超聲波用于GIS局部放電檢測探討

穆　強，喻勇麗

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

超聲波用于GIS局部放電檢測探討

穆強，喻勇麗

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：隨著GIS變電站數量的增多，GIS設備發生故障的幾率也在增加。研究表明，GIS設備內部故障以絕緣性故障為多。GIS設備的局部放電往往是絕緣性故障的先兆和表現形式，GIS設備中放電使SF6氣體分解，嚴重影響電場分布，導致電場畸變，絕緣材料腐蝕，最終引發絕緣擊穿。實踐證明，開展局部放電檢測可以有效避免GIS事故的發生，本文介紹了基于超聲波法對GIS局部放電的檢測。

關鍵詞：局部放電；GIS；超聲波法

0　引言

SF6氣體絕緣組合電氣設備（GIS）因其故障率低、免維護等特點而在電力系統中被廣泛使用。但是，GIS具有全封閉的特殊性，使得除了進行微水檢測等少數試驗項目外，現行的高壓試驗的大多數項目無法應用于GIS，長期以來，它幾乎處于無維護狀態。因此，目前國內外廣泛采用局部放電超聲波檢測技術等非電量測量法來檢測GIS故障，為提前發現可能出現的異常和故障提供預警，及時進行處理。

1　GIS局部放電的原因

在GIS的各類故障中，絕緣故障占有較大比例。導致這些絕緣故障的主要是一些絕緣缺陷，如內部故障缺陷、自由顆粒、毛刺、接觸不良、固體絕緣表面臟污等。在高電壓作用下，隨著這些微小缺陷的逐漸擴大，會使放電所產生的電荷在固體絕緣表面逐漸積累，導致電場分布的嚴重畸變。造成絕緣擊穿和沿面閃絡。局部放電是GIS發生絕緣故障的先兆和表現形式。GIS局部放電產生的原因有以下幾種（如圖1所示）。

（1）固定缺陷。其中包括導體和外殼內表面上的金屬突起，以及固體絕緣表面上的微粒。金屬突起通常是在制造不良和安裝損壞擦劃時造成的，導致毛刺且較尖。在穩定的工頻狀態下不引起擊穿，但在快速電壓如沖擊、快速暫態過電壓（VFTO）條件下則很危險。

圖1　局部放電產生的原因

（2）GIS腔體內可以移動的自由金屬微粒。金屬微粒是最普遍的微粒，在制造、裝配和運行中均有可能產生，它有積累電荷的能力。在交流電壓場的影響下能夠移動，當靠近高壓導體且并未接觸時，放電最可能發生。

（3）傳導部分的接觸不良。如靜電屏蔽和其他浮動部件，這些浮動部件產生的放電通常比較大，通常易于檢測，放電趨向于反復。

（4）絕緣子制造時內部空隙和實驗閃絡引起的表面痕跡，此外，因環氧樹脂與金屬電極的收縮系數不同，也會形成氣泡和空隙。這些GIS的絕緣缺陷類型極有可能會在GIS中產生局部放電現象，在絕緣體中的局部放電甚至會腐蝕絕緣材料，進一步發展成電樹枝，并最后導致絕緣擊穿（表1）。

表1　絕緣破壞過程

可以看出，必須把局部放電限制在一定的水平之下。對電力設備進行局部放電試驗，不但能夠了解設備的絕緣狀況，還能及時發現許多有關制造和安裝方面的問題，確定絕緣故障的原因及嚴重程度。

2　局部放電的檢測方法

局部放電的檢測以局部放電所產生的各種現象為依據，通過表述該現象的物理量來表征局部放電的狀態。局部放電過程除了伴隨著電荷的轉移和電能的損耗之外，還會產生電磁輻射、超聲波、發光、發熱以及出現新的生成物等。因此與這些現象相對應，局部放電的檢測方法可分為電氣測量法和非電測量法兩大類。其中電氣測量法主要包括脈沖電流法、無線電干擾法、超高頻檢測法等，而非電測量法則主要包括光測法、化學檢測法、超聲檢測法等。本文主要介紹超聲檢測法。當設備局部放電時會伴有發聲現象。可通過將超聲波傳感器安裝在電力設備外殼上檢測局部放電產生的聲信號，達到檢測目的。該方法抗電氣干擾的能力強，可對GIS、變壓器等電氣設備的局部放電進行檢測和定位。

3　超聲波法檢測局部放電概述

在局部放電發生時，放電區域內分子間會劇烈撞擊，同時介質由于放電發熱而瞬間體積發生改變，這些因素都會在宏觀上產生脈沖壓力波，超聲波就是其中頻率大于20 kHz的聲波分量。

由于聲電傳感器效率的提高和電子放大技術的發展，聲測法的靈敏度有很大提高。另外，根據超聲波的定向傳播特性，在一定的介質中有一定的定向傳播速度，可用來測定放電源位置，以進行后續的檢修整改。圖2給出了超聲波檢測GIS局部放電的原理。

超聲波法檢測GIS局部放電的特點包括：

（1）設備使用簡便，技術相對比較成熟。利用超聲波傳感器貼在接地的GIS外殼上進行檢測（測量頻率一般為20~100 kHz），對GIS的運行和操作沒有任何影響，傳感器與檢測設備之間采用光纖連接，使設備和測量人員的安全可以得到保證。

圖2　超聲波檢測GIS局部放電的原理

（2）抗干擾能力比較強。由于測量的是超聲波信號，因此對電磁干擾的抗干擾性能比較強，但易受機械或電磁振動的影響；對自由顆粒缺陷具有較高的檢測靈敏度，但對固體絕緣表面及內部的缺陷敏感度較低；能發現彈墊松動、粉塵飛舞等非放電性缺陷。

（3）可定位放電源位置。利用局部放電時所產生的電信號和聲信號之間的相對時間差，聲信號和聲信號之間的時間差對放電源進行空間定位。同時，超聲波在傳播過程中衰減很大，檢測范圍較小，當測量點接近缺陷時，測量靈敏度高，在測量點遠離缺陷的情況下，靈敏度大為降低，也可利用這個特性可對放電源進行定位。

4　超聲波檢測現場應用

4.1檢測前準備工作

（1）試驗前保證室內通風15min，且SF6泄漏檢測系統無報警。

（2）確定間隔和設備是否帶電，所有設備應帶電（高壓）測試，不帶電的設備不必測量。

（3）環境噪聲最小化。GIS或其鄰近的各種機械工作、儀器操作者以外的其他人不得攀登GIS、風扇等，這都會影響測量結果，并降低靈敏度。

（4）在GIS所處范圍測量背景噪聲。測量前把傳感器自由地放在空氣中，記下連續測量方式時顯示屏上的顯示值。這個方法得到了背景噪聲水平，在整個測量過程中都應記住這個值，以對數據合理性進行分析。

4.2傳感器安裝

測試時利用聲耦合硅膠使傳感器與殼體接觸良好并保持靜止狀態，必要時用綁帶固定以保持一定的張力，主要目的是為了避免在傳感器和殼體表面之間產生氣泡。下文以AIA-2超聲波局放帶電測試儀為例，介紹超聲波法在現場測試中的應用。

4.3信號的測量與分析

AIA超聲波局部放電測試儀有連續、相位和脈沖3種測量模式。連續測量模式以水平柱的方式給出了一個工頻周期中放電信號有效值和峰值信號以及信號與50 Hz、100Hz的相關程度，其中周期峰值與有效值之比大于局放量，較弱的放電（凸起）一般表現為50 Hz成分較高，松動的屏蔽則表現為較高的100 Hz成分，同時也有一些50 Hz成分。如果周期性峰值和有效值的絕對幅值高、比值大且發散性大，同時50/100Hz相關性很小，則應判斷為顆粒信號，切換至脈沖信號方式下繼續測量，該模式下給出了信號幅值與飛行時間的關系；相位模式主要用來判斷放電是否和工頻周期存在關系。

4.4測量方式

超聲波法對毛刺尖端、自由金屬顆粒、懸浮電位等缺陷具有較高的靈敏性，而對絕緣子氣泡和絕緣子表面顆粒等缺陷不敏感。為了對絕緣狀態作出初步評估，用AIA-2進行的所有測量都應使用連續方式，這是定位局部放電也是估計危險性的主要測量方式。如果存在某種類型的顆粒，危險性的估計要利用飛行時間圖進行。

4.5缺陷類型分析

4.5.1 GIS中沒有缺陷

大多數情況下在GIS中完全沒有缺陷。使用連續測量方式的要點是區分各類噪聲和來自缺陷的真正信號。在開始測量前，最好首先測量背景噪聲，這些結果在GIS帶電狀態下測量時應當記住。當傳感器自由地處于GIS的空氣中或位于GIS上沒有缺陷的地方時，如圖3所示：有效值和周期峰值小而穩定。信號是來自環境、儀器噪聲和放大器噪聲等產生的背景噪聲,兩個水平柱只有小小的顫動，頻率1和頻率2沒有信號。

圖3　無缺陷時連續模式圖

4.5.2毛刺放電

毛刺如果大于1~2mm就認為是有害的，表現為接地體和帶電體部分突起的特征局部場強增加。如圖4，毛刺放電在連續模式下有效值和峰值都會增大，信號穩定，而50 Hz相關性明顯，100 Hz相關性較弱。在相位模式下，一個周期內會有一簇較集中的信號聚集點。

圖4　毛刺放電連續模式圖和相位模式圖

4.5.3自由顆粒

有數據表明，導致GIS故障的缺陷大部分為顆粒，而超聲波檢測對顆粒有著極高的靈敏度。自由移動顆粒越長且越接近高壓導體，危險性越大，若存在于絕緣子上，則隨著時間的推移也可能使絕緣子表面劣化，從而引起閃絡。

圖5是用連續方式測量出300 kVGIS中有5mm鋁顆粒，可以看到放電有效值、峰值量都比較大，還有50 Hz以及100 Hz的放電信號，但其信號不穩定，表現為周期性的波動。飛行時間圖里面，顆粒超聲幅值和飛行時間以拋物線方式跳動。

4.5.4懸浮電位

如圖6所示，懸浮電位故障在連續模式中有效值和峰值都會增大，信號穩定，而100 Hz相關性明顯，50 Hz相關性較弱，在相位模式下，一個周期內會有兩簇較集中的信號聚集點，這也是其周期性的另一個表現。經驗表明，電位懸浮一般發生在開關氣室的屏蔽松動，PT/CT氣室絕緣支撐松動或偏離，母線氣室絕緣支撐松動或偏離，氣室連接部位接插件偏離或螺母松動等。

圖5　自由顆粒連續模式圖和飛行時間圖

圖6　懸浮電位連續模式圖和相位模式圖

4.6缺陷案例分析

以下是對某35 kVGIS站內故障相進行超聲波局放測量，結果見圖7。

從圖7可以看出該故障相檢測局放有效值、峰值、50 Hz、100 Hz頻率相關性信號的4項數值均呈現幅度過大現象，再經脈沖和相位模式下的測量如圖8。

由圖8看出，在脈沖和相位測量方式之下，根據連續測量并取1 000個測量點后，觀察結果表明，該超聲信號為大的電暈。從相位相關性看，該超聲信號的不穩定，有時表現為強的電暈，有時為較特別的現象。可以得出的結論是，該設備內有大的電暈，也有復雜現象，有時內部比較安靜，應立即進行解體檢查。

在后面進行的解體檢查中發現，A相轉角處絕緣子安裝位置不對，導致懸浮放電。該絕緣子的一個支撐腳處已出現較為明顯的放電痕跡。同時，放電點附近還有不少放電產生的金屬氟化物粉末，即探測中自由移動的顆粒。

圖7　故障連續模式圖

圖8　飛行時間圖和相位模式圖

5　影響GIS局部放電超聲波檢測的因素

5.1背景噪聲的影響

在測試GIS局部放電的時候，測試結果往往會受到背景噪聲的影響。所以，濾除背景噪聲是非常必要的。

5.2傳感器的影響

傳感器的測試精度以及檢測頻段會給測試結果帶來一定的影響。另外，由于GIS的筒壁是圓弧形

的，所以，傳感器必須緊貼GIS筒壁，否則會引入外來干擾，影響測試結果。

5.3測試人員的影響

由于目前GIS局部放電測試沒有統一的標準，現場狀況也各不相同，所以，測試時需要測試人員具有一定的判斷經驗。

6　總結

超聲波檢測技術對高壓電氣設備的檢測具有易于實現帶電檢測、便于空間定位、抗干擾能力較強等特點。目前利用超聲波法測量局部放電的主要局限性是不能進行定量分析，檢測靈敏度不是很高。對于檢測來自絕緣材料內部的缺陷，雖然絕緣體內部缺陷將使放電上升、產生電樹枝，并可能引起擊穿，但由于絕緣固體中超聲波信號衰減很大，故超聲波檢測法很難檢測到絕緣材料中的缺陷等。并且由于聲波在傳播途徑中衰減、畸變嚴重，聲測法基本上不能反映放電量的大小。

在今后的高壓電氣設備局部放電檢測方法中，超聲波與其他電量信號的聯合檢測方法將成為在線檢測的主要發展方向。

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中圖分類號：TM595

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）08-0027-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.008

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：穆強（1991-），男，助理工程師，從事高壓試驗工作。