電聲示波聯合定位法在GIS組合電器的應用及分析

黃繼來，王學錦，蔡建輝

（國網浙江省電力有限公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

SF6氣體絕緣封閉組合電器因其占地面積少、運維少、檢修周期長、結構緊湊、安裝簡捷、運行不受外部惡劣環境影響等眾多優點，廣泛應用110 和220 kV配電系統。但也受現場安裝環境、施工人員技術水平、廠家制造工藝等因素影響，加上GⅠS 結構緊湊，空間小、內部設備眾多等構造特點，在GⅠS 帶電運行期間強電場作用下，一旦發生故障，勢必將嚴重危及電網的安全穩定、供電可靠，導致設備損壞。大量研究表明GⅠS 內部放電是導致設備絕緣老化、劣化甚至損壞引發故障和事故的重要原因[1-10]。全封閉組合結構使得開倉檢查難度大，常規性的檢測技術涉及停電檢修，因此運用特高頻、超聲波等帶電檢測技術對及時發現GⅠS 設備內部缺陷、隱患，避免事故發生具有重要意義。

1 帶電測試技術

1.1 特高頻（UHF）法

GⅠS 絕緣封閉組合電器帶電運行時，如果在較小的范圍內發生局部放電，將產生較陡的脈沖電流，其上升時間很短，激發頻率高達GHz 級的電磁波。特高頻法的工作特點是通過特高頻傳感器對運行中的電氣設備局部放電時產生特高頻電磁波信號進行采集，獲得局部放電的檢測數據。結合現場電氣設備情況的特點和不同，采用內置式或外置式特高頻傳感器，實現局部放電的帶電檢測、定位和缺陷類型識別，具有較好的靈敏度和現場抗干擾能力等優點。

研究表明[11-16]，固體絕緣內部氣隙放電的特高頻信號具有放電次數較少、周期重復性較低和放電幅值較分散的顯著的特點，但放電的相位比較穩定，沒有明顯的極性效應，固體絕緣的內部局部放電特高頻典型圖譜，如圖1所示。

圖1 GIS 固體絕緣內部局部放電特高頻典型圖譜

1.2 超聲波AE法[17-19]

運行中的電氣設備內部產生局部放電，會產生沖擊性振動、聲波，形成20～100 kHz 頻率超聲波信號傳播。超聲波AE 法通過在帶電運行設備腔體外壁上安裝接觸式超聲波傳感器，或通過敞開式壓敏傳感器測量局部放電信號，能有效避開檢測現場常見的音頻干擾，運用超聲波傳感器檢測、采集放電產生的異常超聲信號，通過類型識別、放電定位，可實現對局部放電的有效檢測，盡早發現和及時進行處理存在的絕緣缺陷，將故障隱患消除于萌芽狀態。

2 實踐應用

2.1 基本情況

某變電站220 kV GⅠS 設備型號為ZF-252，三相分體設計，2019 年6月出廠，為220 kV雙母線帶母聯開關主接線方式，11月掛網運行，產品結構如圖2所示。

圖2 220 kV GIS組合電器產品結構圖

2.2 帶電測試數據

2019 年12 月18—22 日，采用外置傳感器對某變電站內220 kV 型號為ZF-252的GⅠS設備進行特高頻、超聲波帶電聯合檢測，檢測異常情況如下：

220 kV某4P14線路C相正母閘刀氣室檢測到異常特高頻及超聲波信號，在氣室外置特高頻傳感器檢測到異常特高頻信號，信號幅值最大為65 dB，如圖3～5所示，每周期存在兩簇信號，相位較寬，幅值較大。超聲波信號最大值為133 mV，頻率成分2大于頻率成分1，每周期出現兩簇脈沖波形，相位分布較寬。

圖3 220 kV 4P14線路C相正母閘刀氣室特高頻PRPS&PRPD圖譜

圖4 220 kV 4P14線路C相正母閘刀氣室AE幅值/波形圖譜

針對出現的GⅠS 組合電器出現異常的特高頻局放和超聲波信號，對GⅠS所有的氣室進行一一排除，測試的異常數據匯總如表1所示。

表1 GIS測試的異常特高頻局放和超聲波信號數據

圖5 220 kV 4P14線路C相正母閘刀氣室AE相位圖譜/信號最大點位置圖

3 數據分析

氣室有異常的特高頻局放信號幅值在63 dB 以上，能量較大，每周期存在兩簇信號，相位寬，幅值較大，6個氣室的PRPS&PRPD圖、AE幅值/波形圖都較為相似，對照圖1 固體絕緣內部局部放電特高頻典型圖譜，可初步判斷GⅠS 內部存在一定程度的局部放電。

結合表1 測試數據表明，異常的超聲波信號幅值在100 mV 以上，最大幅值達到354 mV，且每個周期出現兩簇脈沖波形，相位分布寬，放電間隔時間較均勻、放電次數較多、能量較大等明顯特征，可以判斷為金屬性懸浮放電。

用聲電聯合定位放電位置。我們以1#變壓器220 kV B相正母閘刀氣室為例，進行聲電聯合定位。應用工業示波器對特高頻及超聲波傳感器信號進行采樣，如圖6所示。

圖6 1#變壓器220 kVB相正母閘刀氣室示波器10 ms波形圖

由圖6示波器10 ms波形圖可知，特高頻最大幅值1.22 V，超聲波最大幅值2.84 V；特高頻圖譜每周期存在兩簇脈沖信號，示波器聲電圖譜部分脈沖對應，有局部放電存在且為金屬性懸浮放電并伴有絕緣放電，與我們分析的數據結論基本一致。

傳感器位置分別按圖7和圖8布置，利用多通道信號時延比較對局放源部位精確定位。即黃色超聲波傳感器保持位置不變，通過多方位移動紅色及綠色超聲波傳感器，黃色超聲波傳感器信號始終超前紅色及綠色超聲波傳感器信號，且與特高頻信號時差最小為3 μs，超聲波在環氧樹脂中的傳播速度大2540 m/s，計算出局放源距離綠色超聲波傳感器0.76 cm 處，局放源位置如圖9 所示，系1#變壓器220 kV B 相正母閘刀靠正母側盆式絕緣子區域。對其他異常的氣室也逐一排查，系同一原因問題，不再一一描述。

圖7 傳感器橫排布置圖/示波器圖譜

圖8 傳感器豎排布置圖/示波器圖譜

圖9 局放源位置

X射線成像檢測復核[20]，對1#變壓器220 kV B相正母閘刀靠正母側盆式絕緣子區域X 射線成像透視檢測顯示，如圖10所示。部分盆式絕緣子漏裝均壓環接地螺絲或接地螺絲未按照安裝要求緊固出現松動虛接地，導致盆式絕緣子的均壓環未有效、可靠接地。在設備帶電運行時產生懸浮電位，對虛地的金屬法蘭游離放電，產生能量較大的異常的局部放電。

圖10 X射線成像透視檢測

4 缺陷處理

結合GⅠS 電器盆式絕緣子區域特高頻局放及超聲波異常及X 射線成像透視檢測復核情況，對各氣室的絕緣子均壓環接地情況全面排查，發現部分均壓環接地螺絲漏裝和均壓環接地螺絲，與金屬法蘭接觸面上有一層涂覆防水膠導致接地不良，經現場打磨處理和加裝均壓環接地螺絲。重新對各氣室進行特高頻局放及超聲波測試無異常后，投入運行。

5 結束語

實踐證明，運用特高頻及超聲波帶電檢測技術，一方面在不停電的情況下能有效測試評估設備的健康狀況，另一方面又能聯合診斷及精準定位局放源，特別是金屬鎧裝全封閉式電器，具有非凡意義，也為設備狀態檢修策略提供可靠依據。