穆　強，喻勇麗

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

超聲波用于GIS局部放電檢測探討

穆強，喻勇麗

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：隨著GIS變電站數(shù)量的增多，GIS設(shè)備發(fā)生故障的幾率也在增加。研究表明，GIS設(shè)備內(nèi)部故障以絕緣性故障為多。GIS設(shè)備的局部放電往往是絕緣性故障的先兆和表現(xiàn)形式，GIS設(shè)備中放電使SF6氣體分解，嚴(yán)重影響電場分布，導(dǎo)致電場畸變，絕緣材料腐蝕，最終引發(fā)絕緣擊穿。實踐證明，開展局部放電檢測可以有效避免GIS事故的發(fā)生，本文介紹了基于超聲波法對GIS局部放電的檢測。

關(guān)鍵詞：局部放電；GIS；超聲波法

0　引言

SF6氣體絕緣組合電氣設(shè)備（GIS）因其故障率低、免維護(hù)等特點而在電力系統(tǒng)中被廣泛使用。但是，GIS具有全封閉的特殊性，使得除了進(jìn)行微水檢測等少數(shù)試驗項目外，現(xiàn)行的高壓試驗的大多數(shù)項目無法應(yīng)用于GIS，長期以來，它幾乎處于無維護(hù)狀態(tài)。因此，目前國內(nèi)外廣泛采用局部放電超聲波檢測技術(shù)等非電量測量法來檢測GIS故障，為提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的異常和故障提供預(yù)警，及時進(jìn)行處理。

1　GIS局部放電的原因

在GIS的各類故障中，絕緣故障占有較大比例。導(dǎo)致這些絕緣故障的主要是一些絕緣缺陷，如內(nèi)部故障缺陷、自由顆粒、毛刺、接觸不良、固體絕緣表面臟污等。在高電壓作用下，隨著這些微小缺陷的逐漸擴(kuò)大，會使放電所產(chǎn)生的電荷在固體絕緣表面逐漸積累，導(dǎo)致電場分布的嚴(yán)重畸變。造成絕緣擊穿和沿面閃絡(luò)。局部放電是GIS發(fā)生絕緣故障的先兆和表現(xiàn)形式。GIS局部放電產(chǎn)生的原因有以下幾種（如圖1所示）。

（1）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。金屬突起通常是在制造不良和安裝損壞擦劃時造成的，導(dǎo)致毛刺且較尖。在穩(wěn)定的工頻狀態(tài)下不引起擊穿，但在快速電壓如沖擊、快速暫態(tài)過電壓（VFTO）條件下則很危險。

圖1　局部放電產(chǎn)生的原因

（2）GIS腔體內(nèi)可以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，當(dāng)靠近高壓導(dǎo)體且并未接觸時，放電最可能發(fā)生。

（3）傳導(dǎo)部分的接觸不良。如靜電屏蔽和其他浮動部件，這些浮動部件產(chǎn)生的放電通常比較大，通常易于檢測，放電趨向于反復(fù)。

（4）絕緣子制造時內(nèi)部空隙和實驗閃絡(luò)引起的表面痕跡，此外，因環(huán)氧樹脂與金屬電極的收縮系數(shù)不同，也會形成氣泡和空隙。這些GIS的絕緣缺陷類型極有可能會在GIS中產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，在絕緣體中的局部放電甚至?xí)g絕緣材料，進(jìn)一步發(fā)展成電樹枝，并最后導(dǎo)致絕緣擊穿（表1）。

表1　絕緣破壞過程

可以看出，必須把局部放電限制在一定的水平之下。對電力設(shè)備進(jìn)行局部放電試驗，不但能夠了解設(shè)備的絕緣狀況，還能及時發(fā)現(xiàn)許多有關(guān)制造和安裝方面的問題，確定絕緣故障的原因及嚴(yán)重程度。

2　局部放電的檢測方法

局部放電的檢測以局部放電所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象為依據(jù)，通過表述該現(xiàn)象的物理量來表征局部放電的狀態(tài)。局部放電過程除了伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗之外，還會產(chǎn)生電磁輻射、超聲波、發(fā)光、發(fā)熱以及出現(xiàn)新的生成物等。因此與這些現(xiàn)象相對應(yīng)，局部放電的檢測方法可分為電氣測量法和非電測量法兩大類。其中電氣測量法主要包括脈沖電流法、無線電干擾法、超高頻檢測法等，而非電測量法則主要包括光測法、化學(xué)檢測法、超聲檢測法等。本文主要介紹超聲檢測法。當(dāng)設(shè)備局部放電時會伴有發(fā)聲現(xiàn)象?？赏ㄟ^將超聲波傳感器安裝在電力設(shè)備外殼上檢測局部放電產(chǎn)生的聲信號，達(dá)到檢測目的。該方法抗電氣干擾的能力強，可對GIS、變壓器等電氣設(shè)備的局部放電進(jìn)行檢測和定位。

3　超聲波法檢測局部放電概述

在局部放電發(fā)生時，放電區(qū)域內(nèi)分子間會劇烈撞擊，同時介質(zhì)由于放電發(fā)熱而瞬間體積發(fā)生改變，這些因素都會在宏觀上產(chǎn)生脈沖壓力波，超聲波就是其中頻率大于20 kHz的聲波分量。

由于聲電傳感器效率的提高和電子放大技術(shù)的發(fā)展，聲測法的靈敏度有很大提高。另外，根據(jù)超聲波的定向傳播特性，在一定的介質(zhì)中有一定的定向傳播速度，可用來測定放電源位置，以進(jìn)行后續(xù)的檢修整改。圖2給出了超聲波檢測GIS局部放電的原理。

超聲波法檢測GIS局部放電的特點包括：

（1）設(shè)備使用簡便，技術(shù)相對比較成熟。利用超聲波傳感器貼在接地的GIS外殼上進(jìn)行檢測（測量頻率一般為20~100 kHz），對GIS的運行和操作沒有任何影響，傳感器與檢測設(shè)備之間采用光纖連接，使設(shè)備和測量人員的安全可以得到保證。

圖2　超聲波檢測GIS局部放電的原理

（2）抗干擾能力比較強。由于測量的是超聲波信號，因此對電磁干擾的抗干擾性能比較強，但易受機械或電磁振動的影響；對自由顆粒缺陷具有較高的檢測靈敏度，但對固體絕緣表面及內(nèi)部的缺陷敏感度較低；能發(fā)現(xiàn)彈墊松動、粉塵飛舞等非放電性缺陷。

（3）可定位放電源位置。利用局部放電時所產(chǎn)生的電信號和聲信號之間的相對時間差，聲信號和聲信號之間的時間差對放電源進(jìn)行空間定位。同時，超聲波在傳播過程中衰減很大，檢測范圍較小，當(dāng)測量點接近缺陷時，測量靈敏度高，在測量點遠(yuǎn)離缺陷的情況下，靈敏度大為降低，也可利用這個特性可對放電源進(jìn)行定位。

4　超聲波檢測現(xiàn)場應(yīng)用

4.1檢測前準(zhǔn)備工作

（1）試驗前保證室內(nèi)通風(fēng)15min，且SF6泄漏檢測系統(tǒng)無報警。

（2）確定間隔和設(shè)備是否帶電，所有設(shè)備應(yīng)帶電（高壓）測試，不帶電的設(shè)備不必測量。

（3）環(huán)境噪聲最小化。GIS或其鄰近的各種機械工作、儀器操作者以外的其他人不得攀登GIS、風(fēng)扇等，這都會影響測量結(jié)果，并降低靈敏度。

（4）在GIS所處范圍測量背景噪聲。測量前把傳感器自由地放在空氣中，記下連續(xù)測量方式時顯示屏上的顯示值。這個方法得到了背景噪聲水平，在整個測量過程中都應(yīng)記住這個值，以對數(shù)據(jù)合理性進(jìn)行分析。

4.2傳感器安裝

測試時利用聲耦合硅膠使傳感器與殼體接觸良好并保持靜止?fàn)顟B(tài)，必要時用綁帶固定以保持一定的張力，主要目的是為了避免在傳感器和殼體表面之間產(chǎn)生氣泡。下文以AIA-2超聲波局放帶電測試儀為例，介紹超聲波法在現(xiàn)場測試中的應(yīng)用。

4.3信號的測量與分析

AIA超聲波局部放電測試儀有連續(xù)、相位和脈沖3種測量模式。連續(xù)測量模式以水平柱的方式給出了一個工頻周期中放電信號有效值和峰值信號以及信號與50 Hz、100Hz的相關(guān)程度，其中周期峰值與有效值之比大于局放量，較弱的放電（凸起）一般表現(xiàn)為50 Hz成分較高，松動的屏蔽則表現(xiàn)為較高的100 Hz成分，同時也有一些50 Hz成分。如果周期性峰值和有效值的絕對幅值高、比值大且發(fā)散性大，同時50/100Hz相關(guān)性很小，則應(yīng)判斷為顆粒信號，切換至脈沖信號方式下繼續(xù)測量，該模式下給出了信號幅值與飛行時間的關(guān)系；相位模式主要用來判斷放電是否和工頻周期存在關(guān)系。

4.4測量方式

超聲波法對毛刺尖端、自由金屬顆粒、懸浮電位等缺陷具有較高的靈敏性，而對絕緣子氣泡和絕緣子表面顆粒等缺陷不敏感。為了對絕緣狀態(tài)作出初步評估，用AIA-2進(jìn)行的所有測量都應(yīng)使用連續(xù)方式，這是定位局部放電也是估計危險性的主要測量方式。如果存在某種類型的顆粒，危險性的估計要利用飛行時間圖進(jìn)行。

4.5缺陷類型分析

4.5.1 GIS中沒有缺陷

大多數(shù)情況下在GIS中完全沒有缺陷。使用連續(xù)測量方式的要點是區(qū)分各類噪聲和來自缺陷的真正信號。在開始測量前，最好首先測量背景噪聲，這些結(jié)果在GIS帶電狀態(tài)下測量時應(yīng)當(dāng)記住。當(dāng)傳感器自由地處于GIS的空氣中或位于GIS上沒有缺陷的地方時，如圖3所示：有效值和周期峰值小而穩(wěn)定。信號是來自環(huán)境、儀器噪聲和放大器噪聲等產(chǎn)生的背景噪聲,兩個水平柱只有小小的顫動，頻率1和頻率2沒有信號。

圖3　無缺陷時連續(xù)模式圖

4.5.2毛刺放電

毛刺如果大于1~2mm就認(rèn)為是有害的，表現(xiàn)為接地體和帶電體部分突起的特征局部場強增加。如圖4，毛刺放電在連續(xù)模式下有效值和峰值都會增大，信號穩(wěn)定，而50 Hz相關(guān)性明顯，100 Hz相關(guān)性較弱。在相位模式下，一個周期內(nèi)會有一簇較集中的信號聚集點。

圖4　毛刺放電連續(xù)模式圖和相位模式圖

4.5.3自由顆粒

有數(shù)據(jù)表明，導(dǎo)致GIS故障的缺陷大部分為顆粒，而超聲波檢測對顆粒有著極高的靈敏度。自由移動顆粒越長且越接近高壓導(dǎo)體，危險性越大，若存在于絕緣子上，則隨著時間的推移也可能使絕緣子表面劣化，從而引起閃絡(luò)。

圖5是用連續(xù)方式測量出300 kVGIS中有5mm鋁顆粒，可以看到放電有效值、峰值量都比較大，還有50 Hz以及100 Hz的放電信號，但其信號不穩(wěn)定，表現(xiàn)為周期性的波動。飛行時間圖里面，顆粒超聲幅值和飛行時間以拋物線方式跳動。

4.5.4懸浮電位

如圖6所示，懸浮電位故障在連續(xù)模式中有效值和峰值都會增大，信號穩(wěn)定，而100 Hz相關(guān)性明顯，50 Hz相關(guān)性較弱，在相位模式下，一個周期內(nèi)會有兩簇較集中的信號聚集點，這也是其周期性的另一個表現(xiàn)。經(jīng)驗表明，電位懸浮一般發(fā)生在開關(guān)氣室的屏蔽松動，PT/CT氣室絕緣支撐松動或偏離，母線氣室絕緣支撐松動或偏離，氣室連接部位接插件偏離或螺母松動等。

圖5　自由顆粒連續(xù)模式圖和飛行時間圖

圖6　懸浮電位連續(xù)模式圖和相位模式圖

4.6缺陷案例分析

以下是對某35 kVGIS站內(nèi)故障相進(jìn)行超聲波局放測量，結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出該故障相檢測局放有效值、峰值、50 Hz、100 Hz頻率相關(guān)性信號的4項數(shù)值均呈現(xiàn)幅度過大現(xiàn)象，再經(jīng)脈沖和相位模式下的測量如圖8。

由圖8看出，在脈沖和相位測量方式之下，根據(jù)連續(xù)測量并取1 000個測量點后，觀察結(jié)果表明，該超聲信號為大的電暈。從相位相關(guān)性看，該超聲信號的不穩(wěn)定，有時表現(xiàn)為強的電暈，有時為較特別的現(xiàn)象?？梢缘贸龅慕Y(jié)論是，該設(shè)備內(nèi)有大的電暈，也有復(fù)雜現(xiàn)象，有時內(nèi)部比較安靜，應(yīng)立即進(jìn)行解體檢查。

在后面進(jìn)行的解體檢查中發(fā)現(xiàn)，A相轉(zhuǎn)角處絕緣子安裝位置不對，導(dǎo)致懸浮放電。該絕緣子的一個支撐腳處已出現(xiàn)較為明顯的放電痕跡。同時，放電點附近還有不少放電產(chǎn)生的金屬氟化物粉末，即探測中自由移動的顆粒。

圖7　故障連續(xù)模式圖

圖8　飛行時間圖和相位模式圖

5　影響GIS局部放電超聲波檢測的因素

5.1背景噪聲的影響

在測試GIS局部放電的時候，測試結(jié)果往往會受到背景噪聲的影響。所以，濾除背景噪聲是非常必要的。

5.2傳感器的影響

傳感器的測試精度以及檢測頻段會給測試結(jié)果帶來一定的影響。另外，由于GIS的筒壁是圓弧形

的，所以，傳感器必須緊貼GIS筒壁，否則會引入外來干擾，影響測試結(jié)果。

5.3測試人員的影響

由于目前GIS局部放電測試沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場狀況也各不相同，所以，測試時需要測試人員具有一定的判斷經(jīng)驗。

6　總結(jié)

超聲波檢測技術(shù)對高壓電氣設(shè)備的檢測具有易于實現(xiàn)帶電檢測、便于空間定位、抗干擾能力較強等特點。目前利用超聲波法測量局部放電的主要局限性是不能進(jìn)行定量分析，檢測靈敏度不是很高。對于檢測來自絕緣材料內(nèi)部的缺陷，雖然絕緣體內(nèi)部缺陷將使放電上升、產(chǎn)生電樹枝，并可能引起擊穿，但由于絕緣固體中超聲波信號衰減很大，故超聲波檢測法很難檢測到絕緣材料中的缺陷等。并且由于聲波在傳播途徑中衰減、畸變嚴(yán)重，聲測法基本上不能反映放電量的大小。

在今后的高壓電氣設(shè)備局部放電檢測方法中，超聲波與其他電量信號的聯(lián)合檢測方法將成為在線檢測的主要發(fā)展方向。

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中圖分類號：TM595

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）08-0027-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.008

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：穆強（1991-），男，助理工程師，從事高壓試驗工作。