超聲波檢測技術在GIS中的應用

王 崢 袁樂童 智 李

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002;2.中國礦業大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116)

近年來，隨著狀態檢修工作的深入推進，通過帶電檢測的方式檢查設備運行狀況成為一種主流趨勢．氣體絕緣金屬封閉開關設備GIS(gas insulated substation)具有占地面積小、運行可靠性高、受外部環境影響小、檢修周期長等優點，在國內外應用越來越廣泛．但由于其結構緊湊，內部電場集中[1]，存在毛刺、自由金屬顆粒、絕緣損壞、接觸不良等缺陷時會產生局部放電，最終導致GIS絕緣故障，降低設備的利用率和可靠性．局部放電會在電力設備內部和周圍空間產生一系列的光、聲、電氣和機械的振動等物理現象和化學變化，通過對這些信號的檢測，可以及時有效地發現GIS內部存在的缺陷，及時消除隱患，避免重大事故的發生．因此常采用不同的局放檢測方法如特高頻法、超聲波法、高頻電流法等技術手段，實現GIS的帶電檢測，有效地判斷GIS內部的絕緣缺陷．

1 GIS內部常見缺陷分析

GIS是封閉式設備，其內部由于安裝或運行過程中產生氣泡、金屬顆粒等雜質會導致GIS設備運行出現缺陷，顆粒的跳動以及固體材料的微小振動會發出超高頻或超聲波信號，因此在不停電檢修的前提下，通過檢測超聲波與超高頻信號觀測GIS內部缺陷類型及缺陷的嚴重程度．

GIS內部缺陷中，經常出現的缺陷類型包括電暈放電、懸浮放電、自由金屬顆粒放電、空穴放電、沿面放電等放電現象[2]．每種內部缺陷都有相應的測量特征．不同的放電類型所產生的原因不同，當在不均勻的電場周圍曲率半徑小的電極附近，當電壓升高到一定值時，由于空氣游離就會產生電暈放電現象；懸浮電位則是由于在運輸或運行過程中，導體或絕緣子等與其他的金屬構件接觸不良，導致電位懸浮，與周邊的部位形成電位差，產生放電；空穴放電則是由于設備內部產生氣泡或其他雜質，在正常運行過程中產生局部放電；沿面放電是固體絕緣表面金屬顆粒對絕緣表面、固體絕緣表面臟污或固體絕緣表面其他異物引起的放電．圖1為GIS內部缺陷位置的示意圖．

圖1 GIS絕緣缺陷位置

如圖1所示，在GIS殼體、導體上均易出現由毛刺造成的電暈放電；在導體上易出現由于機械松動造成的懸浮放電；在盆式絕緣子、導體或殼體上易于出現氣泡或雜質造成的空穴放電．產生局放的方式不同，但不同類型的局部放電都會對GIS的絕緣造成破壞，同時，放電產生的氣體或熱效應，有的使局部絕緣腐蝕、電導增加，導致了絕緣性能下降，在嚴重的局放作用下，甚至會造成絕緣擊穿．

2 超聲波局放檢測技術原理

局部放電是引起絕緣老化并導致絕緣擊穿的主要原因．當電力設備內部產生局部放電信號的時候，會產生沖擊的振動及聲音．超聲波法(aEor ultrasonic)通過在設備腔體外壁上安裝超聲波傳感器或者通過空氣超聲波傳感器來測量局部放電信號．該方法的特點是傳感器與電力設備的電氣回路無任何聯系，不受電氣方面的干擾，但在現場使用時易受周圍環境噪聲或設備機械振動的影響．

不同類型、不同頻率的聲波，在不同的溫度下，通過不同媒質時的速率不同．表1列出了聲波在20℃時幾種媒質中的傳播速度．

表1 聲波20℃時的傳播速度(單位：m/s)

由表1可知，聲波在鋁、鋼、銅等媒質中的傳播速率很高，遠遠大于空氣中的傳播速度，因此在進行超聲波檢測時，需要將超聲波探頭與GIS罐體緊密接觸，或采用硅脂等耦合劑，使傳感器準確地檢測到超聲波信號．

超聲波具有很強的穿透能力，但是它在穿透各種介質時都會使波形發生某種程度的畸變，而這種畸變主要表現為幅值的衰減．表2是超聲波在不同介質中的相對衰減率．從表2可以看出，聲波在SF6及鋼中衰減均較緩慢，如果GIS內部發生放電[3]，其超聲信號就能夠較強地傳輸到GIS上的傳感器．而將傳感器分別布置在GIS的不同位置上，就可以接收到不同的聲波信號．

表2 縱波在不同介質中的衰減

超聲波向四周傳播開來，經過氣體介質和鋼板一直到達電氣設備容器的表面．檢測此超聲信號可以非常靈敏地判斷設備內部是否發生局部放電．超聲法可以非常有效檢測到的缺陷有凸起(毛刺)、自由顆粒和電氣懸浮等．不同的缺陷對應的缺陷圖譜如圖2～4所示．針對不同的缺陷類型3種檢測方法提供不同的判斷依據[4]．表3為3種典型缺陷在不同檢測模式下的測量特征．

圖2 凸起(毛刺)缺陷的相位模式圖 圖3 自由顆粒的脈沖模式圖 圖4 懸浮放電的相位模式圖

典型缺陷模式測量特征峰值 有效值 50Hz相關性 100Hz相關性 相位 脈沖毛刺低低有無有無自由顆粒高高無無無有懸浮高高有有有無

3 現場檢測

為保證GIS設備安全可靠運行，于2016年8月21日對某變電站GIS進行帶電檢測試驗，試驗方式為超聲波、超高頻、紅外測溫及紅外檢漏，該批次被試GIS為110 kV設備，所采用的試驗設備見表4．

表4 試驗設備清單

在進行超聲波測試過程中，發現草肖線C相存在異常信號，其中頻率成分2[100 Hz]明顯超出正常值，此時對出現超聲波異常信號附近的觀察窗及可檢測特高頻信號的絕緣盆子進行特高頻信號檢測，經初步檢測未發現特高頻異常信號，此時所檢測到的超聲波及特高頻信號如圖5所示，因此為找出信號成因，需采用多種帶電檢測手段對異常信號進行進一步分析、判斷，查找故障點，分析故障原因．

圖5 特高頻及超聲波圖譜

3.1 精確檢測及定位

為了精確的判斷異常位置，故采用多種檢測手段于8月24日對GIS進行進一步檢測，所采用的檢測手段包括超聲波檢測、特高頻檢測、SF6微水、純度、紅外檢漏、紅外測溫等．

采用上海華乘的PDS-T90與廈門紅相的PDT-840UH局放測試儀分別對故障點進行特高頻測試，沒有明顯的特高頻異常信號出現，如圖6所示．對故障點附近的氣室進行SF6微水、純度分析，測試結果為108.6 μL/L、97.6%，符合國標要求[5]，無異常．利用紅外測溫檢測方式對GIS進行精確測溫，所觀測的各氣室、盆式絕緣子溫度均合格．

圖6 不同設備檢測的特高頻信號

利用超聲波檢測方式對GIS進行精確檢測，采用每隔0.5 m設置一個檢測點的檢測方式，最終在C相電纜終端發現超聲波異常信號，又利用不同廠家設備對疑似異常部位附近的電纜終端、氣室進行精確檢測，最終確定疑似缺陷位置為C相電纜終端上側的PT處，疑似間隔及缺陷位置如圖7所示．

圖7 疑似缺陷間隔

3.2 分析與判斷

確定異常位置后，還需要對缺陷類型進行判斷，依據已經檢測到的超聲波信號，并對該信號進行分析判斷，并比對被測點與周圍空氣中的噪聲信號[6]，得到檢測圖譜如圖8～9所示．

圖8 超聲波幅值圖

圖9 超聲波相位圖

在1304草尚II線間隔1320草肖線C相PT如圖7所示的圓圈范圍內檢測到明顯的超聲波信號，耳機中也可聽到典型的放電信號．由圖8可知，采集到的超聲波信號周期最大幅值為3.6 mV，有效值為1.6 mV，頻率成分2[100 Hz]>頻率成分1[50 Hz]，且放電信號穩定，同時采集了超聲波波形圖譜及超聲波飛行圖譜[7]．圖9為超聲波相位圖，由圖可知，在PT處出現了較穩定的脈沖信號，且信號幅值高于標準設定值．因此根據超聲波信號的典型缺陷特征，并結合已經得到的其他檢測手段的檢測數據，可以判斷該缺陷類型為機械振動導致的超聲波異常，需要對該位置進行持續觀測，若觀測到的超聲波信號持續增大，且出現特高頻異常信號則需根據停電計劃進行解體，排除隱患，從而達到降低設備故障率的目的．

4 結 論

GIS設備結構緊湊、可靠性高，但在制造、運輸的過程中可能產生一些缺陷，且由于其為集成式設備，所以在出現缺陷時判斷故障原因及類型較為困難，超聲波、特高頻局放帶電檢測可有效發現GIS內部絕緣和放電缺陷．通過綜合手段分析、判斷，能夠準確找到故障點，判斷故障原因．本次故障為采用超聲波方式檢測出的PT內部機械振動缺陷，因此建議加強對該氣隔及相鄰氣隔的關注，并縮短帶電檢測試驗周期，加強正常運行的GIS設備的帶電檢測工作．

參考文獻：

[1] 劉君華，徐敏驊，黃成軍，等.局部放電電磁波在GIS中的衰減特性[J]．電工技術學報，2010，25(8)：52-58．

[2] 李秀衛，云玉新．實測信號激勵條件下GIS局部放電的電磁波傳播特性研究[J]．高壓電器，2011，47(12)：34-38．

[3] 印 華，邱毓昌．GIS中局部放電測量用超高頻方法的研究[J]．高電壓技術，2004，30(10)：19-20．

[4] 王昌長，李福祺，高勝友．電力設備的在線監測與故障診斷[M]．北京：清華大學出版社，2006．

[5] DL/T 617-2010．氣體絕緣金屬封閉開關設備技術條件[S]．北京：中國電力出版社，2010．

[6] 李繼勝，趙學風，楊景剛，等．GIS典型缺陷局部放電測量與分析[J]．高電壓技術，2009，35(10)：2440-2445．

[7] 高 凱，倪 浩，司文榮.GIS局部放電檢測及其波形特征分析[J]．華東電力，2010，38(10)：1513-1516．