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摘要：本文介绍了超声波和超高频两种GIS设备局部放电检测技术，并同时应用于现场测试，成功的检测出某110kV变电站GIS内部较强的局部放电信号。通过定位确认放电位置后进行了拆盖检查，发现设备内部有很明显的放电痕迹。用实例来证实两种方法检测GIS内部故障的有效性，是GIS状态诊断较为理想的检测技术手段。
关键词：GIS；局部放电；超高频；超声波；检测
0.引言
近年来，一些城市的变电站建设用地日渐紧张，传统的户外AIS设备由于占地面积大，也随着城市发展日渐淘汰。全封闭式气体绝缘开关GIS由于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、维护工作量小等优点，在电力系统的使用量不断增加。但随着设备服役时间的增长,GIS设备的故障次数呈逐步上升趋势。对GIS绝缘状况诊断采用超声波和超高频局部放电检测技术，可以较早的发现GIS内部缺陷，及时采取适当的措施防止其进一步发展造成事故。
1.案例背景
电网建设早在2000年后，开始大规模采用GIS作为变电站主要电气设备。GIS给电网带来诸多优点的同时，在安装和运行的时候也突显了各种弊端：GIS被广泛采用、发展迅猛，生产和安装的环节存在工期紧、人员素质参差不齐现象；随着GIS事故的增多，实际证明并不能达到“免维护”的水平，一旦发生事故，社会经济影响将很大，恢复需要很长的时间、费用高；GIS目前的预试手段很少，不易进行状态评估。
基于上述问题，相关部门成立GIS带电检测小组，超声波和超高频局部放电检测技术由此正常开展，110kV某变电站GIS 112PT间隔缺陷在例行状态检测时被发现，缺陷位置定位后，检修部门进行了停电拆盖确认，证实了放电点与检测结果高度吻合。由于发现及时，避免了一起电力设备事故的发生。
2．超高频检测方法（UHF）
2.1 UHF检测工作原理
GIS内的局部放电能激发超高频（UHF）电磁波信号（高至1GHz以上），UHF电磁波信号穿透性强，能够从盆式绝缘子和GIS外壳的接缝处泄漏到外部。将测试传感器放置在盆式绝缘子处，在UHF频段（300MHz以上）接收及耦合GIS内部信号，既能避开一般的电磁干扰，又能准确测量GIS内部的放电信号。
检测系统通过利用UHF传感器，在GIS设备的盆式绝缘子处检测腔体内部局部放电信号。原始的UHF放电信号，可通过示波器分析其波形的时频特性：信号经过处理后经高频电缆传输至数据采集卡完成数据采样，然后对数据进行统计分析处理，根据放电脉冲的相位分布特征进行模式分类，并判断可能的局部放电故障类型，同时借助放电发展的历史趋势综合评估放电的严重性。检测系统示意图如图1所示。
图1 UHF检测系统示意图
2.2超高频局放信号的检测
2.2.1 超高频局放仪检测
首先使用超高频局放仪检测112PT间隔所有绝缘盆子，可以检测到明显的局放信号，幅值达到最大测量量程，并且有明显的相位特征，软件分析空穴、污秽放电的可能性较大。详情请见图2、图3。
图2 局放仪检测到信号的三维图
图3 局放仪检测到信号的PRPD图
在随后的测量中，发现在整个2M上所有设备的绝缘盆子上测得的局放信号幅值几乎一致，相位特征没有明显差别。在1M的测量中发现，局放信号明显有衰减，可以初步判断局放信号来自2M。但难以判别局放信号的准确来源。
2.2.2用示波器进行局放信号定位
原理是用两个相同超高频探头同时测量局放信号，在示波器中显示，观测两个信号波形上的先后顺序来判断信号传播的方向：
1）首先判断112PT间隔与相邻间隔之间局放信号的传播方向（见图4）：
图4 112PT间隔与备用间隔比较测量示意图
图5 测量结果
从图5可以看出，蓝色信号的幅值明显大于红色信号，说明局放信号在母线中的传播方向为112PT间隔指向备用间隔。变换测量位置后再次测量，测量位置见图6，测量结果见图7。
图6 112PT与1103间隔比较测量示意图
图7 测量结果
通过上面两次测量比较，可以说明局放信号来源于112PT间隔附近。
2）具体判断发生局放信号的具体位置：
依次比较测量点D（红色信号）与测量点A、B、C（蓝色信号）的信号先后顺序，可初步找出距离放电点最近的绝缘盆子，测量示意图见图8。
图8 测量示意图
图9测试点D与测试点A比较测试图
图10测试点D与测试点B比较测试图
图11测试点D与测试点C比较测试图
图9 、图10、图11测试点D（红色信号）与测试点A、B、C（蓝色信号）进行同期比较，红色信号触发时间都早于蓝色信号，说明放电点距离测试点D更近。
2.3测试分析
通过以上测量，经过分析初步判断测试点D的绝缘盆子距离放电点最近，局放信号测试点D附近的同期触发时间最早，放电点应位于112PT间隔MOA气室或112PT间隔刀闸气室靠母线壳体内。不过考虑到超高频信号检测局放信号的一些弊端，为了进一步确定110kV GIS的局放信号，决定采用超声波检测方法对110kV GIS疑是故障位置进行复测，把两种方法相结合，可起到优势互补的作用。
3.超声波检测方法
3.1超声波法的工作原理
当发生局部放电时，将会产生一个电荷的中和过程，相应的会有一个较陡的电流脉冲，电流脉冲的作用使得局部放电发生的局部区域瞬间受热而膨胀，形成一个类似“爆炸”的效果，放电结束后原来因为受热而膨胀的局部区域恢复到原来的体积。这种由于局部放电产生的一胀一缩的体积变化引起了介质的疏密瞬间变化，形成超声波，从局部放电点以球面波的方式向四周传播，并在金属外壳上出现各种声波，如纵波、横波和表面波等。因此可以将超声波传感器安装在电力设备金属外壳上检测局部放电产生声信号的方法称为超声波检测法。将基于谐振原理的声发射传感器置于设备外壳上检测这一脉冲信号，然后经过前置放大、滤波、放大、检波等处理环节，进而通过信号分析以确定设备的绝缘状况。检测原理示意图如图12所示。
图12 超声波检测局部放电原理图
3.2局放信号的检测
使用超声波局放仪对产生异响的位置定位（图13），112PT间隔刀闸气室靠母线侧壳体内（根据超声信号的强弱），幅值最大达到700mV左右，同时在相邻间隔测量幅值为15mV左右。
图13 超声波局放信号幅值最大点位置
在图示幅值最大位置处测得的幅值为700mV，在同一气室其他位置有略微衰减，最大幅值500mV左右。在其他相邻气室有明显衰减，最大幅值400mV左右。在其他相邻间隔，衰减更为明显，幅值降为15mV左右。初步确定放电点位于112PT间隔刀闸气室靠母线壳体中下部附近。
3.3测试分析
在测得上述的局放信号后，经过分析后认为112PT间隔刀闸气室靠母线壳体中下部附近位置有放电点并且幅值较大。这种局部放电有可能是有“导体或接头接触不良”所引起的。鉴于超高频法和超声波法都在112PT间隔刀闸气室靠母线附近测得较强的局部放电信号，并且通过事后的分析认为是由“部件松动 或导体接触不良”造成的局部放电。所有经过与其他部门商讨后决定进行开盖检查。
4.缺陷确认
4.1拆盖检查情况
检修人员对110kV GIS 112PT刀闸气室进行开盖检查发现（图14）：气室底部有一定量的粉末，在112PT刀闸与MOA连接处（图15）有粉末堆积。
图14 开盖气室
图15 气室内部
如图16拆下导电杆后，有明显的烧灼痕迹，初步确定局部放电的产生是由此位置的缺陷造成。
图16 接头卡槽
4.2 缺陷原因分析
该设备2009年11月投运，从避雷器连接导体及接头的烧灼痕迹看，该缺陷分析可能是由于避雷器连接导体装配不好（或接头尺寸不合或装配不到位），导致避雷器连接导体及接头和母线导体形成电位差，造成长期放电。
5.结束语
超高频检测法UHF/超声波检测方法是检测GIS 局部放电故障的有效方法，弥补了GIS设备交接和预防性试验的不足。在此案例中，结合两种检测方法成功地找到了故障缺陷所在位置，有效地降低了维修成本，提高了维修质量与效率。各单位条件允许时应加强对GIS局部放电带电测试技术的推广，积累数据经验可作为设备状态检修的参考依据。
参考文献：
（1）朱德恒，严璋，谈克雄，电力设备状态监测与故障诊断技术，中国电力出版社2009.3
（2）李景禄,高压电气设备试验与状态诊断,中国水利水电出版社2008.7
（3）陈天翔，吕景顺,电气试验（第二版）,中国电力出版社2005.7
（4）徐敏骅，吴晓春，陆振华，GIS局部放电检测与定位技术的现场应用，华东电力2009.7
作者简介：
束秋节(1982-),男，江苏扬州人，本科，高级技师，工程师，主要从事电力系统高电压技术试验研究工作。
论文作者:束秋节,索红光,王志军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/19
标签：信号论文; 局部论文; 间隔论文; 测量论文; 超声波论文; 测试论文; 母线论文; 《电力设备》2018年第17期论文;