁波在其中傳播，傳感器作為天線接收此電磁波，并對其進行分析，實現故障定位和模式識別。超高頻法具有靈敏度高、抗干擾能力強、可識別故障類型及進行定位等優點。

4 超高頻和超聲波聯合法測GIS設備局放

根據上面的介紹，根據現場運行的GIS的結構特點，采用UHF法與超聲波法聯合測試法(聲電聯合法)對GIS進行局部放電在線監測是最好的手段。超高頻法和超聲波法都可以帶電檢測，而且不必改變設備的運行方式。這兩種檢測方法都比較簡便實用。通過這兩者的比較可以看出：超高頻法抗干擾性能強，對電信號靈敏性強，但實現設備缺陷的精確定位比較困難；而超聲法則可實現設備缺陷的精確定位。兩者聯合使用，可以相互取長補短，是實現對GIS局部放電準確檢測的重要手段。

超聲波和超高頻聯合檢測系統，將超高頻傳感器固定在盆式絕緣子上，超聲波傳感器安裝在外殼上。傳感器檢測到的局放信號輸入到PD檢測系統進行檢測，PD檢測系統包括信號放大器，信號采集前段以及專家系統。傳感器檢測到的局放信號先經過信號放大器，然后進入信號采集前端，經過采集前段處理后進入專家系統進行分析。

使用超聲波和超高頻聯合法檢測GIS設備局放的步驟為：①進行超高頻信號的檢測。在GIS盆式絕緣子上放置超高頻傳感器，測量電磁波信號，判斷是否有電磁波的存在。②進行超聲波信號的檢測。在GIS外殼上放置超聲波傳感器，測量超聲波信號，判斷是否有超聲波的存在。③根據出現的幾種不同情況進行進一步的判斷。大概情況有以下幾種：a超高頻信號和超聲波信號都存在。這時應同時進行粗定位和精確定位。粗定位用超高頻法，精確定位用超聲波法。若兩者都定位在同一腔體內且表現基本一致，則可以判斷該腔體內有局放現象，存在絕緣缺陷。應根據具體情況進一步檢測或采取措施。b只有超聲波信號沒有超高頻信號。這時應使用超聲波法在超聲信號最強的部位進行精確定位。通過設備結構及具體位置進行分析。判斷是否是設備的結構或者設備本身的正常振動導致超高頻信號衰減很大，不能通過位置測量到。同時設備進行重點跟蹤觀察。c只有超高頻信號沒有超聲波信號。這時應該通過改變UHF傳感器的位置擺放、信號的頻率分布、傳感器絕緣缺陷的方向性來判斷是否存在另外的干擾源或者是周圍設備發生了局部放電。并對該設備進行重點跟蹤觀察。d超高頻和超聲波信號都沒有。這時可以判斷沒有局放的發生。

5 結論

GIS局放定位以超高頻和超聲波聯合檢測法為優，兩者互相補充，充分發揮各自優勢，避免各自不足做到對GIS局部放電進行準確的檢測。其中，放電的初步定位采用超高頻法，準確定位采用超聲波法。在使用中應該注意對超聲和超高頻檢測的結果注意進行對比，在比較的基礎上做出判斷，對任何一種方法進行的測量結果都要進行仔細分析，同時對不能立即判定的設備進行重點跟蹤檢測。使用超高頻時避免電暈干擾，使用超聲波時避免振動干擾。盡量做到局放判斷的準確。

作者簡介：

靳鍵云（1961-），男，河北正定縣人，1984年畢業于山西電力學院發配電及其自動專業化，工程師，主要從事科技研發工作。