GIS超声波局部放电检测技术的应用分析

王万宝 李永宁 周迎新 杨琦欣 綦 巍

（济南供电公司，济南 250023）

气体绝缘金属封闭组合电器（GIS）具有结构紧凑、占地面积小、安装工作量小、检修周期长等优点[1]。但GIS在投入运行后，缺乏有效的维护手段，一旦发生事故，危害后果比分离式敞开设备严重的多，其中绝缘故障类最多[2-4]。故障检修周期长，修复复杂，因此对GIS的维护相当重要。根据CIGRE联合工作组33/23.12对GIS设备调查结果统计，通过有效试验，可以避免的故障为60%，GIS的故障率可降低至小于0.1%（即每千个间隔，每年一次故障）[5]。局部放电是GIS绝缘劣化的征兆和表现方式，又是绝缘进一步劣化的原因，所以开展局放测试是诊断GIS早期绝缘状况的重要手段[6]。

超声波法作为目前现场检测较为有效的方法，但缺少现场检测经验和实际数据。本文主要分析超声波法在新安装GIS交接试验及故障处理中的实际应用研究。分析研究在GIS交流耐压试验时开展超声波局部放电测试应根据GIS的不同结构形式来选择试验电压值和加压时间；以悬浮缺陷为例，通过对GIS故障设备解体检查以验证超声波法试验数据分析判断及定位的准确性。

1 超声波局放检测原理

在GIS内部发生局放时，产生的电荷在中和过程会激发较陡的电流脉冲，使得放电局部区域瞬间受热而膨胀，放电结束后膨胀区域会缩回原来体积。这种由于局部放电产生的体积变化引起了介质的疏密瞬间变化，形成超声波[7]，以弹性波的形式释放出能量。

根据声波的传播特性，采用超声传感器在20～100kHz的工作频段，接收以横波形式传输到外壳上的放电信号，然后对信号进行预放大，用带通滤波器完成信号滤波，再经过再放大、检波、平滑滤波、产生跟踪滤波线路输出顶部的信号、接收来自包络线发生器的信号来完成峰值、频率分量等检测。具体检测原理如图1所示。

图1 超声波局部放电检测原理

2 GIS交流耐压试验时超声波局放测量

GIS现场交流耐压试验能有效地检查内部导电微粒的存在、绝缘子表面污染、电场严重畸变程度等故障。但现场经验表明，交流耐压试验能检测出使GIS的实际耐受电压降低到耐压值以下的缺陷，且仅对GIS内部存留的导电颗粒特别敏感，并不能彻底发现并消除GIS设备中的某些微小缺陷，如GIS中固体绝缘材料内部的微小缺陷、导体接触不良等[8]。这些微小缺陷产生的局部放电在短时存在并不影响到电气设备的绝缘强度，但在正常运行电压下不断发生放电，这些微弱的放电就会产生积累效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿。因此采用超声波法测试GIS局放可作为GIS设备交流耐压试验的一种补充，不仅可以有效地检测出隐藏在设备内部的绝缘弱点或生产过程中造成的缺陷，而且可以准确地判断试验过程中发生非自恢复放电或击穿故障的确切部位。

GIS交流耐压试验程序分为“老练净化”和耐压试验两个阶段，加压顺序为工作最大相电压、系统运行最高电压和耐压试验电压值[1]。要在GIS交流耐压试验时开展超声波局部放电测试应根据GIS的结构形式来选择试验电压值和加压时间。GIS结构形式分为三相共箱和三相分箱两种。

对于大多数110kVGIS、220kVGIS母线为三相共箱结构型式。从绝缘设计及绝缘配合目的来说，除考虑各种过电压外，应考虑持续工频电压对绝缘的影响，代表性的持续工频电压等于系统最高电压Us。绝缘结构在运行过程中，要求必须能够长期连续的运行在工频最高运行电压[2]。对绝缘配合程序，最重要参考电压是设备最高电压Um，且Um≥Us[9]。因此三相共箱式GIS应选择试验电压为系统运行最高工作电压Us。在此阶段的交流耐压可认为考察GIS相间的绝缘水平，与实际运行情况相近，此时所测的局部放电信号特性也比较明显，其局放水平可作为GIS在运行状态下的局放水平检测的参考。由于交流耐压试验使介质发生破坏性放电的电压值可以用交流电压峰值来表示[10]，以110kVGIS为例，即155.5kV，系统最高运行电压（126.5kV）低于破坏性放电的电压值（155.5kV），所以在系统最高运行电压时属非破坏性试验，建议适当延长在系统最高电压下的耐压时间，加强局放检测密度。

对于 220kV GIS断路器三相分箱的结构形式，主要考察GIS相对地的绝缘状况。如果带母线（多为三相共箱）进行交流耐压试验，断路器等三相分箱的GIS承受不了系统最高运行交流电压，因此对三相分箱的GIS 应以工作最大相电压为准，即在“老练净化”阶段进行局放测试。此时进行超声波检测可能会检测到较强的局部放电信号，但多是金属毛刺等微小颗粒在灼烧过程中的放电，应延长局部放电测试时间，可延长至1～2h以更准确的认定该信号是否是设备存在缺陷故障。对于三相共箱的母线在此电压下与GIS实际运行环境相差较大，所施电压可能未达到某些局放的起始电压，并不能代表设备实际运行的局部放电水平。

在耐压试验阶段时如果发现在老练阶段未发现的局部放电信号，但通过了交流耐压试验，可认为绝缘合格。因为GIS设备运行电压只在瞬时过电压时有可能达到耐压值，即使存在该电压下的局部放电，因其放电能量很小，它的短时存在不会影响到设备电气设备的绝缘强度。同时由于1min交流耐压试验本身会损坏绝缘，所以耐压试验阶段不宜多次或延长耐压时间进行超声波局放检测。

超声波法局放测试点应选择断路器断口处、隔离开关、接地刀闸、电流互感器、电压互感器、避雷器、导体连接部件等处的气室侧下方，认真观察不同部位的超声信号在连续模式下的有效值、峰值、及工频和两倍工频的调制强弱。根据现场经验，一般情况下可认定信号的有效值及峰值小于 5mV且50Hz/100Hz相关性较弱时，GIS设备内部不存在绝缘微小缺陷；当信号的有效值及峰值超过20mV或出现明显的50Hz/100Hz调制相关性时，说明设备内部存在某种绝缘缺陷，应根据信号的不同特征进行故障定位排查。

在现场交流耐压条件下进行超声波局放测试，弥补交流耐压试验的不足。它可以有效地判断GIS中的绝缘水平，及时发现其内部缺陷，为GIS设备在投运后的安全运行提供了行之有效的保障。

3 GIS运行环境下超声局放测量

目前济南供电公司运用挪威AIA型GIS内部故障与局放分析定位仪积极开展运行GIS设备的局放普查。普查结果证明GIS在运行环境下存在局部放电的机率远高于设备安装及扩建时的机率。普查中发现的缺陷均是因悬浮放电造成的，可见悬浮屏蔽类型缺陷在GIS设备故障中占比重相当高。现将GIS中典型悬浮屏蔽缺陷局部放电的超声波信号检测、故障定位、故障诊断过程做详细分析，并通过对GIS设备解体检查来验证试验数据分析判断及定位的准确性。

某110kV变电站进行巡视过程中，发现101高压断路器在运行中声音增大，随即展开超声波测试：GIS背景噪声为2mV，放大器40dB，测量带宽为 10～100kHz。采用基于信号幅值变化法进行超声波法定位：首先将传感器接近于初估声源处（101开关 A相机构连杆处）测量数据为约500mV；然后将传感器位置至于在A相下法兰处，采集到的超声信号幅值接近750mV，当传感器至于A相其他位置时均比法兰处信号幅值低。测量B相相同位置的超声信号幅值为15mV，再测量C相相同位置的超声信号幅值为6mV。可见当传感器位置越偏离A相法兰处，采集到的信号水平越微弱，可定位故障存在于101开关A相法兰处。记录该处在连续模式和相位模式下检测到的超声波局放信号如图2和图3所示。

图2 连续模式下局放信号

图3 相位模式下局放信号

主要从以下6个方面进行现场超声波信号进行分析：①信号在连续模式下幅值：从图2可以看出，局放信号的有效值达到120mV，峰值接近720 mV，峰值因数为6。其有效值和峰值明显增大，说明内部存在较大的放电；②50Hz和100Hz信号调制相关性：信号与100Hz相关性强烈，与50Hz相关性较弱，Vf2/Vf1≈2，放电信号主要表现为倍工频周期信号，说明在高压作用下某处因松动、开路等产生震动信号，存在悬浮故障；③相位模式信号：一个周期内会有两簇较集中的信号聚集点，工频信号正负半周均能检测到放电信号；从幅值与相位的关系分析，放电脉冲点阵主要集中分布在接近峰值的相位上，说明内部存在由于松动或接触不良形成的耦合电容引起悬浮电位，当电压超过电容的耐压值时发生大规模放电；④滤波器的频段相应情况：选用50kHz时，采集信号数值略有下降，与100kHz时相比较，其幅值变化不大。超声波信号在不同介质中传播特性是在带电导体、金属外壳上由于介质吸收效应导致高频信号衰减较小，在环氧树脂绝缘中对信号有高吸收性[16]。所以测的信号高频分量衰减不大，说明放电位置靠近导电体；⑤测试点的分布情况：放电衰减范围分布面积较大，也符合导电体放电的传播特征；⑥放电现象是间歇式的，约间隔20～50s，放电持续30～90s左右。综上所述，可确定101开关A相法兰处内部存在松动或开路放电现象。

经停电解体检修，发现断路器上部瓷套法兰内部CT引线绝缘均压环松动，均压环形成沟槽且绝缘部位已经存在严重电蚀磨损如图4、图5所示。

图4 导管电蚀严重

图5 导管均压环悬浮放电形成的沟槽

正是由于CT引线均压环松动，与引线导杆耦合出一个电容，导致容性放电。更换均压环后，跟踪测试均无异常。

该案例验证了根据超声信号幅值增减变化可很好地对放电点定位，并且根据超声波局放信号特征进行数据分析、故障定位及故障类型判断的正确性。实践证明超声波法局放检测是诊断 GIS绝缘状况的有效手段。

4 结论

本文在介绍GIS局部放电检测方法原理的基础上，分析了超声波法在新安装GIS交接试验中的实际应用，提出应根据GIS结构形式来确定交流耐压下开展局部放电测试的试验电压和时间，加强局放测试密度，有效弥补了交流耐压试验的不足；分析了典型悬浮放电缺陷的超声波信号检测、定位、故障诊断过程，通过对GIS故障设备解体检查验证了对试验数据分析判断及定位的准确性。现场实践表明采用超声波局放测量能够对GIS设备进行有效、灵敏的状态监测、故障诊断，从而实现对GIS设备的有效管理，更好的保障电网安全运行。现场成功经验为GIS设备超声检测技术的推广和缺陷诊断提供了一定借鉴作用。

[1]李建明,朱康.高压电气设备试验方法[M].北京：中国电力出版社,2007.

[2]陈化钢.电力设备预防性试验方法及诊断技术[M].北京：中国科学技术出版社,2001.

[3]李继胜,赵学风,杨景刚等.GIS典型缺陷局部放电测量与分析[J].高电压技术,2009,35(10):2440-2445.

[4]Srivastava K D, et al . A review of some critical aspect s of insulation design of GIS/ GIL systems [C]∥Transmission and Distribution Conference and Exposition : Vol 2. Atlanta , GA ,USA : Power &Energy Society , 2001 :787-792.

[5]CIGRE JWG33/23.12,＂GIS Insulation Coordination:Return of experience, on site test and diagnostic techniques＂, ELECTRA, February 1998.

[6]肖燕,郁惟镛.GIS中局部放电在线监测研究的现状和展望[J].高电压技术,2005,31(1):47-49.

[7]杨园,李成榕.典型 GIS局部放电超声波信号特征研究[J].现代电力,2009,26（5）:18-23.

[8]姚勇,岳彦峰,黄兴权.GIS超高频/超声波局放检测方法的现场应用[J].高电压技术,2008,34(2):422-424.

[9]GBT311.2-2002.高压输变电设备的绝缘配合使用导则.

[10]GB2900.19-21994.电工术语:高电压试验技术和绝缘配合.