杜 偉，楊 勇，梅冰笑，董雪松，邵先軍

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

GIS帶電檢測(cè)中超聲波干擾信號(hào)的多維度綜合分析方法研究

杜 偉，楊 勇，梅冰笑，董雪松，邵先軍

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

超聲波局部放電檢測(cè)法被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)GIS帶電檢測(cè)工作中，但該方法在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，受多種因素影響產(chǎn)生的干擾信號(hào)嚴(yán)重影響了缺陷診斷的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的超聲波異常信號(hào)開展分析，綜合屏蔽法、相位法、時(shí)差定位法等手段對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷。該方法可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)時(shí)干擾信號(hào)的分析與排除。

GIS；超聲波；帶電檢測(cè)；局部放電；干擾信號(hào)

0 引言

GIS（氣體絕緣組合電器）因具有占地面積小、維護(hù)工作量少、絕緣性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高壓輸電領(lǐng)域。為保證GIS設(shè)備安全可靠運(yùn)行，需對(duì)GIS進(jìn)行周期性帶電檢測(cè)和日常維護(hù)[1]。

超聲波檢測(cè)法是最早應(yīng)用于GIS設(shè)備局部放電帶電檢測(cè)的方法之一，積累了大量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。其檢測(cè)原理是：當(dāng)GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，伴隨有超聲波信號(hào)的產(chǎn)生。使用耦合硅膠將超聲波傳感器貼附在GIS腔體上，通過(guò)壓電傳感器接收內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的超聲波信號(hào)（10～200 kHz），通過(guò)對(duì)聲波信號(hào)的診斷分析來(lái)判斷GIS內(nèi)部是否有放電現(xiàn)象[2-3]。由于超聲波檢測(cè)受電磁信號(hào)干擾較小，且不受試品容量的限制，可以根據(jù)聲波信號(hào)對(duì)缺陷進(jìn)行有效定位，該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于GIS設(shè)備日常檢測(cè)、缺陷診斷中。

超聲波信號(hào)傳輸過(guò)程中衰減較大，信號(hào)失真嚴(yán)重，易受設(shè)備本身機(jī)械振動(dòng)及環(huán)境噪聲的影響。此外，若超聲波測(cè)量?jī)x器含有外置放大器，高頻電磁干擾信號(hào)會(huì)通過(guò)放大器裸露端口耦合進(jìn)入儀器，在超聲信號(hào)采集分析儀上引起頻率較高的雜亂交變信號(hào)，從而影響有效信號(hào)的讀取與分析[4]。以上情況對(duì)超聲波測(cè)量的準(zhǔn)確度均有嚴(yán)重影響，在現(xiàn)場(chǎng)超聲波測(cè)量中應(yīng)引起重點(diǎn)關(guān)注。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)GIS設(shè)備中典型缺陷局部放電超聲波檢測(cè)進(jìn)行了大量的研究工作，主要集中在放電模式識(shí)別、放電點(diǎn)定位等方面，取得了一定的研究成果。然而，關(guān)于GIS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)中超聲波干擾信號(hào)的識(shí)別提及甚少。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，對(duì)超聲波異常信號(hào)采用信號(hào)屏蔽、時(shí)差定位、相位定位等多種方法進(jìn)行綜合分析，排查異常信號(hào)產(chǎn)生的原因，最終確認(rèn)檢測(cè)到的異常信號(hào)屬于干擾信號(hào)，而非GIS設(shè)備故障引起的超聲波異常信號(hào)。在上述基礎(chǔ)上，提出了多手段綜合分析GIS帶電檢測(cè)中超聲波干擾信號(hào)的方法，以期為超聲波異常信號(hào)的分析診斷提供重要的依據(jù)。

1 超聲波干擾信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理

在變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)特高頻、超聲波測(cè)試時(shí)，通常會(huì)受到變電站內(nèi)局部放電產(chǎn)生的聲音點(diǎn)與EMI（電磁干擾）信號(hào)的影響。局部放電主要來(lái)自變壓器母線兩端耐張線夾處、高壓架空線路的耐張桿塔處、出線套管與線路搭接處、接地刀閘靜觸頭等位置。

EMI信號(hào)通常會(huì)影響試驗(yàn)儀器采集信號(hào)的完整性與準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)特別關(guān)注。EMI信號(hào)傳播途徑一般分為傳導(dǎo)耦合方式和輻射耦合方式。傳導(dǎo)耦合必須有完整的電路連接，信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)傳遞到試驗(yàn)儀器的敏感器，從而發(fā)生干擾現(xiàn)象。輻射耦合指EMI信號(hào)以電磁波的形式通過(guò)截止傳播，干擾能量按電磁場(chǎng)規(guī)律向周圍空間發(fā)射。常見(jiàn)的輻射耦合有3種：甲天線發(fā)射的電磁波被乙天線意外接收，稱為天線對(duì)天線耦合；空間電磁場(chǎng)經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)而耦合，稱為場(chǎng)對(duì)線的耦合；2根平行導(dǎo)線之間的高頻信號(hào)感應(yīng)，稱為線對(duì)線的感應(yīng)耦合。

超聲波檢測(cè)儀具有抗電磁干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但并非不受電磁干擾的影響，尤其是有外置放大器的檢測(cè)儀器，例如：Transinor AS廠家的AIA超聲波檢測(cè)儀，在高處進(jìn)行超聲波測(cè)量時(shí)，EMI信號(hào)通過(guò)前置放大器的接口端子耦合進(jìn)入試驗(yàn)儀器，進(jìn)而通過(guò)傳導(dǎo)耦合的方式傳至儀器敏感器，對(duì)儀器的測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生影響。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，常常使用鋁箔包裹外置放大器接口端子處，以屏蔽EMI信號(hào)。

變電站電暈放電亦會(huì)產(chǎn)生聲波信號(hào)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)GIS超聲波檢測(cè)造成干擾。由于這些聲波信號(hào)與GIS氣室內(nèi)部局部放電形成的聲信號(hào)特征譜圖一致，難以分析，故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，需對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)超聲波信號(hào)定位進(jìn)一步確認(rèn)。

超聲波信號(hào)幾乎無(wú)法通過(guò)盆式絕緣子從一個(gè)氣室傳播至相鄰的氣室。在同一氣室內(nèi)，GIS局部放電發(fā)出的超聲波信號(hào)一般通過(guò)2條路徑傳播至傳感器：一條由局部放電源以縱波的形式直接傳播至GIS外殼，即直達(dá)波；另一條先通過(guò)縱波傳至GIS外殼，再以橫波的形式通過(guò)筒壁傳播至傳感器，此部分為復(fù)合波[5]。由于復(fù)合波通過(guò)筒壁傳播速度快且衰減大，往往先到達(dá)傳感器，但其幅值比直達(dá)波小很多，信號(hào)譜圖不明顯。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，超聲波定位常常以直達(dá)波為準(zhǔn)。

此外，設(shè)備正常工作狀況下，TV（電壓互感器）和TA（電流互感器）的內(nèi)置繞組和鐵芯會(huì)產(chǎn)生周期性的交變電磁場(chǎng)，引起磁滯伸縮現(xiàn)象[6]。所謂磁滯伸縮現(xiàn)象，即為鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，其尺寸伸長(zhǎng)（或縮短），去掉外磁場(chǎng)后，又恢復(fù)原來(lái)長(zhǎng)度的現(xiàn)象。由于磁化狀態(tài)的改變，其磁性物質(zhì)尺寸在各方向發(fā)生變化，產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。所以，現(xiàn)場(chǎng)超聲波測(cè)量中，若TV氣室和TA氣室的超聲波信號(hào)異常，應(yīng)通過(guò)縱向、橫向比較的方式，對(duì)照歷史數(shù)據(jù)，綜合分析。

2 超聲波干擾信號(hào)數(shù)據(jù)及分析

2.1 電磁信號(hào)干擾

2.1.1 測(cè)量數(shù)據(jù)

在某500 kV變電站550 kV HGIS設(shè)備區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，某開關(guān)間隔A相隔離開關(guān)筒壁處超聲波信號(hào)異常，信號(hào)譜圖如圖1所示。由圖所知，超聲波局部放電信號(hào)有效值為0.25 mV，周期峰值為1.5 mV，在連續(xù)模式下，該測(cè)點(diǎn)信號(hào)具有一定的50 Hz/100 Hz相關(guān)性。

將超聲波探頭置于隔離開關(guān)A相附近空氣背景中，同樣存在超聲波異常信號(hào)，信號(hào)譜圖如圖2所示。由圖可知，超聲信號(hào)有效值為0.40 mV，周期峰值為1.9 mV，在連續(xù)模式下，具有一定的50 Hz/100 Hz相關(guān)性。

為排除外界電磁引起的超聲波干擾信號(hào)，用鋁箔包裹超聲波放大器接口，如圖3所示。

屏蔽外界電磁干擾信號(hào)后對(duì)隔離開關(guān)A相再次進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖1 隔離開關(guān)A相測(cè)點(diǎn)的超聲波信號(hào)譜圖

圖2 隔離開關(guān)A相附近空氣背景超聲波信號(hào)譜圖

圖3 鋁箔屏蔽后的放大器

由圖4可知，經(jīng)過(guò)鋁箔屏蔽后，隔離開關(guān)A相所測(cè)信號(hào)明顯降低，有效值降為0.15 mV，周期峰值降為0.90 mV，連續(xù)模式下，50 Hz/100 Hz相關(guān)性減弱。

圖4 鋁箔屏蔽后隔離開關(guān)A相測(cè)點(diǎn)超聲波信號(hào)譜圖

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

因檢測(cè)區(qū)域套管頂部存在明顯的電暈放電現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)電暈聲音清晰。隔離開關(guān)A相位于高處，超聲波測(cè)量時(shí)需要登高，測(cè)點(diǎn)距離檢測(cè)區(qū)域電暈放電套管頂部較近。將探頭置于隔離開關(guān)A相筒壁周圍空氣中，超聲波異常信號(hào)仍然存在，且信號(hào)幅值強(qiáng)于A相筒壁處測(cè)點(diǎn)超聲波信號(hào)。兩者信號(hào)相位譜圖特征一致，呈2條斜天線狀，屬于同源信號(hào)。

屏蔽超聲波放大器接口后，隔離開關(guān)A相筒壁信號(hào)幅值明顯變小，50 Hz/100 Hz相關(guān)性減弱，但由于無(wú)法完全屏蔽電磁耦合信號(hào)，超聲信號(hào)仍然存在。其相位譜圖與未屏蔽時(shí)筒壁周邊空氣中超聲信號(hào)相位譜圖特征一致，為同源信號(hào)。

因此，現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)隔離開關(guān)A相處超聲波異常信號(hào)由檢測(cè)區(qū)域套管頂部電暈放電產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)耦合進(jìn)入超聲波檢測(cè)儀前置放大器所致，為超聲波電磁干擾信號(hào)。

2.2 聲波信號(hào)干擾

2.2.1 測(cè)量數(shù)據(jù)

在某500 kV變電站252 kV HGIS設(shè)備區(qū)域進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，靠近接地刀閘靜觸頭的筒壁測(cè)點(diǎn)均存在超聲波異常信號(hào)。以某開關(guān)間隔為例，對(duì)其TA氣室、TA與隔離開關(guān)連接段氣室進(jìn)行測(cè)量分析。測(cè)點(diǎn)位置分布如圖5所示。

TA測(cè)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱測(cè)點(diǎn)1）與連接段測(cè)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱測(cè)點(diǎn)2）的超聲波信號(hào)連續(xù)、相位譜圖如圖6所示。由圖可知，測(cè)點(diǎn)1處超聲波信號(hào)有效值為0.16 mV，周期峰值為2.5 mV，在連續(xù)模式下，50 Hz/100 Hz相關(guān)性較大；測(cè)點(diǎn)2的超聲波信號(hào)有效值為0.19 mV，周期峰值為2.1 mV，連續(xù)模式下，同樣具有較大的50 Hz/100 Hz相關(guān)性。2處測(cè)點(diǎn)的相位譜圖特征一致，具有同源性。

將超聲波探頭置于A相接地刀閘周邊的空氣背景中進(jìn)行超聲波測(cè)量，同樣測(cè)得超聲波異常信號(hào)?？諝獗尘皽y(cè)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱測(cè)點(diǎn)3）的超聲波信號(hào)譜圖如圖7所示。由圖可知，測(cè)點(diǎn)3超聲波信號(hào)有效值為0.19 mV，周期峰值為2.2 mV，連續(xù)模式下，存在50 Hz/100 Hz相關(guān)性。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

比較圖6、圖7可知，實(shí)測(cè)TA處測(cè)點(diǎn)、連接段處測(cè)點(diǎn)與空氣背景中的超聲波信號(hào)相位譜圖特征一致，初步認(rèn)為3處信號(hào)為同源信號(hào)，所測(cè)的超聲波異常信號(hào)為干擾信號(hào)。為確定干擾信號(hào)的類型，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（DL/T 1250-2013）、導(dǎo)則（Q/GDW 11059.1-2013）中所給出的典型譜圖進(jìn)行了比對(duì)。根據(jù)圖8提供的典型GIS毛刺放電信號(hào)的超聲波相位譜圖可知，3處測(cè)點(diǎn)的相位譜圖與典型毛刺譜圖特征類似，呈毛刺放電特征。

為確定超聲波傳感器所測(cè)干擾信號(hào)的來(lái)源，采用相位角和時(shí)差2種方法來(lái)確定干擾源位置。對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相位定位。各測(cè)點(diǎn)與線路接地刀閘靜觸頭間距離如表1所示。

圖5 開關(guān)間隔A相測(cè)點(diǎn)位置分布

圖6 測(cè)點(diǎn)處超聲波連續(xù)、相位譜圖

圖7 空氣背景測(cè)點(diǎn)超聲波信號(hào)譜圖

定位結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，測(cè)點(diǎn)3相位角超前測(cè)點(diǎn)1相位角65°，測(cè)點(diǎn)1相位角超前測(cè)點(diǎn)2相位角28°。由此可知，超聲波干擾信號(hào)由線路A相接地刀閘發(fā)出，信號(hào)通過(guò)空氣傳至TA與連接段測(cè)點(diǎn)，TA測(cè)點(diǎn)先接收到信號(hào)。

圖8 典型毛刺放電相位譜圖

表1 測(cè)點(diǎn)與線路接地刀閘靜觸頭間距離

圖9 相位角定位圖

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行超聲波信號(hào)定位時(shí)，相位定位采用公式為：

式中：Δδ為相角差；Δx為距離差；v為聲速，即340 m/s。

按表1實(shí)測(cè)距離通過(guò)公式（1）進(jìn)行相位換算，空氣背景信號(hào)相位角領(lǐng)先TA測(cè)點(diǎn)相位角80.36°，TA測(cè)點(diǎn)相位角領(lǐng)先連接段測(cè)點(diǎn)相位角26.63°。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，說(shuō)明信號(hào)是先經(jīng)空氣再傳播到GIS筒壁上。

為進(jìn)一步確定超聲波異常信號(hào)來(lái)源，對(duì)連接段測(cè)點(diǎn)與空氣背景測(cè)點(diǎn)進(jìn)行示波器時(shí)差定位。定位結(jié)果如圖10所示，其中CH1為連接段測(cè)點(diǎn)信號(hào)，CH2為空氣背景測(cè)點(diǎn)信號(hào)。由圖可知，CH2信號(hào)領(lǐng)先CH1約5.7 ms。通過(guò)時(shí)差定位公式（2）計(jì)算：

式中：Δx為距離差；Δt為時(shí)間差；v為聲速。

圖10 時(shí)差定位

由結(jié)果可知，2個(gè)測(cè)點(diǎn)間距離為1.952 m，與實(shí)測(cè)距離差2.021 m接近（如表1所示）。故確定干擾源位于A相接地刀閘靜觸頭處，干擾信號(hào)經(jīng)空氣傳播至GIS筒壁。

綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)超聲波異常信號(hào)為干擾信號(hào)，信號(hào)類型呈毛刺放電，由測(cè)量筒壁附近A相接地刀閘靜觸頭處傳出。

2.3 設(shè)備自身信號(hào)的干擾

2.3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)

在某500 kV變電站252 kV GIS設(shè)備區(qū)域內(nèi)進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，TV氣室均存在超聲波異常信號(hào)。以某開關(guān)間隔TV A相氣室為例，測(cè)量分析。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，超聲波背景信號(hào)有效值為0.15 mV，周期峰值為0.54 mV，無(wú)頻率分量，背景信號(hào)正常。TV A相氣室超聲波信號(hào)譜圖如圖11所示，測(cè)點(diǎn)處超聲波信號(hào)有效值為0.18 mV，周期峰值為0.87 mV，在連續(xù)模式下，存在50 Hz/100 Hz相關(guān)性。

2.3.2 測(cè)量分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中背景信號(hào)正常，TV A相測(cè)點(diǎn)存在超聲異常信號(hào)。為確定超聲波異常信號(hào)類型，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（DL/T 1250-2013）、導(dǎo)則（Q/GDW 11059.1 -2013）中所給出的典型圖譜（如圖12所示）進(jìn)行比對(duì)?？芍?，開關(guān)間隔TV A相測(cè)點(diǎn)的超聲波相位譜圖與典型振動(dòng)圖譜特征基本類似，呈內(nèi)部機(jī)械振動(dòng)特征。

由于所測(cè)變電站252 kV設(shè)備區(qū)域內(nèi)TV氣室均存在超聲波異常信號(hào)，譜圖特征一致，說(shuō)明該站的252 kV GIS TV的超聲波信號(hào)不是由內(nèi)部缺陷引起，而是由設(shè)備自身結(jié)構(gòu)引起的。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)超聲波測(cè)量時(shí)，應(yīng)及時(shí)參考?xì)v史數(shù)據(jù)，橫向、縱向比對(duì)，進(jìn)行多維度綜合分析，排除潛在的超聲波干擾信號(hào)，提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

對(duì)有前置放大器且進(jìn)行高處測(cè)量的情況，需重點(diǎn)關(guān)注電磁信號(hào)的干擾。經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，認(rèn)為圖2中的信號(hào)譜圖為典型的電磁干擾信號(hào)譜圖，頻率分量明顯，且100 Hz分量大于50 Hz分量，相位譜圖呈2條斜天線狀，有一定的傾斜角。

若GIS筒壁中存在的異常信號(hào)相位譜圖與DL/T 1250-2013，Q/GDW 11059.1-2013中給出的典型異常信號(hào)相位譜圖特征相似，且測(cè)點(diǎn)空氣背景中存在相同的超聲波信號(hào)，則初步斷定為干擾信號(hào)，需通過(guò)相位法、時(shí)差法進(jìn)一步確定信號(hào)來(lái)源，判斷是否為干擾信號(hào)。

GIS設(shè)備中TV和TA中檢測(cè)到的超聲波振動(dòng)信號(hào)，若有效值小于0.5 mV，周期峰值小于1.5 mV，頻率分量較小，則該信號(hào)為設(shè)備自身特殊結(jié)構(gòu)引起的磁滯伸縮現(xiàn)象所致，可不做處理。若信號(hào)幅值大于上述值，需進(jìn)一步測(cè)量分析。

圖11 TV A相測(cè)點(diǎn)處超聲波連續(xù)、相位譜圖

圖12 典型機(jī)械振動(dòng)相位譜圖

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（本文編輯：徐 晗）

Research on The Multi-dimensional Comprehensive Analysis Method of Ultrasonic Interference Signal in Live Detection of GIS

DU Wei，YANG Yong，MEI Bingxiao，DONG Xuesong，SHAO Xianjun

（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Ultrasonic-based partial discharge detection method is widely used in live detection of field GIS. But in actual field detection，the accuracy of defect diagnosis of this method is seriously affected by the interference signal due to various factors.In this paper，the abnormal ultrasonic signal in field detection is analyzed，and through the shielding method，phase method，time difference location method the field test data are diagnosed.The method can be used to direct the analysis and elimination of interference signal in field ultrasonic detection.

GIS；ultrasonic；live detection；partial discharge；interference signal

TM835.3

B

1007-1881（2016）10-0001-06

2016-03-28

杜 偉（1988），男，工程師，從事電力系統(tǒng)高壓試驗(yàn)工作。