基于超聲波技術的GIS內部機械振動缺陷檢測與分析

王 政 ，郭 峰 ，李秀國 ，馮新巖

（1.國網山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256610；2.國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

超聲波局部放電檢測技術的應用最早始于20世紀40年代，主要用于變壓器局放檢測中［1］。隨著技術的不斷發展進步，超聲波局放檢測的應用越來越廣泛，范圍涵蓋了變壓器、GIS、開關柜、電纜終端、架空輸電線路等各個電壓等級的各類一次設備。超聲波局部放電檢測作為開展設備狀態檢測的重要手段，具有抗電磁干擾能力強、便于實現放電定位等一系列優點。

在GIS設備進行超聲波局部放電檢測中，連續模式下，有效值或峰值超過背景噪聲或50 Hz/100 Hz相關性出現時，可以判斷存在異常信號。超聲波局放檢測可以發現GIS設備內部存在的尖端放電、懸浮放電、自由顆粒、機械振動等缺陷。其中機械振動信號最為復雜，50 Hz或100 Hz相關性和相位關系無固定規律。GIS內部存在機械振動時雖然不會像尖端毛刺、自由顆粒、懸浮電位引起內部的局部放電，但是設備內部長期的機械振動會造成內部部件的松動，可能進而引發更加嚴重的后果。

1 超聲波技術檢測GIS缺陷類型

當GIS設備內部存在局部放電及機械振動類缺陷時，會產生超聲波信號，超聲波信號向周圍擴散并傳導到GIS設備外殼。通過在GIS設備外殼上安裝超聲波傳感器，可以檢測到局部放電產生的超聲波信號，進而判斷GIS設備的缺陷情況。超聲波局部放電檢測可發現GIS內部缺陷類型包括：電暈放電、懸浮放電、自由顆粒、機械振動等，各種缺陷信息的判斷特點如表1所示。

表1 不同缺陷類型的信號特點

GIS設備中每個元件結構、松動程度和振動強度均不同，機械振動信號較復雜，50 Hz或100 Hz相關性和相位關系無固定規律，在用超聲波技術進行檢測時，信號特征往往呈現出不同的特點。僅僅通過超聲波檢測時的波形特征很難對機械振動信號與局部放電信號（包括：電暈放電、懸浮放電、自由顆粒放電）做出準確區分。在工程應用中往往通過特高頻局放檢測對機械振動信號和局部放電信號做出區分。當GIS內部存在局部放電時，在產生超聲波信號的同時還會產生電磁波信號，而機械振動作為一種非電類信號很顯然通過特高頻技術是檢測不到的［2］。

2 常見GIS機械振動干擾信號

電氣設備由各種零部件安裝組成，設備運行過程中，外部條件或內部因素都可能會引起輕微的往復運動，這種往復性的物理過程屬于機械振動［3-4］。在對GIS設備內部機械振動進行判斷時，影響檢測的干擾信號一般有兩種：電暈噪聲和磁滯噪聲。

2.1 電暈噪聲

外部較強的電暈噪聲通常會在相近GIS設備外殼上產生明顯的干擾。檢測時可能會在殼體上測得明顯異常信號，該信號一般具備典型電暈放電特征或懸浮放電特征，但通常幅值較小。

對500 kV某變電站500 kV HGIS超聲波局部放電檢測時，在50211A相開關氣室開關處檢測到明顯超聲波異常信號，信號異常間隔一次系統如圖1所示。連續模式下峰值約為14 mV，50 Hz和100 Hz相關性明顯，相位模式下峰值最大值約為19 mV，電暈噪聲圖譜如圖2所示。

圖1 信號異常間隔一次系統

圖2 電暈噪聲圖譜

特高頻局部放電檢測和SF6氣體分解物檢測結果均未見明顯異常。在現場檢測時，母線接地開關（敞開式）位置能夠提到明顯的電暈放電聲音，結合特高頻檢測和SF6氣體分解物判斷超聲異常信號由外部電暈噪聲引起。

對于電暈噪聲的排除可采用比對法和遮蓋法進行排除，比對法通過檢測臨近機構箱和端子箱上的信號對比識別，如臨近機構箱和端子箱上有相似信號，則可判斷為外部電暈噪聲干擾。遮蓋法采用吸音棉或吸音墊對異常信號部位進行遮蓋，如信號明顯減小即可最終判斷為外部噪聲。

2.2 磁滯噪聲

對于鋼材質的殼體，如內部負荷電流較大時，殼體上磁滯噪聲可能對檢測信號產生干擾；GIS電壓互感器、電流互感器由于是鐵芯結構，也會產生磁滯噪聲。通常磁滯噪聲干擾具有較明顯的100 Hz相關性，幅值較小，略大于背景噪聲水平，一般在較大區域均出現。

2.2.1 TA磁滯噪聲

對220 kV GIS設備進行超聲波局部放電檢測時，在2號主變220 kV側202間隔A、C相TA附近檢測到超聲異常信號，信號異常間隔一次系統如圖3所示。信號幅值較小，最大峰值約1.3 mV（背景噪音0.5mV），但100 Hz相關性明顯，約為0.07 mV，在相位模式下，點聚集為兩簇，如圖4所示。

圖3 信號異常間隔一次系統

圖4 TA磁滯噪聲圖譜

隨后進行特高頻局部放電檢測及SF6氣體微水檢測、氣體成分檢測，檢測結果均無異常，排除內部放電可能性。該站220 kV GIS的TA均為外置式，二次線圈套裝在分支母線罐體法蘭上。2號主變220 kV側202間隔負荷電流較大，約600 A。TA鐵芯在較大的電流負荷下會產生磁滯收縮效應，從而出現振動現象，進而影響到罐體及其外殼。由此綜合判斷該信號為受TA鐵芯磁滯收縮引起的振動。

2.2.2 GIS鋼罐體磁滯噪聲

對某變電站220 kV GIS進行超聲波局部放電檢測時，在2號主變220kV側GIS間隔、3號主變220 kV側GIS間隔的開關、TA及母線等部位的罐體上，檢測到特征相似的超聲波異常信號，如圖5所示。該類信號連續模式下100 Hz相關性明顯，相位模式下，點較均勻的聚集為兩簇，與懸浮放電信號相似，但幅值較小且廣泛存在于除避雷器及PT罐體外的GIS三相殼體上。進行特高頻局部放電檢測及SF6氣體微水檢測、氣體成分檢測無異常。

圖5 GIS鋼罐體磁滯噪聲圖譜

信號出現的區域廣，幅值小，與磁滯噪聲信號特點相似，因此，判斷可能為鋼罐體磁滯噪聲產生的信號。當對單相鋼罐體的GIS進行超聲測試時，由于導磁材料存在磁滯伸縮的現象，工頻周期交變磁場改變磁化狀態，引起振動噪聲。這種情況下檢測超聲信號與背景噪聲不同，并且可能出現100 Hz的頻率相關性，形成了與懸浮放電相似的信號圖譜，但此時引起的超聲信號幅值較低（小于10 mV），對所有同類單相封閉GIS的各相測試結果都近似，區別于懸浮放電。同時，磁滯噪聲大小與負荷電流大小有關，對比該站220 kV側各間隔負荷電流，2號主變、3號主變間隔負荷電流約900 A，其余各線路間隔多為200 A左右。因兩間隔負荷電流大，可明顯檢測到磁滯噪聲信號，而其他間隔負荷電流小，磁滯噪聲小，檢測不明顯。

3 GIS內部機械振動缺陷實例分析

GIS設備中每個元件結構、松動程度和振動強度均不同，這就決定了所受到的激勵都是不同的，振動規律也各不相同。由于機械振動信號較復雜，超聲波檢測時，50 Hz或100 Hz相關性和相位關系無固定規律。在進行判斷時多結合特高頻局放檢測及SF6組分分析進行診斷［5-6］。

3.1 案例1

在對500kV某變電站500kV GIS進行帶電檢測過程中，檢測到某間隔斷路器A相本體有明顯超聲波信號，信號最大值出現在該斷路器-1開關側斷口部位，如圖6所示，峰值約20mV，50Hz相關性及100 Hz相關性不明顯，如圖7所示。在該部位整個圓周上信號幅值變化不大，由此可判斷信號源處于罐體中心的位置，即斷路器內部斷口或與TA一次導電桿連接處。

圖6 信號異常部位

圖7 超聲波檢測圖譜

特高頻信號及SF6組分檢測未見異常，判斷設備內部存在振動現象。檢修公司人員連同技術人員對該斷路器進行了開蓋進入檢查，檢查內容包括斷路器內有無粉塵、異物，螺栓有無松動。經檢查，斷路器內部腔體無粉塵異物；檢查斷路器各部位緊固螺栓安裝標記以及彈簧墊壓緊情況，無異常；檢查靜觸頭各觸指，壓緊正常，各部位無放電痕跡；在檢查靜觸頭座與均壓環連接處時，發現有一金屬部件明顯松動，如圖8所示，手指觸碰檢查存在約2 mm左右活動間隙。該部位與超聲信號最大部位對應，分析認為是該部件在運行中電磁場力作用下，產生振動。

圖8 松動部位

該斷路器超聲波局部放電檢測出現異常的原因為均壓環與靜觸頭座支撐螺栓保護襯套串動引起，如該部件振動嚴重時會造成接觸不良放電，其放電產生的粉塵會對設備安全運行造成較大影響，建議生產廠家嚴格控制安裝質量，保證設備安全運行。

3.2 案例2

對500 kV某變電站500 kV HGIS設備開展帶電檢測工作時，在某間隔斷路器C相本體處檢測到明顯超聲波信號，如圖9所示，信號最大值出現在該斷路器C相斷路器操作機構與內部導電連接處，峰值約9 mV（該區域背景噪音較大，1.6 mV），50 Hz相關性明顯，相位模式下，點聚集為一簇，具有電暈放電特征，如圖10所示。

該斷路器本體部位無盆式絕緣子及內置傳感器，只能通過上部開關處盆式絕緣子檢測。檢測時，在儀器前置增益打開的情況下，僅有輕微噪音信號，無相位特征，特高頻檢測未發現放電信號。該斷路器三相SF6氣體微水及成分檢測結果合格。

該信號具有電暈放電特征，且幅值較高，但特高頻檢測未發現異常。由于特高頻檢測位置所限，距異常超聲波信號所在位置較遠，且經過兩個轉角，信號衰減大；另外內部電暈放電時特高頻信號本就較弱，因此雖然特高頻檢測未發現異常信號，但不能排除電暈放電可能。由此綜合判斷設備內部存在電暈放電或機械振動缺陷。

圖9 信號異常部位

圖10 檢測異常圖譜

技術人員對該斷路器進行了開蓋進入檢查。檢查內容包括斷路器內有無粉塵、異物，有無毛刺凸起，螺栓有無松動等。經檢查，斷路器內部腔體無粉塵異物，導體及罐體表面無毛刺；檢查螺栓壓緊情況，發現內部絕緣支架與導體連接部位有一連接螺栓松動，可較明顯看到螺栓墊片存在間隙，如圖11所示。其余各項檢查正常，由此判斷由于該螺栓松動，在運行中產生了較小的振動信號。絕緣支架與導體連接部位共有12顆螺栓，分析認為該螺栓在安裝時力矩不夠，在斷路器分合閘操作過程中承受較大沖擊力而逐漸松動。對螺栓進行緊固，恢復正常后送電。送電后進行超聲波局部放電檢測，信號檢測正常，與背景值相同。

通過本次異常信號檢查分析，找到了該間隔C相斷路器超聲波局部放電檢測出現異常的原因，為內部支持絕緣子與導體連接部位一個連接螺栓松動造成。由于斷路器操作時，該部位承受較大的沖擊力，即使較小的松動，在操作過程中，也會逐漸加劇，最終導致故障。因此該部位的螺栓松動危害較大。建議生產廠家嚴格控制安裝質量，特別是緊固螺栓的力矩檢查，保證設備安全運行。同時，驗證了超聲波檢測的有效性，在設備運行過程中，加強設備的帶電檢測，對發現設備存在的隱患有重要的作用。

圖11 松動螺栓

4 結語

電氣設備運行中通常都存在振動現象，設備的某一部分或者整體都可能存在振動現象。GIS設備內部的機械振動往往帶來設備隱患，如內部螺絲、屏蔽裝置、均壓裝置、導體或觸頭對接頭等部位的松動、位移等，而隨著設備內部件的松動或位移等現象的產生，設備受力不均，設備的振動情況將加重，如此往復，最終引起設備事故。

設備中的絕大多數機械性故障是可以通過設備內部的振動信息反映出來。通過對GIS設備內部機械振動信息進行診斷，可以了解其缺陷的發展程度及缺陷性質，進而制定相應的策略。