周電波，羅　錦，肖　偉，王　杰，馬小敏，何　良

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都　610072)

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基于超聲波原理的GIS局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及缺陷定位方法

周電波，羅錦，肖偉，王杰，馬小敏，何良

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都610072)

對(duì)基于超聲波原理的氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(GIS)局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及缺陷定位方法進(jìn)行了研究。通過(guò)采集大量數(shù)據(jù)，歸納了各類GIS局部放電的超聲波信號(hào)特征，并且分析了局部放電信號(hào)和機(jī)械振動(dòng)信號(hào)在頻譜上的差異，有助于對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。為準(zhǔn)確判定GIS局部放電并分析其原因，進(jìn)一步研究了聲電聯(lián)合定位方法和超聲波時(shí)延定位方法在GIS現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用，結(jié)果顯示有助于排除現(xiàn)場(chǎng)干擾，具有良好的準(zhǔn)確性和定位精度。

超聲波；GIS；局部放電；信號(hào)特征；定位

0　引　言

由于結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小且運(yùn)行可靠性高、檢修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)在電力系統(tǒng)中被廣泛使用，裝用量日益增加，在許多地區(qū)成為主流開(kāi)關(guān)設(shè)備[1]。

盡管GIS運(yùn)行受環(huán)境影響小，檢修周期長(zhǎng)，但從幾十年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，仍無(wú)法避免故障的出現(xiàn)。這其中，絕緣故障占比超過(guò)一半，并且，隨著設(shè)備電壓等級(jí)的提高，絕緣故障率逐步增大[2-4]。

運(yùn)行期間GIS內(nèi)部絕緣缺陷，往往是由局部放電開(kāi)始發(fā)展。局部放電不僅會(huì)導(dǎo)致GIS內(nèi)部某些部位電場(chǎng)被大大增強(qiáng)，而且其引發(fā)的電、化學(xué)等物理現(xiàn)象還會(huì)腐蝕絕緣介質(zhì)，進(jìn)一步造成絕緣介質(zhì)劣化，直至GIS發(fā)生絕緣故障。局部放電是GIS絕緣缺陷發(fā)展和絕緣故障產(chǎn)生的重要原因；但另一方面，局部放電也是設(shè)備絕緣劣化的征兆，對(duì)GIS內(nèi)部局部放電的有效檢測(cè)，是盡早發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部絕緣缺陷，實(shí)現(xiàn)早期故障預(yù)警的重要手段[5-6]。

局部放電是一種脈沖放電，會(huì)在電力設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生光、聲、電和化學(xué)等物理現(xiàn)象，上述現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者大量研究，已可用作局部放電檢測(cè)的重要特征量[7-10]。其中，檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的超聲波，根據(jù)信號(hào)特征實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電的早期發(fā)現(xiàn)、類型識(shí)別和缺陷定位，即為超聲波局部放電檢測(cè)法。該方法可適用于各類型GIS的局部放電帶電檢測(cè)，經(jīng)多年實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，已在各地不同程度地形成GIS帶電檢測(cè)工作機(jī)制，為GIS安全運(yùn)行提供了更有力保障。然而，與實(shí)驗(yàn)室研究不同，GIS現(xiàn)場(chǎng)超聲波局部放電檢測(cè)受制于超聲波信號(hào)衰減、變電站干擾眾多等因素，檢測(cè)靈敏度受到限制；并且，運(yùn)行GIS的超聲波局部放電信號(hào)特征也與實(shí)驗(yàn)室模擬信號(hào)存在差異，這就為現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部絕緣缺陷帶來(lái)了困難[11-13]。

基于此，結(jié)合大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果分析，從信號(hào)特征和缺陷定位等方面著手，研究GIS超聲波局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及缺陷定位技術(shù)，以提升GIS局部放電帶電檢測(cè)水平。

1　超聲波局部放電檢測(cè)及定位系統(tǒng)

GIS內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲波，經(jīng)SF6氣體傳播后，到達(dá)GIS金屬殼體繼續(xù)傳播，使用頻帶對(duì)應(yīng)的超聲波傳感器即可檢測(cè)到金屬殼體上傳播的超聲波信號(hào)，根據(jù)采集的超聲波信號(hào)，有助于判斷GIS內(nèi)部是否存在局部放電情況，并進(jìn)一步分析局部放電類型、位置及嚴(yán)重程度。

用于現(xiàn)場(chǎng)研究的超聲波局部放電檢測(cè)及定位系統(tǒng)，由多個(gè)超聲波傳感器、信號(hào)放大器和1臺(tái)4通道高采樣率示波器組成，此外，為了便于信號(hào)特征觀測(cè)，還配備1臺(tái)單通道超聲波局部放電檢測(cè)主機(jī)，可以多種模式顯示檢測(cè)信號(hào)與工頻周期的相關(guān)性。在需要采集多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)以進(jìn)行缺陷定位時(shí)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)通道由1個(gè)超聲波傳感器和1個(gè)信號(hào)放大器組成，最多可有4個(gè)測(cè)點(diǎn)通道連接示波器，考慮到聲電聯(lián)合定位需要，示波器采樣率應(yīng)不低于5 GS/s，帶寬應(yīng)不低于500 MHz。

系統(tǒng)所用的超聲波傳感器，具有0.1 mV或0.2 mm微粒的高測(cè)量靈敏度，如圖1所示，測(cè)量頻帶為10～200 kHz，諧振頻率為30 kHz。系統(tǒng)所用的放大器，可以提供差分放大方式，具有環(huán)境噪聲抑制能力強(qiáng)、放大線性度好等優(yōu)點(diǎn)，放大倍數(shù)20 dB、40 dB和60 dB可調(diào)，放大器接入示波器的情況下，需為其提供電源以實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)放大。

圖1　超聲波傳感器頻帶測(cè)試圖

2　GIS超聲波局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室建立的典型GIS內(nèi)部絕緣缺陷模型，先前的研究獲得了尖端放電、自由金屬微粒放電、懸浮放電、內(nèi)部絕緣氣隙放電和沿面放電等超聲波信號(hào)的特征，為帶電檢測(cè)結(jié)果分析和缺陷識(shí)別提供了重要參考。但在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，被測(cè)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一、缺陷位置各異，再加上存在的諸多干擾，僅憑實(shí)驗(yàn)室獲取的典型缺陷圖譜對(duì)比判斷可能產(chǎn)生誤判。因此，立足GIS超聲波局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，選取多座500 kV變電站，對(duì)站內(nèi)500 kV GIS和220 kV GIS進(jìn)行全面超聲波局部放電檢測(cè)，根據(jù)采集的局部放電信號(hào)和干擾信號(hào)，研究各類GIS局部放電信號(hào)特征及干擾信號(hào)識(shí)別方法。

2.1GIS超聲波局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)流程

首先進(jìn)行背景噪聲測(cè)量，選取被測(cè)GIS鄰近匯控柜、支架和電纜箱，讀取檢測(cè)數(shù)據(jù)并保存作為背景噪聲與設(shè)備檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)。

依次選取GIS超聲波局部放電檢測(cè)位置，原則上各檢測(cè)位置距離不超過(guò)0.5 m，檢測(cè)點(diǎn)選取氣室中下部殼體，可以提高自由金屬微粒的檢測(cè)靈敏度。每一點(diǎn)檢測(cè)前，將檢測(cè)部位擦拭干凈，檢測(cè)時(shí)，將超聲耦合劑均勻涂抹于超聲波傳感器瓷質(zhì)檢測(cè)面，再施加適當(dāng)壓力緊貼于被測(cè)部位金屬殼體外表面，確保超聲波傳感器檢測(cè)面和金屬殼體間超聲耦合劑排擠出所有空氣，以減小超聲波信號(hào)傳播衰減。每一檢測(cè)位置的結(jié)果觀察時(shí)間應(yīng)不低于15 s，如果發(fā)現(xiàn)信號(hào)無(wú)異常，幅值和50 Hz/100 Hz頻率相關(guān)性較低，則記錄數(shù)據(jù)，繼續(xù)下一位置以相同方式檢測(cè)。

檢測(cè)期間，對(duì)斷路器氣室、隔離開(kāi)關(guān)氣室、母線氣室和TV氣室進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)于測(cè)得異常信號(hào)的氣室，在有條件情況下，輔以特高頻局部放電和SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)手段作為驗(yàn)證。

2.2異常超聲波信號(hào)判斷及缺陷類型識(shí)別

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，超聲波法對(duì)GIS內(nèi)部絕緣氣隙放電和沿面放電檢測(cè)靈敏度較低，明顯不及特高頻法對(duì)這兩類局部放電缺陷的檢測(cè)靈敏度。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，部件松動(dòng)等原因引發(fā)的懸浮放電缺陷，在GIS內(nèi)部絕緣缺陷中占比突出，并且，其產(chǎn)生的超聲波信號(hào)具有典型特征。如圖2和圖3所示，首先，與其他類型局部放電缺陷相比，懸浮放電信號(hào)幅值明顯較大；其次，懸浮放電信號(hào)具有100 Hz頻率相關(guān)性，對(duì)于不同原因引起的懸浮放電，相位模式下聚集的相位跨度有所不同。需要注意的是，如圖4所示，作為懸浮放電的一種，自由金屬微粒放電幅值分散性較大，且許多情況下卻未顯示出相位相關(guān)性。

圖2　TV線圈松動(dòng)產(chǎn)生的超聲波時(shí)域信號(hào)波形

圖3　TV線圈松動(dòng)產(chǎn)生的超聲波相位聚集圖

圖4　自由金屬微粒放電超聲波相位聚集圖

尖端放電即電暈放電，可分為導(dǎo)體尖端放電和金屬外殼內(nèi)表面尖端放電，作為一種典型的局部放電缺陷，其產(chǎn)生的超聲波信號(hào)同樣具有典型特征。如圖5和圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的尖端放電波形具有顯著的極性特征，振蕩脈沖往往出現(xiàn)在某半周，放電幅值分散性小、放電時(shí)間間隔均勻，具有50 Hz頻率相關(guān)性，對(duì)于某些情況的尖端放電，一個(gè)工頻周期會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)振蕩脈沖但兩半周信號(hào)幅值差異明顯。

圖5　GIS導(dǎo)體毛刺產(chǎn)生的超聲波時(shí)域信號(hào)波形

圖6　GIS導(dǎo)體毛刺產(chǎn)生的超聲波相位聚集圖譜

2.3超聲波局部放電信號(hào)頻譜分析

盡管通過(guò)超聲波信號(hào)特征可以初步篩選出疑似存在異常的GIS部位，但與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境不同，現(xiàn)場(chǎng)存在諸多干擾，僅憑信號(hào)特征無(wú)法完全甄別異常信號(hào)來(lái)自于GIS內(nèi)部局部放電還是外部干擾。特別是GIS因基礎(chǔ)或伸縮節(jié)振動(dòng)在殼體上產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，與許多GIS內(nèi)部局部放電信號(hào)一樣，具有100 Hz頻率相關(guān)性，每個(gè)工頻周期出現(xiàn)兩個(gè)振蕩脈沖，并且，幅值特征和時(shí)間間隔也未體現(xiàn)出與局部放電信號(hào)的差別。因此，有必要進(jìn)一步對(duì)異常超聲波信號(hào)進(jìn)行分析。

利用頻譜分析方法，可以發(fā)現(xiàn)局部放電信號(hào)與機(jī)械振動(dòng)信號(hào)在頻譜分布上存在差異，這有助于識(shí)別機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。局部放電激發(fā)的超聲波信號(hào)頻譜分布較寬，能量集中部分接近100 kHz，甚至到200 kHz都有能量分布，而機(jī)械振動(dòng)引起的超聲波信號(hào)能量集中部分在相對(duì)較低頻段，通常低于50 kHz。圖7所示為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的典型超聲波局部放電信號(hào)的頻譜分布，可見(jiàn)該信號(hào)主要分布在20～80 kHz，主頻在50 kHz附近；圖8所示為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的典型超聲波機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的頻譜分布，該信號(hào)主要分布在10～40 kHz，主頻在20 kHz附近。

圖7　典型超聲波局部放電信號(hào)頻譜分布

圖8　典型超聲波機(jī)械振動(dòng)信號(hào)頻譜分布

3　基于超聲波的GIS局部放電定位方法

利用單個(gè)超聲波傳感器測(cè)得信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)特征對(duì)比和頻譜分析，可一定程度識(shí)別異常信號(hào)類型。然而，變電站內(nèi)設(shè)備眾多，即使在GIS殼體用超聲波傳感器檢測(cè)到具有顯著局部放電特征的異常信號(hào)，也無(wú)法確切判定信號(hào)是否來(lái)源于GIS內(nèi)部局部放電。為此，在現(xiàn)場(chǎng)基于超聲波原理對(duì)異常信號(hào)源進(jìn)行定位，從而確定其位置是非常必要的。這不僅能夠判定GIS內(nèi)部局部放電缺陷的存在，而且結(jié)合所在位置的設(shè)備結(jié)構(gòu)有助于分析缺陷原因及缺陷類型，為下一步處理提供依據(jù)。

3.1聲電聯(lián)合定位法

檢測(cè)到具有局部放電特征的異常信號(hào)后，應(yīng)首先判斷信號(hào)來(lái)源于GIS內(nèi)部還是變電站其他設(shè)備，在有條件的情況下，使用聲電聯(lián)合定位法具有較好的效果。

聲電聯(lián)合定位法將超聲波傳感器和特高頻傳感器接入示波器，同時(shí)采集信號(hào)。由于特高頻信號(hào)相對(duì)超聲波信號(hào)速度極快，因此，特高頻信號(hào)可以認(rèn)為是瞬間到達(dá)，特高頻信號(hào)和超聲波信號(hào)之間的時(shí)延就可認(rèn)為是超聲波信號(hào)從信號(hào)源到超聲波傳感器的時(shí)間，以超聲波等值聲速乘以傳播時(shí)間就得到信號(hào)源與超聲波傳感器的距離，以此來(lái)判斷局部放電的位置。

圖9　超聲波傳感器和特高頻傳感器布置

某500 kV HGIS隔離開(kāi)關(guān)氣室在檢出異常信號(hào)后，使用聲電聯(lián)合定位法計(jì)算信號(hào)源位置，如圖9所示為超聲波傳感器和特高頻傳感器的布置情況，此外，為排除外界電暈，設(shè)置一背景特高頻傳感器檢測(cè)空間電暈。如圖10所示為示波器采集到的超聲波信號(hào)和特高頻信號(hào)，放電同時(shí)激發(fā)了超聲波信號(hào)和特高頻信號(hào)，被超聲波傳感器和盆式絕緣子處的特高頻傳感器測(cè)得，而背景特高頻傳感器則未測(cè)得信號(hào)。將測(cè)得波形展開(kāi)后，由于兩類信號(hào)傳播速度的巨大差異，在展開(kāi)到微秒級(jí)時(shí)，可清晰地看到超聲波

圖10　觸發(fā)的超聲波信號(hào)和特高頻信號(hào)

的起始沿到特高頻脈沖信號(hào)的時(shí)延約為700 μs。該時(shí)延乘上超聲波在SF6氣體中的傳播速度140 m/s，得到放電點(diǎn)到超聲波傳感器的距離約0.1 m，表明放電點(diǎn)在該HGIS隔離開(kāi)關(guān)氣室內(nèi)部。

3.2超聲波時(shí)延定位法

對(duì)于盆式絕緣子完全屏蔽無(wú)法進(jìn)行特高頻局部放電檢測(cè)的情況，相比幅值比較定位法，超聲波時(shí)延定位法受設(shè)備結(jié)構(gòu)影響小，定位結(jié)果更為準(zhǔn)確。如圖11所示，超聲波時(shí)延定位法需要將多個(gè)超聲波傳感器布置在GIS殼體不同位置接收信號(hào)；如圖12所示為示波器采集的各檢測(cè)通道超聲波局部放電信號(hào)，讀取信號(hào)到達(dá)各傳感器的時(shí)延后，利用空間定位式(1)進(jìn)行計(jì)算，可以得到局部放電源的坐標(biāo)位置。

(1)

式中：c表示超聲波在GIS內(nèi)部SF6氣體中的等效傳播速度；約為140 m/s；Δtij表示信號(hào)到達(dá)傳感器i和傳感器j的時(shí)間差；(xs,，ys,，zs)表示放電源的位置坐標(biāo)；(xi,，yi，zi)和(xj,，yj,，zj)分別表示傳感器i和傳感器j的位置坐標(biāo)，i，j=1、2、3、4。

圖11　多通道超聲波局部放電定位

圖12　多通道超聲波局部放電信號(hào)

對(duì)于GIS這種獨(dú)特的管道結(jié)構(gòu)而言，使用時(shí)延定位方法時(shí)可將其視為線形結(jié)構(gòu)，在一維或二維空間內(nèi)利用簡(jiǎn)化方法進(jìn)行定位計(jì)算。在理想情況下，僅需2個(gè)布置在GIS殼體不同位置的相鄰傳感器同時(shí)接收異常超聲信號(hào)，并利用式(2)進(jìn)行計(jì)算即可得到放電點(diǎn)位置。

Δt=t2-t1=(L-x)/c-x/c

(2)

式中：c為超聲波在GIS內(nèi)部SF6氣體中的等效傳播速度，約為140 m/s；t1為信號(hào)到傳感器1的時(shí)間；t2為信號(hào)到傳感器2的時(shí)間；L為兩傳感器的距離；x為放電點(diǎn)到其中一個(gè)傳感器的距離。

順序定位則是超聲波時(shí)延定位的最簡(jiǎn)化方法，無(wú)需進(jìn)行精確計(jì)算。將一個(gè)傳感器(中心傳感器)固定在GIS某個(gè)檢測(cè)位置，將其他傳感器放置在中心傳感器四周鄰近位置，如果中心傳感器的信號(hào)總是領(lǐng)先于其他傳感器的信號(hào)，則可判斷放電源靠近中心傳感器的位置。采用順序定位法依次對(duì)每個(gè)GIS測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，即可確定異常信號(hào)是否來(lái)自GIS內(nèi)部并找到信號(hào)源具體位置。

4　結(jié)　論

1)基于大量現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展的GIS超聲波局部放電檢測(cè)工作，研究了基于超聲波原理的GIS局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及缺陷定位方法，就原始信號(hào)特征、信號(hào)頻譜和信號(hào)源定位方法進(jìn)行了分析。

2)對(duì)實(shí)測(cè)得到的GIS局部放電及相關(guān)干擾的超聲波信號(hào)特征進(jìn)行了研究。分析了GIS內(nèi)部懸浮放電、尖端放電的幅值和相位分布特點(diǎn)，分析了機(jī)械振動(dòng)信號(hào)與局部放電信號(hào)在頻域上的主要差異。

3)研究了聲電聯(lián)合和超聲波時(shí)延定位法在GIS局部放電檢測(cè)及定位中的應(yīng)用，聲電聯(lián)合定位法有助于排除干擾、初步定位，而超聲波時(shí)延定位法則有助于精確計(jì)算局部放電缺陷在GIS內(nèi)部的位置。

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The on-site test and fault localization method of partial discharge in gas insulated switchgear(GIS)based on ultrasonic is studied. According to the plenty of collected data, the ultrasonic signal characteristics of different partial discharge type are summarized, and the differences between partial discharge signals and mechanical vibration signals in spectral distribution are analyzed, which can help to recognize the collected data. For accurate judgment of GIS partial discharge and its cause analysis, the application of ultrasonic associated with electromagnetic wave localization method and ultrasonic time-delay localization method to on-site test of GIS is further researched, whose results can reduce the interference signals and make the partial discharge localization result more reliable．

ultrasonic; gas insulated switchgear (GIS); partial discharge; signal characteristic; localization

TM835

A

1003-6954(2016)04-0054-04

2016-05-06)