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摘要：局部放电带电检测是诊断GIS绝缘状态最有效的方式之一。对气体绝缘全封闭组合电器(GIS)进行带电检测，可尽早发现各种缺陷，减少GIS发生故障的概率。使用超声波检测法对某330kV变电站GIS进行检测，发现110kVⅡ母与11392刀闸相连的母线气室存在异常信号，信号相对背景差异较大，同时具有50Hz相关性且波形较陡，疑似尖端放电缺陷。通过幅值定位、频域定位和时差定位法对放电源进行正确定位，根据信号强度判断出该缺陷属于严重缺陷。应用效果表明，超声波法在变电站GIS局部放电带电检测中效果良好，普测能以较高灵敏度发现缺陷，复测能以较高准确度定位缺陷。
关键词：气体绝缘全封闭组合电器；超声波；局部放电；尖端放电；定位
引言
封闭式气体绝缘组合电器(GIS)具有占地面积小、可靠性高、受外界环境影响小、维护简单等优点，近年来被广泛地应用于电力系统中。由于设备结构复杂，在设计制造、安装调试过程中可能存在GIS内部绝缘表面脏污、尖刺、自由粒子、固体绝缘内部缺陷等。任由这些缺陷在运行过程中不断发展将会导致严重事故。另外，GIS具有封闭式的结构特性，故障后的检修需要较长的时间并耗费大量的人力物力。
对GIS进行局部放电带电检测是评估GIS运行状态的重要手段。可以提前发现GIS内部潜在的故障或缺陷，保证其安全可靠运行。带电检测是短时间带电的现场测试，具有灵活度高、经济性好、系统维护工作量小的优势，适合我国当前电力生产模式和经营模式。然而目前大部分GIS带电检测案例只是采用单一检测方法或先后采用特高频法和超声波法对GIS进行检测。本文在辨析超声波法和特高频法各自特点的基础上，制定了一种声电联合的GIS局部放电检测方法，并给出了利用该方法检测220kVGIS设备内部故障的实例。现场检测经验证明该方法具有效率高、定位准确的优势。
1GIS局部放电检测与超声波检测法
1.1GIS局部放电种类及检测方法
GIS局部放电的种类主要包括导体上毛刺、壳体上毛刺、悬浮电位(接触不良)、颗粒放电、盆子中气隙、盆子表面沿面放电六种，如图1所示。缺陷和局放出现概率较大的位置包括：
(1)刀闸和开关，由于经常进行分合动作，可能触头受损烧蚀导致电场畸变，或者动静触头接触时产生金属碎末引起电晕放电。
(2)盆式绝缘子，盆式绝缘子表面电场吸附灰尘粉末等异物沉积，引起电场畸变放电；环氧树脂老化受损导致局部缺陷引起沿面放电；环氧树脂内部存在空腔而引起气隙放电。
(3)气室底部，由放电和密封不严产生的金属颗粒和异物由于重力作用沉积在气室底部，导致电晕放电或者悬浮电位。
(4)绝缘或者金属紧固件，由于运行GIS设备的振动导致紧固件松动，产生悬浮电位而引起放电。
GIS带电检测包括超声波局部放电检测、特高频局部放电检测、气体组分检测、红外测温检测、红外检漏检测。各种检测方法均有自身的优点与缺点，所以在现场工作中一般采用多种方法同时测试并综合分析。
1.2超声波局部放电检测原理与方法
超声波是指频率大于20kHz的声波。GIS中发生局部放电时，放电脉冲的巨大能量使得放电点的SF6气体分子发生机械振动，声波在SF6气体中以球面波(纵波)的形式往外传播，到达壳体时则同时以横波和纵波的形式传递，声波频带较宽，为10～107Hz。而超声波(尤其是高频部分)在SF6气体中衰减较快，在壳体上传播的横波衰减较慢。因此对GIS进行超声波普测时，根据DL/T1250—2013《气体绝缘金属封闭开关设备带电超声局部放电检测应用导则》，沿GIS轴线方向每1m左右选取一个测点。对缺陷出现概率较大的位置，更应该缩短普测距离，否则容易错过缺陷点。
超声波局部放电检测的原理如图2所示，超声波传到外壳时，引起外壳的振动，振动信号通过压电传感器耦合为电流信号，通过仪器内部的放大滤波等信号处理后，在显示屏输出超声波波形图。检测人员根据波形特征与幅值判断缺陷类型与缺陷程度。超声波检测系统由压电传感器、放大器、同轴电缆、检测主机组成。测试时，需要在传感器表面涂抹耦合剂，以减小超声波在不同介质表面的折反射导致的衰减。
超声波检测法由于其传感器与电力设备的电气部分无任何联系，不受电磁干扰；由于声波传播速度比电磁波慢，采用时差法定位时信号间时差更长，因此定位准确度更高；同时相对于特高频信号容易受电气设备金属屏蔽而无法测量的缺点，超声波检测法的适应性更强。但该方法在现场使用时易受电气设备机械振动的影响。同时由于超声信号在电力设备常用绝缘材料中的衰减较大，超声波检测法的检测范围较小，普测时工作量较大。
2GIS局部放电主要带电检测方法
2.1超声波法
超声波法通过对GIS腔体外壁安装超声波传感器检测局部放电产生的超声波信号。超声波传感器与电力设备的电气回路无任何联系，抗电磁干扰能力较强但容易受到机械干扰。相比特高频法，超声波法的测量位置不受盆子限制，测量方案灵活多变。但超声波法存在以下问题:信号的有效范围较小，现场经验表明每隔0．5m～1m需要布置一个测量点;操作不便，外置式超声传感器需要通过粘结剂贴在壳体表面。如果采用超声波法对变电站中所有GIS间隔进行普测，所需的现场工作量繁重且容易漏测。
超声波法对局部放电源定位的方法分幅值法和时差法两种。幅值法是根据超声波信号的衰减特性，利用其峰值或有效值的大小定位，一般离信号源越近，信号越大。但由于波的扩散、反射和热传导均可造成衰减，且超声波在不同媒介中传播的衰减强弱不同，该方法只可实现初步定位。时差法是根据传感器的空间坐标和超声传感器到达传感器的时差，通过联立球面方程或双曲面方程计算空间坐标。但由于GIS各个气室的结构、尺寸不同，传感器的空间坐标难以确定，使得在现场应用时受到一定的制约。
2.2声电联合检测法
声电联合检测法同时对局部放电源产生的超声信号和特高频信号进行检测。如表1所示，利用两者互补的特性，使其相比于单一超声法和特高频法有更强的抗干扰能力，并能提高定位精度。
该方法首先利用特高频法有效测量范围大的特点，高效率的对GIS间隔整体状况进行巡检。对存在疑似信号的区域再采用特高频法和超声法联合进行定位分析。根据GIS的同轴结构，利用了平分面法确定放电点所在平面。由于电磁波信号的传播速度远远快于超声信号的速度，以特高频信号作为基准，超声信号对基准的延迟时间乘以超声信号在介质中的传播速度即为超声传感器与放电点间的直线距离。以此实现了放电点的准确定位。其现场检测步骤如下:
将外置式特高频传感器a、b分别贴在可测得异常信号的盆式绝缘子上。若局放点位于如图2所示位置，则特高频传感器b测得信号超前特高频传感器a测得信号。可初步判定局放源位置处于传感器b两侧的气室，即气室B或气室C。
结语
GIS局部放电带电检测具有重要作用，超声波检测法使用压电传感器将声波振动信号耦合为电信号，通过放大器放大后在显示器上呈现一定的波形。检测人员根据波形特征判断缺陷类型与缺陷程度。相对其他局部放电带电检测方法，超声波检测法具有适应性和抗干扰性强的优点，在现场中得到广泛应用。
使用超声波检测法对某330kV变电站GIS进行检测，发现110kVⅡ母与11392刀闸相连的母线气室存在异常信号，信号相对背景差异较大，同时具有50Hz相关性且波形较陡，疑似尖端放电缺陷。通过幅值定位、频域定位和时差定位法对放电源进行定位。放电源位于距离右侧两节管母相连处70cm，距离上部隔离盆子30cm处。根据信号强度判断该缺陷属于严重缺陷。超声波法在变电站GIS局部放电带电检测中具有较好的现场应用效果，普测能以较高灵敏度发现缺陷，复测能以较高准确度定位缺陷。
参考文献
[1]康琛，刘明军，王鹏，等.GIS局部放电超声波定位方法研究与应用[J].江西电力，2016，40(4)：26-29.
[2]彭江，程序，刘明，等.电网设备带电检测技术[M].北京：中国电力出版社，2014.
论文作者:刘胜军,齐红斌,杨彬
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/9
标签：超声波论文; 局部论文; 信号论文; 缺陷论文; 传感器论文; 超声论文; 波形论文; 《基层建设》2019年第5期论文;