基于超聲波檢測技術的GIS內部自由顆粒缺陷分析

岳 美，楊秀龍，許景華，孫 明，黃文心

（國網山東省電力公司日照供電公司，山東 日照 276826）

0 引言

氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）設備因其占地小、環境友好的特點在變電站中得到廣泛應用，但在GIS 內部缺陷導致的局部放電影響設備正常運行時，停電檢修往往需要多個氣室設備配合停電，影響范圍和處理難度較大。根據調查統計，GIS 設備局部放電中異物放電占比最高［1］，主要原因為GIS 內存在金屬異物或其他雜質。GIS 內異物為設備投運前遺留或設備運行操作過程中產生，加強GIS 設備投運前和運行中的局部放電檢測對預防設備故障發生尤其重要。

超聲波局部放電檢測能夠捕捉設備內部缺陷時產生的超聲波信號，通過與其他聲、電、光、化學檢測技術綜合應用［2-5］能夠有效發現GIS 設備內部缺陷。超聲波局部放電檢測抗電磁干擾能力強，檢測圖譜能夠體現設備自由顆粒特征，對異物顆粒導致的放電比較敏感，在GIS設備局部放電檢測中應用廣泛。

針對某220 kV變電站新擴建設備超聲波局部放電檢測情況，通過物理分析、圖譜對比判斷局部放電情況，經解體檢查確定分析的準確性，避免設備投運后故障發生。

1 超聲波局部放電檢測技術

1.1 檢測原理

GIS設備內部存在絕緣缺陷或異物顆粒時，氣室內局部場強發生畸變［6-7］，嚴重時會誘發沿面閃絡或其他設備故障。局部場強畸變引起設備局部放電時，放電點分子間劇烈碰撞并在瞬間形成超聲波脈沖，一部分脈沖信號通過SF6氣體傳到外殼，一部分通過導體、絕緣子等傳到外殼，通過貼緊在外殼上的壓敏傳感器接收外殼上的超聲波信號，經處理終端對超聲波信號進行分析。

1.2 檢測流程和難點

超聲波局部放電檢測儀接收設備內部局部放電產生的超聲波信號，檢測的信號與放電源不存在直接電氣聯系，因此抗電磁干擾能力較強。與電磁波相比，超聲波信號傳輸速度慢，便于放電點的準確定位。但超聲波在介質傳播過程中信號衰減較快，在現場檢測過程中，要周密選取檢測點和間隔距離，以免漏測放電點；同時與檢測GIS 設備內超聲波信號相比，外部干擾源信號更容易傳至傳感器，超聲波局部放電檢測過程中要充分排除干擾，以免外部干擾源信號過強時覆蓋局部放電信號。超聲波局部放電檢測現場應用基本流程如圖1所示。

圖1 檢測流程

2 GIS設備缺陷分析應用

2.1 缺陷分析過程

某變電站新擴建GIS 設備交接試驗，通過串聯諧振試驗裝置進行交流耐壓試驗合格后，對220 kV待用一212 間隔A 相設備施加160 kV、頻率98.8 Hz電壓進行局部放電檢測，檢測發現212-3 開關A 相氣室超聲波信號異常，特高頻及SF6分解產物檢測正常，檢測過程異常信號間歇性出現，聲音不穩定且出現多次變化。對該間隔進行3 次長時間的持續檢測，各次檢測信號幅值最大位置如圖2 所示，集中位于-3開關與-D5接地開關之間，見圖2中紅圈處。

圖2 檢測位置

第1 次檢測時，聲音為明顯類似顆粒放電聲音，放電信號不穩定存在明顯間歇現象，位置如圖2 中①所示；第2 次檢測時，聲音為明顯振動聲響，位置如圖2中②所示，位置降低；第3次檢測時，再次出現明顯放電聲音，位置如圖2 中③所示。各次檢測信號幅值如表1所示。位置①的檢測圖譜如圖3—圖5所示，位置③檢測飛行圖譜如圖6所示。

表1 檢測數據 單位：mV

圖3 第1次檢測超聲波幅值

圖4 第1次檢測超聲波飛行圖

圖5 第1次檢測超聲波波形

圖6 第3次檢測超聲波飛行圖

由表1和圖3可知，該氣室超聲波周期最大值明顯大于背景值，將儀器檢測頻率從50 Hz逐檔位調整至100 Hz，周期最大值無明顯變化，頻率成分1 和頻率成分2均為0，3次檢測均表現相同的幅值特征。

圖4 和圖6 均顯示出典型的三角駝峰狀自由顆粒放電圖譜，兩次幅值最大位置不同，說明顆粒在腔體存在明顯移動。從顆粒跳動超聲波信號的幅值、飛行時間可知，兩次測得的跳動信號幅值最大值均在10 mV 左右，根據以往相同電壓等級自由顆粒放電檢測幅值判斷，腔體內異物顆粒撞擊殼體的動量較大，但兩次信號飛行時間均較小，說明顆粒受電場力驅動自由移動到高場強區域能力較小。

根據設備結構和檢測過程繪制氣室內部顆粒運動如圖7 所示，GIS 罐體內異物顆粒當設備未通電時，其處于靜止狀態；當設備通電后，由于靜電感應效應，異物顆粒會帶電荷，與外殼及其他部分碰撞也會帶有電荷，當場強逐漸增加，庫侖力等電場力在重力相反方向上的分量大于重力時，顆粒從氣室底部浮起，隨著電場力的變化發生跳躍，并與殼體發生碰撞，由于該氣室下方盆式絕緣子為水平布置，由3 次檢測結果可知，異物顆粒落在絕緣盆上的概率較大，由于顆粒運動的隨機性，有導致設備沿面閃絡的可能性，因此需要對設備進行檢查處理。

圖7 顆粒運動

2.2 缺陷處理情況

為避免設備帶病投運，檢修人員協同廠家技術人員對220 kV 待用一212-3 開關A 相氣室進行開蓋檢查，發現開關氣室下部盆式絕緣子上存在一個白色樹脂環狀異物，如圖8、圖9 所示，該間隔GIS 為廠內裝配并整間隔運輸至變電站現場，白色樹脂環狀異物非開關氣室內設備附件，分析該異物為設備在廠內裝配時遺留。隨后對氣室徹底清理后，再進行局部放電檢測復測，超聲波和特高頻局部放電檢測未見異常。

該組合電器在駐廠監造時已對斷路器、開關200次磨合和清理情況進行抽驗，并檢查裝配記錄合格。從3 次帶電檢測情況分析，此次異物由氣室上部掉落到下部盆式絕緣子上。在廠內裝配、磨合試驗清理后應對設備進行徹底檢查，檢查部位不僅是下部盆式絕緣子或殼體，應同時使用內窺鏡對設備進行徹底檢查。設備廠內預裝后應加強局部放電檢測，減少同類缺陷發生。

圖8 220 kV待用一212-3開關A相氣室內異物

圖9 異物取出

3 結語

超聲波局部放電檢測可以有效發現GIS 設備內部的異物放電等缺陷，對GIS 內非金屬異物也具有一定敏感性，交接試驗非50 Hz試驗頻率進行局部放電檢測時對顆粒放電類型判斷影響較小，但對其他放電類型判斷有一定影響，測試時需要結合現場試驗電壓頻率選擇相應的測試頻率，對測試頻率分量、2倍測試頻率分量的相關性進行判斷，應注意結合設備具體結構對檢測結果進行分析，同時注意超聲波、特高頻等不同檢測方式的聯合應用，保證測試結果的全面性，并加強送電后工頻運行電壓下設備局部放電檢測。