摘要：超声波法是GIS带电检测中的一种重要方法，超声传感器可以直接接触GIS金属外壳进行测试，不受盆式绝缘子的限制，相对于特高频检测法来说，故障点定位更灵活、准确，是一种不可替代的GIS局放检测方法。本文介绍了超声波法的原理和缺陷类型的判断方法，并结合现场故障的发现和验证过程，阐述了超声波法在GIS故障检测中的应用。
关键词：超声波法；颗粒放电；故障检测
GIS在运行电压、热、力等作用下的绝缘劣化和设备在制造、装配以及运行过程中，会产生一些绝缘性缺陷，这些缺陷在GIS运行过程中可能会引发绝缘故障。研究表明，绝缘介质在发生击穿前都会产生局部放电。因此，定期对GIS进行局放检测十分必要。而诸多检测方法中，超声波法和超高频法是目前两种比较有效的检测方法。超高频法适合对设备进行长期连续的监测，利用内置或外置的超高频传感器接收这些电磁波并对其进行分析，从而判断出缺陷类型。超声波设备使用简便，可以通过对设备的逐点测量进行缺陷定位，更适合带电巡检和短期的在线监测[1]。
1 超声检测方法
在GIS内部发生局部放电时，局部放电发生的局部区域瞬间受热膨胀，形成一个类似“爆炸”的效果，放电结束后因为受热而膨胀的局部区域会恢复到原来的体积。这种由于局部放电使得体积一胀一缩的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。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（Ultrasonic）检测法[2]。超声波信号有横波、纵波和表面波三种传播形式，在SF6气体中只有纵波可以传播，而在带电导体、绝缘子和金属壳体等固体中传播的除纵波外还有横波。纵波在气体、固体中衰减很大，横波在固体中衰减小。在传播过程中，由介质吸收效应导致的高频分量衰减、不同介质传播速率的差异以及边界处产生的折、反射，都会对接收到的脉冲信号产生影响。因此检测的有效性和灵敏性不仅取决于局部放电的类型和能量大小，还取决于声信号在不同介质的传播特性和具体的传播路径。
GIS局部放电的类型一般可分成以下几种：自由金属颗粒放电、悬浮电位体放电、沿面放电、绝缘件内部气隙放电、金属尖端放电放电。超声波检测法对金属尖端、自由金属颗粒、悬浮电位等缺陷具有较高的灵敏性，而对绝缘子气泡和绝缘子表面颗粒等缺陷不敏感[3]。不同的放电类型有不同的特征参数，从而根据背景和检测点信号的周期峰值、有效值、50Hz相关性、100Hz相关性、相位图谱、飞行图谱等判断缺陷类型，用时差法或声电联合法确定放电点的位置。
2 现场故障检测案例
2017年09月26日，在对我所管辖的某GIS站开展带电检测时，发现220kV雁梅乙线断路器C相有明显的超声信号，信号最大值出现在断路器母线侧底部，最大幅值13dB。详细测试结果如下：
图1 超声测试图谱
图2 10ms示波器图谱
由图1可见，两次测量的最大幅值分别是13dB、幅值和有效值比背景值大很多，与50Hz、100Hz相关性很低，飞行图谱具有典型的颗粒放电的特点；对超声波信号10ms波形（如图2所示）进行分析，可以观察到每个工频周期内超声波脉冲信号出现的频率不稳定，脉冲信号上升沿陡峭，工频相关性不明显，超声最大值为844mV，综合判断为颗粒放电。
图3 传感器位置示意图及波形图谱
随后用时差法对局放点进行定位，由图3可见，中间传感器波形起始沿超前于两外另个传感器波形起始沿，信号源更靠近于红色传感器。综合超声图谱和设备结构特点，判断在220kV GIS 雁梅乙线C相断路器靠近母线侧底部区域存在颗粒放电。
3 解体情况
2017年11月17日，对220kV雁梅乙线C相局放检测异常断路器气室进行解体，抽出灭弧室检查：
1、对灭弧室外观检查未发现明显放电点或缺陷点。
2、壳体内发现3处较为集中的粉尘异物，一处位于C相断路器靠绝缘拉杆附近壳体底部、一处位于防爆膜顶部、一处位于灭弧室屏蔽罩内。粉尘呈灰白色，属SF6放电产物，在电场力作用下聚集。
4 结论
超声法中局放故障类型的判断，可以结合超声检测法中GIS典型缺陷的基本特征参数，很方便的识别放电类型，然后利用超声定位法或声电联合定位法测定局放位置。超声波法能有效的检测GIS内部的局部放电信号，可以作为一种有效的监测手段长期开展，对于设备状态评价具有重要的意义。建议加强GIS设备的带电检测，对异常信号可结合多种检测手段，综合分析判断。
参考文献:
[1]苑舜.全封闭组合电器局部放电超声传播特性及监测问题的研究[J].中国电力,1997,30（1）:7-10.
[2]国电电网公司运维检修部组编.GIS设备带电检测异常判断手册[M].中国电力出版社，2017：109
[3]李德军，沈威，郭志强 GIS局部放电常规检测和超声波检测方法的应用比较[J].高压电器，2009，45（3）：99-103.
论文作者:张建涛,江峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：超声波论文; 局部论文; 超声论文; 信号论文; 缺陷论文; 图谱论文; 纵波论文; 《电力设备》2017年第34期论文;