超声波局放检测技术在GIS状态检修中的应用

超声波局放检测技术在GIS状态检修中的应用

刘全庆

（国网恩施供电公司湖北省445000）

摘要：超声波局放检测法是非电检测法，其检测频段对于外界干扰信号可以有效地躲开，抗干扰性能较传统法优异，从而能较准确地判断出GIS设备放电类型，保障电力设备和系统的运行安全。通过应用实例验证了超声波法在检测GIS设备缺陷的有效性。

关键词：超声波；局放检测；GIS检修

1.传统检测法与超声波局放检测法的不同

1.1传统检测法

在GIS设备中，传统的局放检测法是电测法，也称为脉冲电流法。此法通过使用脉冲电流传感器，针对设备的接地线进行取信号，从而实现检测，结构上较为简单同时也较容易实现，但是，它的测量频率很低、频带也很狭窄，而且在进行检测时，因对混杂在局部放电信号中的外界干扰信号难以识别，灵敏度很差，其应用十分受限，已经无法满足当今设备对高精度的测量要求。

1.2超声波局放检测法

1.2.1检测原理

GIS设备内部构架遭遇局放时，会有冲击的声波信号出现。GIS超声波局放检测法就是通过采集、处理和分析GIS设备的局放电流激发出的超声波信号，从而获取设备运行状态的一种状态检测技术，也称为声发射法。

检测时，将超声波传感器安置于GIS设备的腔体或外壁上，通过转换超声波信号为模拟信号，并借助同轴超声波局放检测技术在GIS上的应用电缆从而传入到检测主机（测量系统）。主机采样、处理得到的模拟信号后，会将最终的检测结果显现在人机交互界面上。此外，经由多通道超声波检测中提取到的不同超声波信号到达不同传感器的时间差，再借助其传播速率即可从二维或三维上定位局部放电源，即通过对比两路及以上的检测信号强度大小，就可实现定位。

1.2.2局放类型

超声波局放检测法可用于众多类型的电气设备，比如GIS、开关柜、电缆终端等，但其最广泛的应用还是在诊断GIS的缺陷。根据引起局放原因的不同，通常，GIS典型缺陷类型可以分为三种：

1）电晕放电缺陷。此缺陷是气体中电场极不均匀而引发的独有放电现象，多是由于在设备的内部或外壳上存在毛刺而造成。

放电图谱特征：放电信号在相位上呈现出很显见的聚集效应，即与其两端电压幅值相关性很强，包括频率1相关性（50Hz相关性）、频率2相关性（100Hz相关性），且前者要大于后者。该局放缺陷在一个工频周期内有较明显的极化效应，呈现“单峰”形状。同时，特征指数检测模式下的放电次数累积图谱波峰位于整数特征值2处。

2）悬浮电位缺陷。悬浮电位放电是指设备内部某一金属部件与导体（或接地体）失去电位连接，存在一较小间隙，从而产生的接触不良放电。放电图谱特征：和电晕放电类似，它同样有很明显的聚集效应，其产生与两端所施加的电压幅值极具关联性，在一个工频周期内呈现“双峰”形状，然而，不同的是，它的频率2相关性大于频率1相关性。此外，其放电次数累积图谱中波峰处在特征值1位置。

3）自由金属颗粒缺陷。该类缺陷主因在于金属碎屑，而这碎屑可能在GIS设备装配时就带有，也可能是在开关动作时产生。在电力设备内部强电场作用下，自由金属颗粒因携带有电荷而会受到电动力的作用，一旦电动力相比重力占优，它就将会在GIS设备内部进行无规律性的移动或跳动。放电图谱特征：与前两者不同，此类局放电流产生的信号来源于金属颗粒在运动时与GIS设备外壳的碰撞，而其放电关联很小。由于碰撞时间极具随机性，因此并无明显的相位特征，即频率1相关性、频率2相关性较小，不过，其信号有效值及周期峰值却往往较大。

1.2.3超声波局部放电的频谱特征

1）电晕放电。电晕放电主要是导体和外壳上的毛刺等引起的，这主要与电气设备的制造、安装等工艺有关，该种放电一般情况下危害不大，但在电气设备的操作过电压和雷达过电压下也能造成绝缘的击穿，应根据信号的大小和发展进行关注。这类局部放电的超声波图谱表现为连续模式下有较高的有效值和周期峰值，50Hz相关性较强；在相位模式下有一簇大信号和一簇小信号，甚至只有一簇信号。当毛刺尖端位于导体上时，这样就构成了棒板放电模型，这样的局部放电主要当导体为负电位最高时引起的，因此图谱特征表现为-270°附近有一簇信号集中。类似的，我们可以得到当毛刺位于壳体上时在90°附近有一簇大信号集中。利用其相位特征我们即可判断毛刺的具体位置。

2）自由金属颗粒放电。这类放电主要是由加工、安装过程中残存在设备内部的金属碎屑引起的，在电场力作用下，它在GIS腔体内部会发生移动。金属颗粒分为单颗粒和多颗粒形式。金属颗粒的危害性与金属微粒在电场作用下的移动时间和移动距离有关，移动距离大和时间长的危害性也比较大。

3）悬浮电位放电。设备内部某些金属部件因加工、安装工艺不良或者电动力的长期作用下导致松动和接触不良，处于高压导体和接地导体之间，形成电位悬浮，形成局部放电。悬浮放电超声波局部放电图谱在连续模式下有很高的有效值和周期峰值，且100Hz相关性较高。这是由于放电模型为板-板模型，因此一个周期内会有两次放电，分别在正半周和负半周的电压最大值附近。在相位模式下会有两个波峰，且幅值较大。在波形图谱模式下和相位模式下的频谱特征相似。

2.实例分析

在对110kV某变电站110kVGIS开展带电检测时，发现该GISⅠ母母线502间隔处超声波信号异常，特高频检测时未发现异常信号，超声波连续检测模式下有明显的50Hz相关性，相位模式在一个周期内有一簇明显的集聚，具有典型的尖端放电缺陷特征，经过综合诊断及定位分析，判断缺陷为位于Ⅰ母母线502间隔A相与B相之间靠近A相的母线支撑绝缘子处的尖端放电缺陷。

2.1缺陷检测及定位

检测人员对110kVGISⅠ母开展了SF6气体成分检测结果无异常；采用特高频检测、SF6气体成分分析以及超声波法开展了诊断性检测，根据超声波检测相位图谱可知，连续图谱信号幅值较小，且50Hz相关性较100Hz大，可以排除悬浮电位放电的可能，脉冲图谱无三角驼峰，可以排除颗粒放电的可能，相位图谱存在一簇明显的集聚，其图谱特征与尖端放电缺陷图谱特征一致。

2.2超声异常原因

根据定位结果，缺陷位置位于Ⅰ母母线502间隔A相与B相之间靠近A相的母线支撑绝缘子固定支承处，根据内部结构及放电类型分析，该位置缺陷原因可能为支撑绝缘子固定支撑处存在尖端，造成了电场畸变，引起尖端放电。

2.3缺陷复测情况

2个月后检测人员对该处缺陷开展了跟踪检测分析，发现该处缺陷信号幅值有所增长，信号幅值由3.55mV增长至10mV，说明该处放电缺陷存在发展趋势，为持续跟踪缺陷发展，现场采用超声波重症监护装置，监测信号变化情况。

3.结语

由于超声波的波长较短，因此它的方向性较强，在实际测试例子中也说明通过加大测试密度能基本确定故障部位。所以，需要加强超声波技术的应用，从而提高故障诊断的效率，保证设备的安全运行。

参考文献：

[1]刘绍男.超声波检测技术在GIS设备故障诊断中的应用[D].吉林大学，2013.

作者简介：

刘全庆（1983.09.27），性别男，籍贯：广西南宁市武鸣县人，学历：本科，长江大学，现有职称：助理工程师，研究方向：220kVGIS设备带电检测及检修国网恩施供电公司检修分公司建始运维站