超声局放在GIS设备带电检测中的应用

摘要：超声局部放电检测是诊断GIS 绝缘故障的有效方法。本文介绍了GIS局部放电超声波产生原理，GIS中主要故障类别。重点介绍了运用超声局放测试案例分析GIS中的金属颗粒放电和机械振动的图谱特征，通过案例讲解为超声局放的开展提供参考。 

关键词：GIS 超声波  金属粉末  机械振动

一、引言

封闭式组合电器（GIS）是指将断路器、隔离开关及接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、引线套管或电缆终端盒等各元件的高压带电部位，封闭在充有SF6气体的接地金属外壳中。尽管GIS具有很高的安全可靠性，但在实际运行中仍不可避免的会有各种类型的故障发生。GIS内部由于制造时出现毛刺、安装运输时部件松动或接触不良引起浮电位，运行中出现绝缘老化、内部有自由金属颗粒等原因，有可能出现显著的局部放电。    

长期的局部放电使绝缘的劣化损伤局部扩大，甚至可使整个绝缘击穿或沿表面闪络。这种故障可使运行中的设备出现故障出现停电，而且，GIS内部SF6气体压力很高，一旦发生事故，不仅对其本身，而且对周边设备也会造成损害，进而影响电力系统的安全和可靠运行，直接损失和间接损失相当严重。 

二、 GIS局部放电超声波产生原理

在超声学中，振动是形成超声波的主要原因。在产生局部放电时，脉冲力将要施加到周围材料上，通常这些材料是有弹性的，将要产生振动，生成超声波。将超声波传感器安装在电力设备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。

在GIS内部发生局部放电时，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，形成一种类似“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。我们可以通过分析获取的这些超声波信号来分析局部放电特征。

GIS内部主要绝缘介质有SF6气体和环氧绝缘构件等。当绝缘存在缺陷时，内部场强分布便会发生畸变，导致局部放电而使内部绝缘受到破坏，同时往往伴随着超声信号的产生。因此目前国内外广泛采用局部放电超声波检测技术等非电量测量法来检测GIS故障。通过收集这些声信号，并根据实际经验加以分析，可以对GIS的运行状况进行评估。

GIS发生局部放电时，传感器检测频率较低，易受到环境噪声的影响；传感器检测频率较高，则信号衰减严重。GIS中的超声波信号频率集中在20~200kHz。由于声音信号在SF6气体中的传输速度很低（约140m/s，约为在油中传播速度的1/10，在空气中传播速度的1/2）,在传播时衰减很大（26dB/m，约为空气或油中的20倍），且衰减量随着频率的1~2次方增加，故超声波诊断方法在对局部放电放电量大小的分析上受到电源距离影响很大。

三、 GIS中主要故障类别

 GIS可分为三相共体式和分相式两种。尽管GIS在结构设计上不尽相同，但内部结构基本一致，主要有SF6气体、绝缘支座、拉杆、盘式绝缘子、导电体、气室外壳等。GIS绝缘故障的发生，可能是在产品生产、现场安装以及运行操作等过程中。如下图，导致GIS产生局部放电的原因具体分为以下几种：

（一）气室内导体上和金属外壳上的异常凸起。GIS在装配过程中留下的焊疤或较大的毛刺等，往往在老炼试验中无法清除，便在运行的气室内留下异常凸起点。此类缺陷危害较大，会造成气室内局部场强不均匀。当局部场强达到某一水平时，凸起点将出现尖端闪络。对于雷电或操作的快速暂态冲击，凸起点闪络将会导致绝缘击穿。一般超过1~2mm的凸起点被认为是有害的缺陷。

（二）气室内自由金属颗粒在电场作用下获得电荷，并受到静电力的作用，如果这种力超过其重力，颗粒就会从外壳上升，并在气室内运动而造成间隙性电晕放电。颗粒的形状及其位置直接影响到气室的耐压水平。颗粒越长，越接近高压导体，其危险程度就越大。如果吸附于绝缘子上，可能会导致绝缘子表面闪络受损，可能造成更大的危害。

（三）电动和机械力造成气室内零配件松动。如果屏蔽罩松脱，将直接导致电位浮悬，电气绝缘距离缩短，交流耐压水平大幅度下降。如该悬浮屏蔽接近电极，将导致屏蔽与电极间大规模放电。

（四）固体绝缘内部的空隙和缺陷。在电场作用下，固体绝缘内部的空隙和缺陷会产生局部放电或固体表面树枝状放电，长期累积效应使固体绝缘老化直接击穿，此类缺陷直接影响到GIS的使用寿命。

4 案例分析

通过对GIS设备开展的超声局放带电检测，发现了多起设备隐患，对发现的其他隐患进行跟踪检测，及时关注隐患的发展过程，根据电网负荷和隐患的变化，制定有效处理措施。

机械振动

220kV组合电器某母线电压互感器异常的跟踪检测记录

测试位置：  

某220kV变电站母线电压互感器B相（如图7）

对该设备进行连续10次测试，如表1所示。  

本文摘录其中三次测试图谱

在6月11日测量发现，连续测量模式下峰值为1.5mV，根据与典型图谱比对，初步判断电压互感器存在振动。采取每周一次监测测量。

在6月19日测量发现，连续测量模式下峰值为7.5mV，数值增大。在6月20日测量的数据与上次测量比较，幅值增长明显，达到200mV，且在用UD5000超声设备测试存在超标数据，数值为6dB（正常<5db）；在异常部位附近，人耳能听到“磁、磁”放电声响，SF6气体检测湿度合格。在处理此隐患前，应加强检测。

采取每周进行两次超声检测，如有增长建议停电检修。6月25日进行SF6气体检测，其中湿度（μL/L）, B相：204。分解产物测试（μg/g），B相中的CF4:138.8，A相中的CF4:36.15。

7月2号测量，超声局放数据未变化，红外测温显示A相较BC相高0.9°，三相电压平衡，继续跟踪检测。初步分析，内部可能存在部件松动，在电场的作用下，电磁力每次经过松动部件时，对该部件产生作用力形成振动，进而出现局放现象。7月4号测量，超声局放数据未变化。7月8号测量，数据出现增大，在最大峰值为380 mV，之后数据稳定在200 mV，与7月4日数据相同。

7月16号测量，负荷下降后测量，连续模式下有效值为30mV，峰值为100mV，100Hz相关性为15mV。在负荷下降后，电流降低，产生的电磁力减小，松动部件的震动减弱，超声测量幅值减小。在之后测量，负荷未变化，数值稳定。

8月1号测量，负荷未变化，数值变小，连续模式下有效值为15mV，峰值为50mV，100Hz相关性为10mV。产生的电磁力减小，松动部件的震动减弱，超声测量幅值减小。

在8月5日，对此设备进行停电更换，检查发现设备内部部件松动，造成机械振动。更换后，超声数据与环境相同，三相相同。

5、总结

 超声波检测技术对高压电气设备的检测具有易于实现带电检测、便于空间定位、抗干扰能力较强等特点。目前采样超声波检测技术测量局部放电信号是将超声波传感器贴在接地的高压电气设备外壳进行检测，对设备的运行和操作没有任何影响，从而减少了设备停电检查的时间，提高了设备的供电可靠性。

高压电气设备局部放电产生的声波频率分布范围很广，包括了超声波频率，而现场的环境干扰（如运行中变压器的励磁噪声、散热器风扇声、冷却器噪声、潜油泵噪声、循环油噪声等）的频率大多属于可听声音频段，因此，选择局部放电产生的超声频段进行检测容易避开背景噪声干扰的影响。

目前利用超声波法测量局部放电的主要局限性是不能进行定量分析，检测灵敏度不是很高。对于检测来自绝缘材料内部的缺陷，虽然绝缘体内部缺陷将使放电上升、产生电树枝，并可能引起击穿，但由于绝缘固体中超声波信号衰减很大，故超声波检测法很难检测到绝缘材料中的缺陷等。并且由于声波在传播途径中衰减、畸变严重，声测法基本上不能反映放电量的大小。

在今后的高压电气设备局部放电检测方法中，超声波与其他电量信号的联合检测方法将成为在线检测的主要发展方向。在对电气设备进行巡检时，可首先利用超高频或甚高频等电量信号检测手段快速确认被测设备是否存在局部放电缺陷，然后利用超声波法确定电气设备的缺陷部位及特征。两种方法联合使用能取长补短，为确认被测信号来源、彻底消除误判提供了保证。

参考文献：

[1]  严璋．电气绝缘在线检测技术[M]．北京：中国电力出版社，1995．6

[2]  苑舜．高压开关设备状态监测与诊断技术[M]．北京：机械工业出版社， 2001，2

[3]  郭俊，吴广宁，张血琴．局部放电检测技术的现状和发展[J]．电工技术学报，2005，20(2)：

[4]  张晓星，姚尧，唐炬． SF₆放电分解气体组分分析的现状和发展[J]．高电压技术，2008，

作者简介：

李文征（1981——），男，大学本科，主要负责电气设备试验及带电检测的测试工作。

谢文超（1982——），男，大学本科，主要负责电气设备、路灯设备的管理及带电检测工作。