變電站GIS設備局放聲電聯合檢測與定位方法研究

葉旺，李忠虎，張繼紅

（1.內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭，014010；2.內蒙古自治區光熱與風能發電重點實驗室，內蒙古包頭，014010；3.北京華天機電研究所有限公司，北京，100000）

0 引言

GIS（Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣金屬封閉組合電器）是一種將電力系統中除變壓器以外的一次設備（如高壓隔離開關、斷路器、電壓互感器、電流互感器、母線、電纜終端等）經過嚴密設計有機地組合在一起并充以六氟化硫氣體作為絕緣介質的組合電器[1]。GIS設備由于具備檢修周期長、運行安全可靠、節省占地空間等優勢，在我國電力領域的應用極為廣泛，但同時GIS設備也存在缺陷不易診斷的問題，這與其內部封閉的結構存在直接關聯[2]。在出現故障前后，電氣設備存在多種特征信息，如聲、光、電、熱、氣等，基于不同的的特征信息，超聲波局放檢測、紅外熱像檢測、特高頻局部放電檢測、SF6氣體狀態檢測等多種帶電檢測技術得以出現[3]。近年來，，國內外圍繞光學、化學、超聲波等監測技術開展了大量研究，如基于硅光電倍增器（SiPM）的新型局部放電弱光檢測傳感系統、基于SF6氣體酸性分解產物濃度與放電類型綜合評估診斷法、針對自由漂浮雜質超聲波絕緣分析法[4]。此外，有限時域差分方法、相位門極控制方法、寬帶電磁波監測小波法、基于局放電磁頻率信號相位差的超寬頻帶UHF無線電抗干擾分析法等方法也屬于研究熱點[5]。雖然在局部放電檢測技術中，各種檢測方式都有其優勢，但是也都存在著其明顯的局限性，因此只依靠單一的檢測方式，很難保證檢測結果的可靠準確性，尤其是在具體實踐中，局放源精確定位問題仍不能足夠準確，很多時候僅能夠粗略地判斷出局部放電源位于傳感器的左右方向[6]。本文采用一種聲電聯合檢測技術對GIS設備局部放電缺陷進行檢測并對故障原因進行分析，同時實現GIS內部缺陷嚴重程度、缺陷類型及具體位置判斷等功能，為GIS局部放電故障檢測提供一個較全面可靠的解決方案。

1 聲電聯合檢測與定位方法研究

為了直觀展示GIS設備局部放電聲電聯合檢測與定位方法，本節將結合某變電站局部放電故障實例，對聲電聯合檢測技術進行深入探討，包括聲電聯合檢測流程、干擾處理、局放源位置分析、故障原因分析及設備解體驗證等。

1.1 聲電聯合檢測技術基本原理

聲電聯合檢測技術屬于本文研究核心，該技術由超聲波局部放電檢測技術和特高頻局部放電檢測技術組成。當GIS設備內部出現極小范圍的局部放電時，周圍會出現迅速畸變的巨大電場并擊穿附近所有的絕緣介質，然后產生上升時間小于1納秒的脈沖電流，從而激發頻率高達數吉赫茲的電磁波[7]。特高頻局部放電檢測技術依托UHF傳感器，能夠對局部放電產生的一定頻率范圍內的電磁波信號進行檢測，從而獲取局部放電的相關信息。該技術一般擁有300MHz～3GHz的頻譜檢測范圍，檢測頻率高且帶頻帶范圍廣泛，可自動濾除300MHz以下的低頻段電暈干擾，擁有靈敏度高、抗干擾能力強等特點，因此在檢測、定位GIS設備局放類缺陷方面具備較高實用價值，同時可實現故障類型判斷[8]。

當GIS設備內部發生局部放電時，機械振動也會同時出現，將測量局放超聲波信號的傳感器放置于設備腔體外殼上即可實現對放電信號的測量，這就是局部放電超聲波檢測技術。該技術擁有20～200 kHz頻段的檢測范圍，一般采用的傳感器類型為壓電陶瓷材料諧振式，并采用同軸電纜與檢測主機進行信號的傳輸[9]。由于電力設備的電氣回路與該技術采用的傳感器間不存在電磁方面的聯系，這就使得傳感器不會受到電氣方面的干擾，但非局放故障造成的設備機械振動或周圍環境噪聲可能在技術應用中造成一定影響[10]。聲電聯合檢測示意圖如圖1所示。

圖1 聲電聯合檢測示意圖

通過綜合應用上述兩種技術，即可在電力設備局放檢測過程中同時對超聲信號、UHF信號進行分析，以此來對比判斷，可順利實現外部干擾的有效排除，開展精確度更高的局放類型檢測。對于GIS設備局部放電來說，采用聲電聯合檢測技術需要在盆式絕緣子表面放置UHF傳感器，在GIS筒體外殼設置超聲傳感器，然后檢測儀器的主機部分負責處理傳感器反饋的局放信號，由此可實現局放定位分析、模式識別與絕緣水平診斷等功能。

1.2 故障案例介紹

某110kV變電站的某技術人員某天發現1號主變110 kV 2802開關母線側靠近280221隔離刀閘的斷路器氣室和CT氣室附近斷斷續續出現輕微“滋滋”異響，該技術人員憑借豐富的工作經驗判斷該處設備內部可能是出現了因螺絲松動引起的局部放電缺陷并立即上報，該單位立即組織技術人員開展局部放電帶電檢測，考慮到故障點附近帶電設備情況復雜，為實現局部放電故障精確診斷與定位，決定采用特高頻檢測（UHF）和超聲波檢測（AE）的聲電聯合檢測法。

1.3 聲電聯合檢測流程

在聲電聯合檢測過程中，需首先排除可能存在的干擾源。其次，利用特高頻局放檢測技術在設備周圍進行局部放電信號的定性檢測，若檢測完成后未在設備周圍發現局部放電信號，則可以判斷出信號來源于GIS腔體內部，此時需要在設備外殼上選幾個方便有利的位置布置UHF傳感器進行檢測并進行故障的初步定位，然后根據檢測到的信號特征與局部放電典型圖譜進行對比，從而對局放類型進行判定，最終給出判定結果并完成數據的上傳和保存。接下來進一步開展超聲波局放檢測，將超聲波檢測范圍為20～100kHz的壓電陶瓷傳感器置于GIS腔體外殼，然后不斷調整傳感器位置以尋找信號幅值最強點，通過比較分析超聲波信號幅值的方式鎖定局部放電故障源。需要注意的是，檢測前需要先對現場的背景信號進行測試，這一過程需保證測定方式的合理選擇，保證異常信號點不會在檢測過程中被遺漏。在發現異常信號后，采用頻率或幅值分析的方法實現信號源定位，此外，設備內部結構的交變電磁場、振動等干擾因素對實驗結果的準確度可能造成的影響也需要得到重視[11]。最后，在對測試結果進行綜合分析判定后對數據進行保存。檢測流程如圖2所示。

圖2 現場聲電聯合檢測流程圖

1.4 干擾信號處理

對于變電站GIS設備來說，周邊設備電壓等級高，干擾信號紛亂復雜，而且干擾信號強度較大，在現場對問題設備開展聲電聯合檢測時對干擾信號很難識別。為了更好接收有效局部放電信號，首先就要采取一定措施消除干擾信號[12]。

本案例采取的措施是：運用UHF傳感器和AE傳感器檢測目標設備周圍設備及空氣中的背景噪聲，判斷背景干擾是否會對正常檢測造成影響，如果背景干擾信號幅值較大，則需采取措施盡最大可能降低外部干擾信號對測試結果的影響。其中，UHF檢測法排除干擾信號的主要手段有屏蔽帶法、濾波器法、背景干擾屏蔽測量法。AE檢測方式排除干擾的手段是在要檢測的物體表面涂抹專用耦合劑并對傳感器施加壓力使其緊貼物體表面并保持靜止。

因此，為了排除干擾，提高有效信號信噪比，本次對故障GIS設備實施特高頻檢測時有針對性地采用了屏蔽帶，具體措施是采用屏蔽帶包將盆式絕緣子和特高頻傳感器完全包裹，令外部干擾信號無法進入GIS設備內部氣室和傳感器內部。另外，由于大量試驗結果顯示，變電站內的電磁干擾信號頻率一般集中在300MHz以下，由此信號采集回路中串聯了300MHz及以上的高通濾波器進一步濾除大部分的高頻段干擾信號，這樣即可有效屏蔽外部干擾信號。

該單位人員通過利用特高頻檢測儀器開展帶電檢測，發現靠近A、B、C三相隔離刀閘附近2202間隔氣室的盆式絕緣子位置時，特高頻PRPS圖譜有明顯的局部放電特征信號，另外對比采取消除干擾措施前后的特高頻PRPS圖譜可以發現，背景干擾信號在采取屏蔽措施后顯著降低，同時存在明顯增大的局部放電信號，如圖3所示。在對比不同距離下盆式絕緣子上的UHF傳感器采集到的信號幅值后，確定2202間隔氣室內部為局部放電信號源頭。

圖3 采用屏蔽措施前后特高頻PRPS圖譜

通過分析可知，盆式絕緣子與UHF傳感器的距離越近，則存在越強的放電信號，這就說明GIS設備內部為前述局部放電信號的來源。結合上述分析可以發現，在設置屏蔽帶實現外界干擾減少后，對信號強度開展了針對性分析，通過改變盆式絕緣子與傳感器間的距離，可發現GIS設備內部為放電信號源頭，放電信號并非來自外界干擾。

1.5 局放源位置分析

為實現GIS設備局部放電的定位，需采取針對性措施鎖定局放源的準確位置，具體可從確定局部放電相入手。考慮到案例變電站采用分相式結構的GIS設備，因此具體放電相的確定需綜合應用聲電聯合檢測技術。首先運用超聲波檢測方式對局放源位置進行大概定位，超聲波局部放電測試儀器采用挪威TransNorAs廠家的AIA-2型號。具體實踐措施是，依次分別在2202間隔A、B斷路器氣室和B、C斷路器氣室還有A、C斷路器氣室固定兩個超聲探頭，采用連續模式和時域模式對目標位置進行檢測，連續檢測模式和時域檢測模式下的測量結果如圖4所示。

圖4 GIS斷路器氣室超聲波連續模式測量結果

分析圖4和圖5可以發現，相較于B相和C相的局放超聲波信號幅值，A相信號幅值明顯較大。同時由時域模式檢測結果得知，A相信號在時間上明顯超前于另外兩相信號。分析2202間隔A相、B相和C相圖譜可知，A相放電信號超前于B相信號23ms，超前于C相信號31ms。有針對性地對比檢測得到的數據能夠發現，相較于2202間隔B相和C相點，A相信號明顯最強且時間上超前，因此可確定2202間隔A相為放電源位置。

圖5 GIS斷路器氣室超聲波時域模式檢測結果

為鎖定局放源位置，還需要設法確定放電氣室，由于盆式絕緣子將斷路器氣室與設備CT隔離，因此適合采用一對特高頻傳感器利用時間差法來定位放電氣室，檢測儀器采用北京博電新力電氣的PDU-600特高頻局放檢測儀，操作方法是在2202間隔A相具體選擇兩個測試點A和B，分別是CT氣室與母線隔離刀閘間的盆式絕緣子，以及出線方向上斷路器對應的第一個絕緣子，利用兩組特高頻傳感器探頭分別對選定的兩個點進行UHF周期圖譜檢測，其中選擇盆式絕緣子作為測試點的原因是防止GIS金屬殼體屏蔽局放產生的電磁波信號，影響檢測結果的準確可靠性。分析UHF周期圖譜可以發現，兩個測試點幾乎是同一時間出現第一束局部放電脈沖，都是在25ms附近，且幅值相差不大，如圖6所示。

圖6 2202間隔A相UHF周期模式檢測結果

結合兩個測試點，可判斷兩個測試點中間位置為放電點位，即CT氣室和斷路器的中間位置。在CT氣室和斷路器位置放置兩組超聲傳感器繼續進行超聲波時域模式檢測，測量結果如圖7所示。

圖7 CT氣室和斷路器氣室超聲波時域模式檢測結果

對比測量結果可以發現，相較于CT氣室的超聲信號，斷路器氣室信號明顯超前，同時存在更大的幅值，因此可確定斷路器氣室為放電源。然后進行放電平面的確定，按照不同水平高度在斷路器外殼設置一組超聲波傳感器，選定斷路器氣室外殼的底部、上部、中部作為放電平面，測量結果如表1所示，結合超聲波時域檢測模式測量圖譜分析能夠發現，底部測試點信號幅值為12dB，相較于中部測試點幅值略高，而且信號在時間上略超前。相較于底部測試點，上部測試點存在明顯偏低的信號幅值且在時間上明顯滯后，最終可判定斷路器氣室底部位置為放電源。

表1 斷路器各放電平面局放超聲波信號幅值

1.6 故障原因分析及設備解體驗證

進一步開展故障原因分析，結合上文分析可以發現，特高頻局部放電信號間歇性出現在2202間隔A相斷路器氣室內置傳感器處，結合技術應用導則，對比特高頻檢測局放典型圖譜和檢測結果能夠發現，檢測結果波形存在穩定較大的脈沖幅值和基本一致的放電時間間隔，同時存在無極性差異的正負半波檢測信號，具有相位對稱性且放電次數較少，符合常見局部放電類型中懸浮電位放電的特征，因此可判斷懸浮電位體放電（懸浮金屬體放電）為造成特高頻信號出現異常的原因。結合斷路器內部結構圖開展進一步分析，并參考類似故障，可判斷導體與支撐絕緣筒連接處為故障位置，故障原因極有可能是緊固均壓環的螺栓松動引發懸浮電位放電；基于上述判斷，同時參考SF6氣體濕度檢測、SF6氣體成分檢測等檢測結果，在針對性開展設備停電解體后，技術人員發現斷路器氣室底部緊固均壓環的螺栓與墊片未緊密接觸，故障實際位置與上述分析判斷的誤差不超過5cM，故障部位如圖8所示。

圖8 均壓環緊固螺栓與墊片未緊密接觸故障

接下來開展針對性的設備解體檢修，在相關試驗結果合格后投入運行，之后針對性進行帶電檢測，特高頻檢測未能在該間隔設備處發現異常信號，可最終判定設備運行正常，這說明局放源位置能夠通過聲電聯合技術準確鎖定，本文研究的GIS設備局部放電聯合檢測與定位具備較高實用性，能夠較好保障設備安全穩定運行。

2 結論

GIS設備局部放電聯合檢測與定位需關注多方面因素影響。在此基礎上，本文涉及的聲電聯合檢測原理、聲電聯合檢測流程、干擾處理、局放源位置分析、故障原因分析及設備解體驗證等內容，則直觀展示了GIS設備局部放電聯合檢測與定位路徑。實際上，在應用聲電聯合檢測的具體實踐中，還可能遇到異常信號檢測精確性不高、外界信號干擾、專家分析系統智能性不足、評估無法量化等問題，這些問題也需要設法解決，是未來的研究方向。