GIS設備超聲波局放信號異常的分析

徐 華，顧文濤，沈中元

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000；3.國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

全封閉組合電器GIS具有結構緊湊、安全可靠、維護簡單等優點，在電力系統得到了廣泛的應用[1]。對浙江電網最近12年的近20起GIS設備故障統計分析表明，絕緣故障占60%。實踐證明，開展局部放電（簡稱局放）檢測可以有效避免GIS事故的發生，GIS設備的局放既是內部絕緣故障的先兆，也是絕緣故障的典型表現。

1 超聲波和特高頻局放測量技術

1.1 超聲波局放測量技術

當GIS內部發生局部放電時，由于分子的劇烈撞擊、氣泡的形成和發展、顆粒的跳動以及固體材料的微小振動，會發出幾十至幾百千赫茲的瞬態高頻超聲波，信號波長較短，方向性較強，能量較為集中。超聲波向四周傳播時，經過氣體介質和金屬殼體后到達電氣設備容器的表面。超聲波局放檢測就是將傳感器貼于設備表面，傾聽與捕捉由設備內部故障如局放、部件松動、電弧與過熱等產生的瞬態超聲脈沖信號并進行適當的處理，如相位特征識別與定位等，以此來判別故障狀態。圖1為超聲波檢測GIS設備局放信號的原理圖示。

圖1 超聲波檢測局部放電的原理圖示

超聲波測量技術有以下特點：

（1）抗干擾能力強，檢測頻帶一般取10～100 kHz。

（2）容易實現局部放電定位[2]。

（3）能根據超聲信號的波形特征、頻譜特征和傳播衰減特征等進行故障診斷[3]。超聲波信號在SF6氣體中的傳播速度約為140 m/s，在鋼板中的傳播速度約為6000 m/s。

（4）GIS體外傳感儀器簡單，使用方便安全。

（5）超聲信號衰減明顯，在SF6中為26 dB/m，在空氣中為0.9 dB/m。

超聲波診斷的最大靈敏度約30 kHz，在10～100 kHz范圍內也相對靈敏。超聲波傳感器固定方式如圖2所示，先將松緊帶穿過固定塊兩端的固定環，松套在GIS的外殼上，然后把聲發射傳感器放在固定塊下面，在傳感器和外殼之間涂抹耦合劑，再收緊松緊帶。一般每隔1 m設1個測試點，測試點宜選殼體的底部。

圖2 超聲波傳感器固定方式

目前，超聲波測量技術在運用中的難點是信號的標定，即難以對局放信號進行有效評估。

1.2 特高頻局放測量技術

GIS局部放電特高頻（以下簡稱UHF）信號傳感由英國學者首先提出和研究，在檢測靈敏度和抗干擾能力方面顯示了良好的特性。GIS內有局放發生時，會伴隨1個很陡的電流脈沖（上升時間小于1 ns），并在GIS腔體內激勵出頻率高達數吉赫茲的電磁波。UHF測量就是利用UHF傳感器來檢測該電磁波信號。UHF檢測GIS設備局部放電的原理如圖3所示。

圖3 UHF檢測局部放電原理

UHF測量技術有以下特點：

（1）避開了電網中主要的電磁干擾頻段（主要集中在300 MHz以下），具有良好的抗電磁干擾能力[3]，檢測頻帶為 300～1500 MHz。

（2）對GIS的各種放電性缺陷均有較高的靈敏度，但不能發現墊圈松動、粉塵飛舞等非放電性缺陷。

（3）根據電磁波信號的衰減和時差，可進行局放定位[4]。

（4）根據放電脈沖的波形特征和UHF信號的頻譜特征，可進行故障診斷。

（5）信號傳播衰減較小，絕緣屏障會造成約2 dB的信號衰減，轉角結構會造成約6 dB的信號分散。

目前，UHF測量技術在運用中面臨的難點是視在放電量的標定問題，即難以對局放信號進行有效評估。

2 缺陷情況介紹

在對某126kV GIS進行帶電檢測時，發現某線路隔離開關及接地開關氣室附近內部有異聲，但聲音較小。使用超聲波檢測儀器進行測試時，其它氣室的超聲波信號有效值都與背景值相近，約0.32mV，沒有50 Hz和100 Hz的相關性信息，但該線路隔離開關及接地開關氣室的信號有效值偏大，約為3.57mV，50 Hz相關性不明顯，而100 Hz相關性則較明顯。改變帶通濾波器的上限頻率至20～100 kHz，信號基本無變化；使用特高頻局放技術進行檢測時，在該氣室附近的檢測點均未檢測到局放信號；使用SF6分解物測試儀進行測試，也未測到SO2和H2S信號。

3 原因分析

為查找缺陷部位，使用網格法對超聲波信號偏大的氣室及相鄰氣室的殼體表面進行劃分，如圖4所示，在每個網格處測量超聲波信號。在殼體的另一側、上側和下側也使用同樣的方法進行劃分，但測得的數據相對偏小。各點的超聲波有效值測試數據見表1，根據測試結果、結構布置和內部異聲可得到以下結論：

（1）電流互感器、電壓互感器、避雷器氣室的超聲波信號均較隔離開關及接地開關氣室的信號小，說明缺陷在隔離開關及接地開關氣室內。

圖4 隔離開關氣室殼體的網格劃分及編號

表1 各網格處測量的超聲波信號有效值 mV

（2）超聲波信號在隔離開關及接地開關氣室較大范圍內存在，說明缺陷位于中心導體上。

（3）28，29號網格的超聲波信號有效值較其它網格大，說明缺陷位于28，29號網格附近。

（4）結合三相導體的內部布置，可以確定較大的超聲波信號來自于B相導體。

（5）內部異聲的原因可能是B相導體的某個部件松動，在內部電場作用下發生振動，從而產生了幅值較大的超聲波信號。

4 解體檢查

設備停運解體后，發現隔離開關及接地開關氣室B相靠近盆式絕緣子的導體屏蔽罩有輕微松動，屬于產品本身的固有缺陷，設備生產廠家在后期產品中已停用該型號屏蔽罩。更換屏蔽罩后，重新進行超聲波局放測試，隔離開關氣室及附近氣室的超聲波缺陷信號均消失，輕微異聲也同時消失。

5 結論

（1）對于較小的局放信號，難以用化學分解物測試來檢測相關分解物。

（2）利用超聲波檢測儀器發現缺陷信號時，可使用網格法對缺陷氣室外殼進行劃分測量，找到信號幅值最大點，再根據幅值及信號與50 Hz和100 Hz的相關性進行初步分析，從而確定缺陷的具體位置。

（3）對因部件松動引起的較小的局放信號，特高頻法檢測不夠靈敏。

[1]肖登明，董越，黃東海.我國特高壓輸電工程的GIS技術[J].高電壓技術，2006，32（12）∶115-117.

[2]肖燕，黃成軍，郁惟鏞，等.基于小波和分形分析的GIS局部放電信號特征提取[J].電力系統自動化，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]錢勇，黃成軍，江秀臣，等.基于超高頻法的GIS局部放電在線檢測研究現狀及展望[J].電網技術,2005，29（1）∶40-43.

[5]劉君華，姚明，王江，等.基于GIS中電磁波傳播路徑特性的局放源定位方法[J].電力系統自動化，2008，32（21）∶77-81.