超聲波法在GIS設(shè)備帶電檢測中的應(yīng)用

胡海敏，陶佳唯，潘麟，朱梁，田廣亮，楊曉彤，韓飛

(1.國網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海 200080；2.上海格魯布科技有限公司，上海 201210)

超聲波法(Acoustic Emission，簡稱AE)是指通過對電力設(shè)備發(fā)生局部放電(Partial Discharge, 簡稱PD)時產(chǎn)生頻率介于20～200 kHz區(qū)間的聲波信號進(jìn)行采集、處理和分析來獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的一種狀態(tài)檢測技術(shù)，又稱聲發(fā)射法[1-2]。超聲波法由于靈敏度低，易于受到外界干擾等原因，一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來[3]，隨著微電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，以及壓電換能元件效率的提高和低噪聲的集成元件放大器的應(yīng)用，超聲波法的靈敏度和抗干擾能力得到了很大提高[4]，其在實(shí)際中的應(yīng)用逐漸得到了重視[5-7]。目前，超聲波法在電力設(shè)備絕緣缺陷PD檢測的應(yīng)用具有以下特性。

(1)抗電磁干擾能力強(qiáng)[8]。目前采用的超聲波法PD檢測是利用超聲波傳感器在電力設(shè)備的外殼部分進(jìn)行檢測。電力設(shè)備在運(yùn)行過程中存在著較強(qiáng)的電磁干擾，而超聲波檢測是非電檢測方法，其檢測頻段可以有效躲開電磁干擾，取得更好的檢測效果。

(2)便于實(shí)現(xiàn)放電定位[9]。確定PD位置既可以為設(shè)備缺陷的診斷提供有效的數(shù)據(jù)參考，也可以減少檢修時間。超聲波信號在傳播過程中具有很強(qiáng)的方向性，能量集中，因此在檢測過程中易于得到定向而集中的波束，從而方便進(jìn)行定位。在實(shí)際應(yīng)用中，GIS等設(shè)備常采用幅值定位法，它是基于超聲波信號的衰減特性實(shí)現(xiàn)的;變壓器常采用空間定位法，利用信號到達(dá)不同傳感器的時差計算得到放電源的位置，目前已有比較成熟的定位系統(tǒng)。

(3)適應(yīng)范圍廣泛[10]。超聲波法PD檢測可以廣泛應(yīng)用于變電站內(nèi)各類一次設(shè)備。根據(jù)超聲波信號傳播途徑的不同，超聲波PD檢測可分為接觸式檢測和非接觸式檢測[11]。接觸式超聲波檢測主要用于檢測如GIS、變壓器等設(shè)備外殼表面的超聲波信號[12-13]，而非接觸式超聲波檢測可用于檢測開關(guān)柜、配電線路等設(shè)備[14]。

當(dāng)然，超聲波PD檢測技術(shù)也存在一定的不足，如對于內(nèi)部缺陷不敏感、受機(jī)械振動干擾較大、進(jìn)行放電類型模式識別難度大以及檢測范圍小等。與電測法相比，超聲波的傳播速度較慢，對檢測系統(tǒng)的速度與精度要求較低，目其空間傳播方向性強(qiáng)，所以超聲波檢測PD的研究工作主要集中在定位方面。此外，將超聲波法與射頻電磁波法(包括射頻法和特高頻法)聯(lián)合起來進(jìn)行PD定位的聲電聯(lián)合法成為一個新的發(fā)展趨勢，在工程實(shí)際中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

此外，超聲波法在電力設(shè)備帶電檢測中也進(jìn)行了一段時間的推廣和應(yīng)用，但在缺陷案例的累計方面還有所欠缺。本文主要就超聲波法在GIS設(shè)備帶電檢測中的應(yīng)用和分析方法進(jìn)行介紹，并結(jié)合一起母線接地刀閘異常振動案例對超聲波法在GIS設(shè)備異常振動檢測中的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 GIS超聲波法PD檢測

超聲波法PD檢測的基礎(chǔ)是PD源可視作產(chǎn)生聲波的點(diǎn)聲源。GIS設(shè)備內(nèi)部常見缺陷(如毛刺、懸浮電位和金屬顆粒等)作為PD源，會激發(fā)超聲波信號。這些聲波通過GIS設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳播并到達(dá)GIS外表面。不同類型的波具有不同的傳播速度，并且邊界處的反射和折射將導(dǎo)致衰減、吸收和散射。通常借助于壓電傳感器(常用的方法見圖1所示)、結(jié)構(gòu)聲學(xué)共振傳感器、加速度傳感器、電容式傳聲器或聲光傳感器來檢測聲波并將其轉(zhuǎn)換成電信號。通常用dB、mV等單位來表征超聲波信號強(qiáng)度。GIS超聲波定位通常使用傳播時間測量方法，即使用兩個傳感器，在示波器上觀察來自傳感器信號的到達(dá)時間。如果信號源位于傳感器對之外，則信號來自它首先到達(dá)的一側(cè)。如果信號源位于傳感器對之間，則到達(dá)時間的差值小于傳感器對之間的傳播時間。也可以通過尋找最高幅值，即只使用一個傳感器，可以簡單地尋找信號幅值的變化；當(dāng)傳感器靠近PD源時，信號通常會更強(qiáng)；當(dāng)移動至下一個氣室時(例如越過絕緣子或法蘭)，信號將顯著下降。

圖1 GIS超聲波法檢測PD示意圖

1.1 PD圖譜顯示

超聲波法PD檢測圖譜顯示主要分為：①連續(xù)幅值、②相位(PRPD)、③飛行以及④實(shí)時模式(PRPS)圖[15]。連續(xù)幅值模式圖譜通常包含4個參數(shù)，為有效值、峰值、頻率成分1、頻率成分2。如圖2(a)所示：有效值和峰值是指一個工頻周期(20 ms)內(nèi)超聲信號的有效值和最大峰值，頻率成分1和頻率成分2是對超聲信號進(jìn)行傅里葉變換后得到的對應(yīng)于幅頻特性曲線上50 Hz和100 Hz頻率處的幅值。頻率成分1和頻率成分2主要用于表征PD與工頻周期的相關(guān)性，由于PD通常發(fā)生在工頻周期峰值附近，故PD信號與工頻周期具有一定的相關(guān)性，這種相關(guān)性可用于判斷信號是否為PD信號以及PD類型。

相位(PRPD)模式圖譜是將N個(N一般為1 000)超聲信號對應(yīng)的工頻周期相位和超聲信號的幅值繪制成散點(diǎn)圖，如圖2(b)所示。其主要用于統(tǒng)計超聲信號的相位分布特征，由于PD一般發(fā)生在工頻電壓峰值(90°和270°)附近，故PRPD譜圖可以區(qū)別超聲信號是否由于PD造成的。并可用于區(qū)分PD類型。雖然PRPD譜圖與連續(xù)幅值譜圖中的50 Hz分量、100 Hz分量都可用于表征PD信號與工頻周期的相關(guān)性，但PRPD譜圖包含的信息更豐富。

飛行模式圖譜通常包含2個參數(shù)，分別為相鄰脈沖發(fā)生的時間間隔和脈沖信號的幅度，它是專門用于檢測自由金屬顆粒的圖譜，如圖2(c)所示。

實(shí)時(PRPS)模式圖譜為三維圖譜，將脈沖信號按照工頻相位—幅值—工頻周期三個維度進(jìn)行繪制。該圖譜記錄了最近若干個周期脈沖信號的工頻相位-幅度分布情況。根據(jù)實(shí)時動態(tài)實(shí)時模式(PRPS)圖譜顯示功能，現(xiàn)場測試時可以幫助用戶快速判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在疑似放電信號，如圖2(d)所示。

圖2 GIS超聲波法檢測PD譜圖顯示四類模式

綜合4類模式譜圖特征，可判斷PD類型，并結(jié)合電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征及超聲定位結(jié)果推斷PD部位及嚴(yán)重程度。

1.2 圖譜診斷

根據(jù)圖譜的統(tǒng)計形狀判斷是否存在PD，并診斷PD的類型。從統(tǒng)計學(xué)角度來說，樣本數(shù)越多，統(tǒng)計結(jié)果越準(zhǔn)確。因此現(xiàn)場檢測時對于疑似放電信號必須盡可能多地累積PRPD圖譜，以達(dá)到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。目前，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)積累以及驗(yàn)證，超聲波PD檢測的典型圖譜如表1所示。

表1 超聲波典型圖譜

1.3 缺陷類型判斷

缺陷類型判斷的主要依據(jù)如下。對于運(yùn)行中的GIS 設(shè)備，顆粒信號的幅值：背景噪聲峰值Vpeak<1.78 mV可不進(jìn)行處理，1.78 mV3.16 mV應(yīng)進(jìn)行檢查。由于各地因設(shè)備狀況、運(yùn)行條件和檢測儀器等因素的不同，推薦參考值可能不同。各地可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍v史檢測數(shù)據(jù)、自身所能承受的系統(tǒng)風(fēng)險進(jìn)行統(tǒng)計分析，定期修訂完善推薦參考值。

毛刺一般在殼體上，但導(dǎo)體上的手刺危害更大。只要信號高于背景值，都是有害的，應(yīng)根據(jù)工況酌情處理。在耐壓過程中發(fā)現(xiàn)毛刺放電現(xiàn)象，即便低于標(biāo)準(zhǔn)值，也應(yīng)進(jìn)行處理。

電位懸浮一般由斷路器氣室的屏蔽松動、PT/CT氣室以及母線氣室的絕緣支撐松動或偏移、氣室連接部位接插件偏離或螺栓松動等導(dǎo)致。GIS內(nèi)部的懸浮電位應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，有條件及時處理。對于126 kV GIS，如果100 Hz信號幅值遠(yuǎn)大于50 Hz信號幅值，且Vpeak>10 mV，應(yīng)縮短檢測周期并密切監(jiān)測其增長量,如果Vpeak>20 mV，應(yīng)停電處理。對于363 kV和550 kV及以上GIS 設(shè)備，應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)。

電磁力、電動力、磁致伸縮引起的振動。電磁力引起的振動：當(dāng)鐵磁共振時，3倍的磁密度的增加將導(dǎo)致勵磁電流電壓互感器的正常值過大，正常電流可能達(dá)到數(shù)百甚至數(shù)千倍，由于過度勵磁，PT會引起不正常的嗡嗡聲，從而引起GIS外殼的劇烈振動。電動力引起的振動;當(dāng)電流通過母線時，在電動力的激勵下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動并產(chǎn)生噪音，由于管狀母線套管的放大效應(yīng)，便產(chǎn)生異常響聲及振動。

2 母線接地刀閘異常振動案例

2021年6月14日對揚(yáng)州站110 kVGIS進(jìn)行帶電檢測時，檢測出 “籃楊1A021開關(guān)處的母線接地刀閘氣室”存在超聲波異常信號。同時在相應(yīng)氣室均未檢到特高頻PD異常信號。

選擇GIS金屬支架的超聲測量值為本次超聲檢測的背景值。測試時相位同步方式為內(nèi)同步自動同步，檢測背景值圖譜如圖3所示。籃楊1A021開關(guān)處的母線接地閘刀氣室超聲波檢測位置如圖4所示，其中測點(diǎn)1為相鄰設(shè)備測點(diǎn)；測點(diǎn)2為母線接地刀閘最大點(diǎn)位置。

圖3 籃楊1A021開關(guān)處的母線接地閘刀氣室超聲波檢測背景值

圖4 設(shè)備現(xiàn)場測試布點(diǎn)

籃楊1A021開關(guān)處的母線接地閘刀氣室整體存在振動信號，與相鄰設(shè)備及背景幅值存在明顯的差異，且在測試中可明顯聽到設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的聲音，最大時超聲波幅值可達(dá)到7.6 mV左右，最小時為1.9 mV左右。籃楊1A021開關(guān)處的母線接地閘刀氣室超聲波檢測典型圖譜進(jìn)行分析，如圖5所示。連續(xù)模式下，50 Hz/100 Hz頻率相關(guān)性較低；對比背景信號，幅值有所降低，相位模式下波形相同，分布呈現(xiàn)豎條狀，具備振動特征。

圖5 籃楊1A021開關(guān)處的母線接地閘刀氣室超聲波典型圖譜

依據(jù)Q/GDW 11059.1—2013《超聲波法PD帶電檢測技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用導(dǎo)則及國家電網(wǎng)公司變電檢測管理規(guī)定(試行) 第4分冊 超聲波PD檢測細(xì)則3》，對籃楊1A021開關(guān)處的母線接地閘刀氣室振動信號連續(xù)模式及相位模式圖譜綜合分析，連續(xù)模式下50 Hz/100 Hz頻率相關(guān)性較低，相位模式下，分布呈現(xiàn)豎條狀，具備機(jī)械振動特征，故判斷此信號為機(jī)械振動信號。

對存在異常信號的氣室進(jìn)行了X射線探傷檢測，結(jié)合設(shè)計圖紙發(fā)現(xiàn)氣室內(nèi)部連桿處缺失一枚墊片，從而產(chǎn)生了異常振動信號，墊片位置和超聲波法定位結(jié)果相吻合。

3 結(jié)語

本文主要對超聲波法在GIS設(shè)備帶電檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，包括基于接觸式壓電傳感器檢測時獲取超聲信號的四類圖譜，即連續(xù)幅值、相位(PRPD)模式、飛行模式和實(shí)時(PRPS)模式圖譜，以及圖譜診斷和相應(yīng)的缺陷類型判據(jù)。并通過揚(yáng)州站110 kV GIS “籃楊1A021開關(guān)處的母線接地刀閘氣室”異常振動信號分析驗(yàn)證了超聲波法在GSI設(shè)備帶電檢測中的有效性。證明了超聲波法不但可以發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的絕緣放電缺陷，對機(jī)械振動缺陷也有一定的檢測能力。