基于超声波检测GIS设备局部放电的研究分析

1、基于超声波检测GIS设备局部放电的研究分析务孔永（河南四达电力设备股份有限公司，河南 许昌 461000）摘要：当高压GIS设备局部放电超过一定程度时，高压GIS设备的绝缘强度就会很快下降，严重影响到设备的安全运行，如没有准确的检测到GIS绝缘强度的大小，将会影响到设备的寿命和电力系统的安全运行。局部放电量测量是检测高压电力设备的绝缘状态，提供可靠性的重要手段。针对GIS高压电气设备，本文研究了基于超声波的在线检测技术。在和特高频UHF检测局部放电对比的基础上，对超声波检测的原理、检测的方法及典型案例做了分析，提出了超声波检测方法的优势。关键词：GIS设备；局部放电；超声波检测；故障识别；研究

2、 Based on the analysis of ultrasonic detection of partial discharge of GIS equipment researchWU Kong Yong(Henan sida electric power equipment co., LTD., henan xuchang, 461000)Abstract: When the high pressure of partial discharge of GIS equipment more than a certain degree, high voltage GIS equipment

3、 insulation intensity will drop quickly, the serious influence to the safe operation of equipment, such as no accurate detection to the GIS, the size of the dielectric strength will affect the service life of equipment and the safe operation of power system. Partial discharge measurement is to detec

4、t the state of insulation of high voltage electrical equipment, to provide the reliability of the important means. In view of the GIS high voltage electrical equipment, this paper studies the based on ultrasonic on-line inspection technology. In contrast and UHF partial discharge detection, on the b

5、asis of the principle of ultrasonic detection, detection method and analyzed the typical cases, the advantage of the ultrasonic detection method is proposed.Key words: GIS equipment; Partial discharge; Ultrasonic testing; Fault diagnosis; research 8 / 80 引言局部放电主要是变压器、互感器以及其它一些高压电气设备在高电压的作用下，其内部绝缘发生的

6、放电。这种放电只存在于绝缘的局部位置【1】，仅造成导体间的绝缘局部短(路桥)接而不形成导电通道为限。每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢；而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。这是使高压电力设备绝缘损坏的一个重要因素。因此，设计高压电力设备绝缘时，要考虑在长期工作电压的作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。总所周知，诸多GIS设备原件既组合又封闭，利用了绝缘性能优异的SF6气体做为灭弧和绝缘介质【2】，大大节省了变电站面积，提高了供电可靠性，带来了巨大的综合效益，而且随着电压升高，这种综合效益更为显著。此外，全部电气设备

7、封闭于外壳之中，减少了自然环境条件对设备的影响，因而其运行可靠性高、维护工作量少、检修周期长，一般故障率只有常规设备的20%40%。但是GIS设备也有其固有的缺点，由于其是全封闭电力设备，不能依靠人的感官发现早期故障，设备安排紧凑，一个设备的故障容易波及临近设备，使故障扩大。且GIS设备一旦发生故障修复尤为复杂，需要很长时间才能修复。因此对运行中的GIS设备的检测十分重要，不仅需要常规的预防性试验，对GIS设备的在线检测应大力发展。及时发现各种可能的异常或故障预兆，及时进行处理。超声波局部放电检测技术，能够准确的测量GIS设备运行中的绝缘状态，确切地了解设备运行状况，准确的判断绝缘是否存在异常

8、、对放电源进行定位、对放电类型进行识别。从而提高设备的利用率，节省检修费用。1 特高频（UHF）和超声波法的比较目前在线检测局部放电技术应用最多的是特高频检测法，就是通过特高频传感器【3】能够对GIS设备局部放电的频段做出反应，实现局部放电的检测并有效排除电晕放电的干扰，能获得较高的的信噪比【4】。但特高频检测法在定位上实现较为困难。如图1特高频检测法和超声波检测技术的对比：图12 超声波局部放电检测的原理及波段的分析2.1 超声波局部放电检测的原理声波是一种机械振动波，它是当发生局部放电时，在放电区域之间产生剧烈的撞击，这种撞击在宏观上产生了一种压力所形成。局部放电时一连串脉冲形成，由此产生

9、的声波也是有脉冲形成，它的频谱范围很广，为10107数量级范围。研究表明，变压器的局部放电声波的主频率范围为10150kHZ【5】，GIS局部放电声波的主频率范围为10100kHZ。变压器的噪声：磁声发射的频率分布在2065kHZ；机械振动、风扇振动等频率一般都在数千赫兹以内。因此，变压器的声发射传感器的检测频带大致在70300kHZ间，GIS在10100kHZ间。2.2 局放产生的声波的传播局部放电产生的声波可以看成点声源，以球面波形式向四外传播。由于变压器油、SF6气体以及耦合剂都只能传播纵波（纵波的介质质点振动方向与声波的传动方向是一致的，而横波则与之垂直），故声发射传感器在变压器外壳上

10、接收到的是纵波。如图2，声波在不同介质中的传播速度不同：图22.3 超声波的衰减界面衰减：当声波从一种媒质传播到另一种媒质时，由于声特性阻抗不匹配造成反射而致。衰减大小可用发射系数R来表示【6】。特性阻抗相差越小，反射系数R越小，检测灵敏度越高（声发射传感器与设备外壳之间涂耦合剂）。如图3，超声波在几种不同媒质中的衰减对比：图3声波经传播到达传感器需要时间，电信号到达电流传感器几乎不需要时间。则电流和声传感器同时检测局部放电时，声信号将迟于电信号，这个时延可用来确定放电源的位置。2.4 超声波法的检测灵敏度局放在液体材料中产生声波的声压较大，例如油中比空气中声压越大2万倍，故用声测法检测变压器

11、油中的局放是较灵敏的。若局部放电发生在油浸固体材料中的气隙或油中气隙，由于声波的衰减或被反射，检测灵敏度将大大降低。由于变压器具有较复杂的绝缘结构，声测法检测局部放电，对器身内部内部放电、固体绝缘内部的放电灵敏度不高。对于GIS而言，虽然声压小，但GIS结构简单，尺寸小，因此声测法对GIS气室中的缺陷灵敏度较高，但固体绝缘内部空穴放电的灵敏度非常低。3 超声波传感器 利用超声波的物理特性和各种效应，完成超声波的发射和接受装置，叫做超声波传感器。习惯上称为声波换能器或超声波探头。图4为其结构原理图：图43.1 超声波传感器的分类 按传导介质可分为接触式和非接触式，按检测超声波类型可分为纵波传感器

12、和横波传感器及表面波传感器，按信号处理可分为单端式和差分式传感器。单端类型传感器结构简单，带负载能力强，内部可带放大器，使用最普遍。（powerPD及大多数变压器超声局放仪） 差分类型传感器抗干扰好、灵敏度高，但带负载能力差，一般检测线不超过3米，使用长线必须加外置放大器。4 超声波局部放电检测仪4.1 超声波局放检测仪的基本要求 1）传感器灵敏度范围：20kHZ100 kHZ； 2）测试仪应使用方便，测量快速，对GIS的绝大多数缺陷具有较高的灵敏度； 3）带有同步装置，能与变频实验设备连接，以实际电源周期为参考相位； 4）检测信号应包括信号幅值、相位特性、具有连续模式、脉冲模式及相位模式等谱

13、图；5）可以进行缺陷种类识别，可利用脉冲模式进行颗粒危险性评估；6）配置测试线长度不应小于3米（通常要带前置放大器），以满足高处检测目的；7）抗干扰：在户外GIS应用中，电晕无影响。如图5：使用前置放大器【7】时接线示意图图54.2 典型仪器的组成 声发射传感器：将局部放电激发的超声波信号转换成电信号； 局部检测仪主机：用于局部放电电信号的采集、分析、诊断及显示； 前置放大器：当被测设备与检测仪之间距离较远（大于3米）时，为防止信号衰减，需在靠近传感器的位置安装前置放大器； 特制绝缘棒：检测部位比较危险时，如电缆终端，可以使用特制绝缘棒做为声传到介质，进行检测。4.3 常用谱图 1）时域波形谱

14、图（原始谱图）：时域波形检测模式用于对被测信号的原始波形进行诊断分析，以便直观的观察被测信号是否存在异常；如图:6 图6 2）连续模式谱图：共有4个柱状图，分别为信号的有效值、峰值、50HZ的相位相关性、100HZ的相位相关性,。因为局放部是与电源的相位相关的，根据局放在不同的相位放电特性，能判断出放电的性质，如自由颗粒、毛刺、悬浮点位等。如图7所示：图73）相位检测模式（PRPD谱图），需要进行相位同步。图8为相位检测模式典型谱图：图8局部放电检测许多谱图，如PRPS【8】、PRPD等谱图都需要进行相位同步，因此使用这些模式时需要接取同步信号，同步方法有：内同步法：适用于对现场运行设备带电检

15、测，使用现场的检修电源，利用现场检修电源相位仪器内部同步；外同步法：适用于现场电源与运行电压之间相位偏差大、无法通过相位确定放电类型时，或现场采用异频电源进行交流耐压实验时。运行条件下可通过PT二次回路【9】接取，交流耐压时可通过变频电源柜接取；自同步法：仪器自动按照20ms的周期进行同步，适用于快速巡检。4）脉冲检测模式（飞行模式）如图9为脉冲检测模式典型谱图如图10为脉冲检测模式评估颗粒危害图9图10 5)特征指数检测模式：特征谱图表征超声波信号发生的时间间隔，其横坐标为时间间隔，纵坐标为信号发生次数。如果超声波信号发生的间隔在10ms（如局放缺陷），它们在整数1的位置出现波峰；如果超声波

16、信号发生的间隔在10ms（如电晕缺陷）【10】，那么在整数2 的位置出现峰值。如图10为特征指数检测模式典型谱图：5 超声波局部放电检测仪效验及检测方法5.1 超声波局部放电检测仪的效验方法【11】根据超声波局部放电检测仪的结构特点和性能要求，其检测效验项目包括五部分内容：灵敏度试验、检测频带实验、线性度误差试验、稳定性实验和最小放电量灵敏度验证性实验。现具体介绍线性度误差试验。5.1.1 线性度误差试验 线性度误差试验的测试接线图如图11所示。测试时设置超声波信号发生器输出正弦信号的频率规定值为。则该测试频率可以选择被测仪器的主谐振频率。 调整超声波信号发生器幅值使超声波局部放电检测仪输出值

17、80dB，记录标准测量系统的输出峰值电压U和超声波局部放电检测仪输出值A。依次降低超声波信号发生器幅值，使其标准测量系统输出电压峰值为U（=0.8、0.6、0.4、0.2），记录超声波局部放电检测仪输出的响应示值A。各测量点的线性误差按下式计算： （1） 图115.2 超声波局部放电检测仪的检测方法5.2.1 检测条件要求 1）在GIS 设备上无任何外部作业；2）额定电压、额定FS6气体压力；3）金属外壳应清洁、无敷冰等；4）进行室外检测避免雨、雪等天气条件对GIS设备外壳表面噪声的干扰；5）进行室内检测时避免室内强干扰、大型设备振动。5.2.2 检测周期1）新设备投运前：在耐压试验通过后，在

18、1.2Ur/电压下，进行一次超声波局部放电检测（同时进行1.0Ur/电压下数据检测，做为运行数据对比）；2）新投运（或大修）后设备：应在投运后1个月内、投运后1年各进行一次超声波局部放电检测；3）运行中设备：半年至1年检测一次。5.3 安全注意事项1)检测时勿碰勿动其它带电设备；2)防止传感器坠落到GIS管道上，避免发生事故；3）保证待测设备绝缘良好，以防止低压触电；4）在狭小空间中使用传感器时，应尽量避免身体触碰GIS管道；5）行走中注意脚下，避免踩踏设备管道；6）在进行检测时，要防止勿碰勿动GIS其它部件；7）在使用传感器进行检测时，应戴绝缘手套，避免手直接接触传感器的金属部件。5.4 超

19、声波局部放电检测仪检测接线在开展局部放电超声波检测的过程中，应按照所使用的仪器操作说明，连接好仪器主机、传感器等各部件。当传感器与检测仪之间的距离较远（超过3米）时，还应接入前置放大器。需要使用外部电源供电时，主机必须接地。5.5 传感器的放置部位及要求【12】5.5.1 GIS超声波局放测试点选择主要有：1）盆式绝缘子两侧，特别是水平布置的盆式绝缘子；2）测量点选择在隔室侧下方，如存在异常信号，则应在该隔室进行多点检测，查找信号最大点；3）在断路器断口处、隔离刀闸、接地刀闸、电流互感器、电压互感器、避雷器、导体连接部件等处均匀设置检测点。5.5.2 传感器的固定方式1）手持法：适合巡检时使用

20、，测试快速，有轻微抖动，需要掌握一定技巧；2）绑扎法：使用绑扎带将传感器固定在GIS壳体上，适合精确检测及长时间检测；3）用磁吸做固定：因GIS 罐体多数为铝合金材料，使用条件极为有限。如图12所示，绑扎法法固定超声波探头示意图：图125.6 超声波局部放电检测流程1）测试背景噪声，背景噪声应满足测试环境要求；2）传感器与测点部位间无气隙地均匀涂抹专用耦合剂，测量时保持静止状态；3）将传感器经耦合剂贴附在设备外壳上，设置仪器为连续检测模式，观察信号有效值（RMS）、周期峰值、频率成分1、频率成分2的大小，并与背景信号比较，看是否有明显变化；4）当连续检测模式检测到异常信号时，应开展局部放电诊断

21、与分析，首先用过挪动传感器位置，寻找信号最大值，查明可能的放电位置。然后通过应用相位检测模式、时域波形检测模式及脉冲检测模式判断放电类型；5）数据记录：通过仪器的谱图保存功能，保存检测谱图。6 两种常见的干扰主要磁致造成和外部电晕声音【13】干扰。7 异常信号的定位 变压器超声波局部放电检测【14】及GIS超声波局部放电检测所用传感器均为接触式纵波传感器，其特点是信号源离外壳较近，检测区域较小。因此，可以利用检测信号的大小对信号源进行定位。 如图13，是某高抗局放定位的检测情况：图13A相高压高压套管出线位置处的信号幅值较大，同时在高压套管下部检测区域很大。B、C相及A相中性点侧只有较低的磁滞

22、噪声信号，判断可能是由于绕组出线部位有问题所致，解体后发现套管引线部位连接处有一螺丝松动，紧固后恢复运行，放电消失。8 检测图谱的分析8.1 不同种类的缺陷的可测量特征，如下表所示：项目 种类自由颗粒缺陷电晕放电缺陷悬浮屏蔽缺陷信号水平高低 高峰值/有效值高低 高50HZ频率相关性无有有100HZ频率相关性无无有飞行时间有无无相位关系无有有8.2 有效判据1）自由颗粒产生的信号峰值、有效值比局放更高；2）自由颗粒的信号峰值具有周期性，但与50HZ频率无关；3）电晕放电信号具有很强的50HZ频率相关性；4）悬浮点位产生的局放，放电水平高，主要与100HZ频率相关，与50HZ频率相关性小。9 典型

23、案例分析 如图14，在对14#测点气室进行局部放电检测的过程中，A点有效值为15.0mV，峰值为60.0mV，用橡胶锤对壳体敲击后，A点有效值和峰值有明显的增长现象（有效值为20.0mV，峰值为106.0mV），同时B点被敲击后也有明显的增长现象。图14随后对气室进行了检查，发现紧靠14#测点的手孔盖内有杂质堆积，同时罐体内底部也存在杂质，如图15所示。 经现场分析：手孔盖和罐体内堆积碎屑为吸附剂壳体表面加热后脱落的氧化物。随即对吸附剂壳体表面和此段罐体内部进行清理，处理完毕后，再次进行局放检测，检测数据正常。10 结束语 本文通过对超声波检测原理的分析，提出了超声波检测仪检测GIS的方法，并

24、对典型案例进行了分析。提出了超声波检测时的注意事项和各类缺陷的特征谱图的经验判据，对现场运维人员具有一定的产考价值。超声波法能有效的检测GIS内部的局部放电信号，可以作为一条有效的监测手段长期开展，对于设备状态评价和电力设备的安全运行具有重要的意义。参考文献1 周正.高压电气设备局部放电的危害及预防J.品牌与标准化，2010,14.014. ZHOU Zheng. High voltage electrical equipment for partial discharge of harm and prevention J. Journal of brand and standardizati

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