基于時差和幅值的超聲波閃絡(luò)定位儀在GIS耐壓試驗(yàn)過程中的應(yīng)用

東莞市輸變電工程建設(shè)有限責(zé)任公司 吳柱榮

GIS有占地面積小、運(yùn)行可靠、使用壽命長和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)中。但在GIS加工、運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝的過程中，受加工工藝、運(yùn)輸和安裝條件及安裝人員的裝備技術(shù)水平限制，其腔體內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)一些小的缺陷，如：絕緣子內(nèi)部有氣泡或是裂紋、內(nèi)部緊固件松動、金屬導(dǎo)體毛刺、安裝時帶入灰塵或異物、清掃不潔凈殼體上附著有灰塵或顆粒等缺陷。因此GIS在進(jìn)行交接時進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)或交流耐壓試驗(yàn)（大多數(shù)情況下交接試驗(yàn)以交流耐壓試驗(yàn)為主），在投運(yùn)前有效發(fā)現(xiàn)上述這些問題。

無論是雷電沖擊試驗(yàn)還是交流耐壓試驗(yàn)，就設(shè)備本身而言都屬于破壞性試驗(yàn)，如發(fā)生擊穿反復(fù)加壓會造成設(shè)備的整體絕緣性能下降，從而影響使用壽命和帶來安全隱患。因此在耐壓試驗(yàn)過程中對擊穿點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位顯得尤為重要。最早期傳統(tǒng)的方法靠人耳感知，安排若干人員站立在GIS設(shè)備周圍，憑耳朵感知哪里的聲響最大來進(jìn)行定位，此方法發(fā)生錯誤的概率為90%以上，解決手段就是分間隔多次加壓，直至找出擊穿點(diǎn)。

隨著技術(shù)進(jìn)步，采用分解產(chǎn)物對擊穿進(jìn)行定位，SF6在高壓場強(qiáng)的作用下發(fā)生分解，分解的成份有SO2、H2S等氣體，若擊穿點(diǎn)剛好發(fā)生在取氣口附近、并及時進(jìn)行測量，能有效找到擊穿部位。但是由于現(xiàn)階段通常采用整體加壓方式，每次耐壓所帶的間隔都是幾個或二十多個，此時用測量分解產(chǎn)物的方法顯得力不從心。原因一：SF6具有極強(qiáng)穩(wěn)定性和電負(fù)性，擊穿時可能不發(fā)生分解或分解后能快速修復(fù)；原因二：耐壓時所帶間隔多、需測量的氣室數(shù)量多，當(dāng)測量到擊穿點(diǎn)時SF6已完成自我修復(fù)，而且通常是多個氣室共用一個取氣口，測量的數(shù)據(jù)是取氣口附近氣體的數(shù)據(jù)。所以該方法也不能準(zhǔn)確定位擊穿點(diǎn)。

再后來發(fā)展到采用超聲波幅值的定位，但由于受傳感器一致性的影響和超聲信號在傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生反射疊加，經(jīng)常會出現(xiàn)最大值不是擊穿部位的情形，從而導(dǎo)致定位不準(zhǔn)。

1 GIS耐壓過程中擊穿的原因

固定缺陷。其中包括導(dǎo)體和外殼內(nèi)表面上的金屬突起，以及固體絕緣表面上的微粒。金屬突起通常是制造不良和安裝損壞擦劃時造成的，導(dǎo)致毛刺且較尖，使得場強(qiáng)分布不均勻。在穩(wěn)定的工頻狀態(tài)下形成電暈保護(hù)球不容易發(fā)生引擊穿，但在快速電壓如雷電沖擊情況下容易擊穿；GIS腔體內(nèi)可移動的自由金屬微粒。金屬微粒是最普遍的微粒，在制造、裝配和運(yùn)行中均有可能產(chǎn)生，它有積累電荷的能力。在交流電壓場的影響下能夠移動，在很大程度上運(yùn)動與放電的可能性是隨機(jī)的。當(dāng)靠近高壓導(dǎo)體且并未接觸時可能發(fā)生放電，隨電壓等級的升高可能發(fā)生擊穿。

傳導(dǎo)部分接觸不良。如靜電屏蔽和其它浮動部件，由松動或浮動部件產(chǎn)生電位差，隨電壓不斷上升而最終可能發(fā)生擊穿；絕緣子制造時造成的內(nèi)部空隙和實(shí)驗(yàn)閃絡(luò)引起的表面痕跡，還包括或是因電極的表面粗糙或是來自制造時嵌入的金屬微粒。此外因環(huán)氧樹脂與金屬電極的收縮系數(shù)不同，也會形成氣泡或空隙。這些GIS的絕緣缺陷類型極有可能會在GIS中產(chǎn)生局部放電，在絕緣體中的局部放電甚至?xí)g絕緣材料，進(jìn)一步發(fā)展成為樹枝并最后導(dǎo)致絕緣擊穿。

在GIS發(fā)生擊穿時伴隨有聲、光、熱等現(xiàn)象，通過對某一種或幾種現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測，達(dá)到定位的目的。此文重點(diǎn)闡述對擊穿時產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)擊穿定位的目的。

2 擊穿定位系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)采用全金屬一體化設(shè)計，抗電磁輻射等級滿足國標(biāo)四級標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)置信號高速采集，采樣率高達(dá)1MHz，具備同步處理、包括濾波、放大、觸發(fā)設(shè)置等功能；采樣時北斗或GPS實(shí)時同步授時，或采用后臺筆記本無線授時，授時精度達(dá)到納秒級，內(nèi)置恒溫晶振，授時后計時精度達(dá)到50us/12h。

本系統(tǒng)考慮到傳感器個體差異，專門增設(shè)參數(shù)校準(zhǔn)，針對單個傳感器在諧振頻率上響應(yīng)差異進(jìn)行系數(shù)修正，修正精度高達(dá)1%；且充分考慮現(xiàn)場若發(fā)生擊穿會產(chǎn)生高頻信號、對無線通訊會產(chǎn)生一定的影響，可能導(dǎo)致無線信號中斷、后臺無法顯示的情形，本系統(tǒng)采用了最可靠的顯示方式：最穩(wěn)定可靠的信號指示燈強(qiáng)弱顯示；直觀的液晶顯示，可直接顯示擊穿時的峰值和擊穿起始脈沖時間；采用后臺筆記本顯示。

圖1 系統(tǒng)組成示意（最多可299個單元同時使用）

2.2 幅值定位介紹

由于環(huán)氧樹脂對超聲波信號有極強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)擊穿點(diǎn)在擊穿時產(chǎn)生的超聲波信號在通過絕緣盆子時被盆子吸收，使得信號的強(qiáng)度發(fā)生大幅衰減。通過實(shí)驗(yàn)室對比發(fā)現(xiàn)，超聲波信號的強(qiáng)度每經(jīng)過一個盆式絕緣子能量衰減比率高達(dá)40%~60%之間。依據(jù)這種情況，就可通過擊穿時每個定位單元的幅值大小進(jìn)行定位，理論上幅值越大離擊穿點(diǎn)越近。此方法對傳感器的一致性要求較高，需所有定位單元的一致性不超過20%的誤差。

2.3 時差定位介紹

若GIS內(nèi)部發(fā)生擊穿，超聲波在沿殼體進(jìn)行傳播過程中，遇到較大的障礙物時一部分被障礙物吸收、一部分穿過障礙物沿殼體繼續(xù)向前傳播、一部分會發(fā)生反射，此時可能發(fā)生波形的疊加，會出現(xiàn)疊加后的波峰高于擊穿點(diǎn)的波峰，從而產(chǎn)生誤判的情況。遇到此情形需根據(jù)起始脈沖的時差來判斷擊穿點(diǎn)的位置。在GIS內(nèi)部發(fā)生擊穿時，超聲波信號在SF6氣體中先主要以縱波的形式傳到殼體表面，再主要以橫波的形式沿殼體傳播，根據(jù)定位單元離擊穿點(diǎn)的距離不同，超聲波信號到達(dá)定位單元的時間先后也不一樣，因此理論上越早到達(dá)的定位單元離擊穿點(diǎn)越近。

超聲波沿殼體傳播時的速度，以鋁合金為例約為6300m/s、在鐵中的傳播速度約為5900m/s，所以定位單元的授時精度要達(dá)到納秒級，在工作中的所有傳感器誤差要小于100us才能確保時差法定位的準(zhǔn)確性。但由于GIS緊湊的結(jié)構(gòu)，比如在發(fā)生擊穿時超聲波信號還會沿空氣傳播，通過空氣傳播到不是擊穿點(diǎn)上的定位單元時間更短，此時也容易發(fā)生誤判。如圖2中，黑點(diǎn)代表定位單元安裝位置、紅點(diǎn)代表擊穿位置，此時可能先接受到信號的單元是上方的單元。所以對GIS耐壓過程中擊穿定位的方法，最好是時差法和幅值法相結(jié)合進(jìn)行綜合判斷，才能確保定位的準(zhǔn)確。

圖2 時差定位誤判斷情形舉例

3 現(xiàn)場使用注意事項(xiàng)

3.1 工裝注意事項(xiàng)

超聲波傳感器作為定位單元的核心元器件之一，它采用壓電陶瓷片制作而成，接收到擊穿時產(chǎn)生的壓力波，通過轉(zhuǎn)換把壓力波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺偻ㄟ^A/D轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)信號的強(qiáng)弱。因此測量前的安裝情況顯得尤為重要，在安裝時一定要使傳感器的中心點(diǎn)和GIS殼體完全耦合；如果在安裝時不是傳感器的中心點(diǎn)與殼體接觸會導(dǎo)致幅值的誤差高達(dá)50%或以上，從而導(dǎo)致定位不準(zhǔn)的結(jié)果。固定安裝時選用專門的緊固帶將定位單元緊固在GIS殼體表面，使得傳感器承受一定的壓力并盡量使所有定位單元壓力的大小一致。

超聲波的傳遞需要介質(zhì)，在一種介質(zhì)進(jìn)入另外一種介質(zhì)中時傳播速度和衰減都會有明顯的變化，所以安裝時要盡量多的將耦合劑涂抹在傳感器的表面，使得傳感器和殼體之間不留間隙；如果耦合不夠緊密，測量時導(dǎo)致幅值的誤差高達(dá)30%甚至更多，從而導(dǎo)致定位出現(xiàn)錯誤的情況。對于耦合劑最好是選用絕緣硅脂為首選。

3.2 布點(diǎn)選擇

依據(jù)超聲波經(jīng)過盆式絕緣子的衰減，在條件允許的情況下，每隔一個盆子都要安裝一個定位單元；安裝在離盆子左右（或上下）30cm處，盡量安裝在殼體的側(cè)下方；注意不要把定位單元緊挨盆子安裝，因?yàn)槿绻x得太近可能會出現(xiàn)波形疊加的情況而產(chǎn)生誤判斷。很多時候受定位單元數(shù)量的限制，在安裝時要優(yōu)先選擇現(xiàn)場安裝部分，再根據(jù)結(jié)構(gòu)不同選擇安裝，優(yōu)先級為：現(xiàn)場安裝部分→斷路器處→刀閘處→T型或者L型接頭處。安裝時盡量避開互感器（圖3）。

圖3 定位單元安裝（黃色代表定位單元的安裝位置）

3.3 開始前檢測確認(rèn)

開始前先開啟所有定位單元，對定位單元進(jìn)行授時，授時完成點(diǎn)擊開始測量，然后在每個定位單元所在的氣室用金屬輕輕敲擊殼體，看定位單元能否接收到信號。檢查完畢后將這些數(shù)據(jù)全部清除，點(diǎn)擊停止和屏保，待確認(rèn)開始升壓后再全部開啟測量。

4 成功定位案例分享

4.1 某電網(wǎng)公司220kV GIS現(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)中成功定位

圖4 實(shí)測定位解題驗(yàn)證圖片

本次對220kV新某某變電站220kV GIS進(jìn)行耐壓擊穿定位測試過程中：A、C相整體耐壓及斷口通過；B相整體耐壓通過后，調(diào)整刀閘狀態(tài)后進(jìn)行斷口耐壓時，電壓到460kV時95706刀閘處傳感器先發(fā)生了擊穿，根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對發(fā)生擊穿相鄰的3個傳感器進(jìn)行峰值比較，由于95706刀閘處最先發(fā)生擊穿且峰值最大、斷路器峰值最小，#6母線的傳感器布置在B相的正前方位置但峰值比95706刀閘處峰值小，根據(jù)聲音的傳播方向判斷越接近放電源峰值越大，擊穿點(diǎn)應(yīng)在95706刀閘氣室內(nèi)；各方到場后對95706刀閘氣室進(jìn)行抽真空開檢修門，利用內(nèi)窺鏡在95706刀閘氣室下部靠A相面發(fā)現(xiàn)明顯的放電痕跡。

4.2 廣東電網(wǎng)公司220kVGIS耐壓時擊穿成功定位

本次對220kV某變電站220kV GIS進(jìn)行耐壓擊穿定位測試過程中：第一次對#4主變變高間隔A相加壓時，當(dāng)電壓等級完成第二階段向第三階段加壓至420kV時發(fā)生擊穿，對地保護(hù)后檢查傳感器在#4主變變高間隔1m側(cè)22041刀閘氣室處的傳感器峰值到達(dá)了3248mV，斷路器處傳感器為99mV，根據(jù)峰值比較該放電源在#4主變變高間隔1m側(cè)22041刀閘氣室概率較大；各方到場后對#4主變變高間隔1m側(cè)22041刀閘氣室進(jìn)行抽真空開檢修門，利用內(nèi)窺鏡在#4主變變高間隔1m側(cè)22041刀閘氣室A相發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣材料破損。

綜上，通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試情況來看，在GIS工頻耐壓或者雷電沖擊實(shí)驗(yàn)過程中，對發(fā)生擊穿時的定位利用超聲波幅值和時差法能準(zhǔn)確定位出擊穿點(diǎn)的位置，在定位過程中需做好如下工作：現(xiàn)場安裝時一定要認(rèn)真仔細(xì)檢查安裝是否正確，確保傳感器的中心點(diǎn)和GIS殼體充分接觸；保每個定位單元與殼體的完全耦合，盡量多的涂抹耦合劑；開始前要確保每個定位單元處于正常工作狀態(tài)并統(tǒng)一授時；條件允許的情況下每隔一個盆子至少安裝一個定位單元；對定位單元的一致性要求較高，建議所有定位單元的一致性在20%以內(nèi)；時間精度至少到達(dá)100us，并能準(zhǔn)確記錄起始脈沖時間。