SF6气体绝缘电气设备局部放电超声波检测与应用

李志新,杨照光,温定筠,孙亚明,高立超

(1.国网甘肃省电力培训中心技能培训部，甘肃兰州730000；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院设备状态评价中心，甘肃兰州730000)

SF6气体绝缘电气设备局部放电超声波检测与应用

李志新1,杨照光2,温定筠2,孙亚明2,高立超2

(1.国网甘肃省电力培训中心技能培训部，甘肃兰州730000；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院设备状态评价中心，甘肃兰州730000)

针对SF6气体绝缘类的电气设备常见的局部放电故障类型进行了总结和归类，提出使用超声波法进行此类设备的故障检测与诊断，同时阐述了使用超声波法进行电气设备故障诊断的检测原理，给出了对此类设备典型的放电故障的超声波法检测的图谱；同时给出了使用超声波法对SF6气体绝缘类电气设备的故障检测的应用实例。结果表明：使用超声波法检测SF6气体绝缘类电气设备，能够较灵敏地检测出电晕放电、悬浮放电及自由金属颗粒等缺陷，此方法在电气设备出厂试验、交接试验及带电检测方面具有广泛的使用价值和应用前景。

超声波；气体绝缘；局部放电；故障检测

0 引言

随着电网建设的发展，大量SF6气体绝缘类设备(如GIS、断路器)在不同电压等级的变电站中投运。由于此类电气设备的内部空间极为有限，工作场强很高，且绝缘裕度相对较小，设备内部一旦出现绝缘缺陷，极易造成设备故障，引起的停电时间较长，检修费用也很高，国内已经发生了数起较为严重的GIS事故。过去那种认为GIS设备免维护的观点已不被认同，CIGRE调查表明，50%以上的GIS故障是可预先发现的[1～3]。在GIS、SF6气体绝缘的断路器的交接试验中，监视局部放电信号以及对运行中的此类设备进行定期局部放电检测，均是保障其安全运行的有效手段[4，5]。

1 电力设备缺陷分类

局部放电超声波检测技术主要应用于组合电器、电缆终端(中间接头)、变压器等设备[6]。根据设备缺陷的不同，局部放电超声波检测技术在进行缺陷分析与诊断时，可将设备缺陷分为局放缺陷、电晕缺陷、自由金属微粒缺陷[7，8]。

(1)局放缺陷

该类缺陷主要由设备内部部件松动引起的悬浮电极(既不接地又不接高压的金属材料)、绝缘内部气隙、绝缘表面污秽等引起的设备内部非贯穿性放电现象，该类缺陷与工频电场具有明显的相关性，是引起设备绝缘击穿的主要威胁，应重点进行检测。

(2)电晕缺陷

该类缺陷主要由设备内部导体毛刺、外壳毛刺等引起，主要表现为导体对周围介质(如SF6)的一种单极放电现象，该类缺陷对设备的危害较小，但在过电压作用下仍旧会存在设备击穿隐患，应根据信号幅值大小予以关注。

(3)自由金属微粒缺陷

该类缺陷主要存在于GIS中，主要由设备安装过程或开关动作过程产生的金属碎屑而引起。随着设备内部电场的周期性变化，该类金属微粒表现为随机性移动或跳动现象，当微粒在高压导体和低压外壳之间跳动幅度加大时，则存在设备击穿危险，应予以重视。

2 超声波局部放电检测的特性分析

电力设备内部产生局部放电信号的时候会产生超声波，超声波信号有横波、纵波和表面波三种传播形式，在SF6气体中只有纵波可以传播，而在带电导体、绝缘子和金属壳体等固体中传播的除纵波外还有横波。纵波在气体、固体中衰减很大，横波在固体中衰减小。在传播过程中，由介质吸收效应导致的高频分量衰减、不同介质传播速率的差异以及边界处产生的折、反射，都会对接收到的脉冲信号产生影响[9]。因此检测的有效性和灵敏性不仅取决于局部放电的类型和能量大小，还取决于声信号在不同介质的传播特性和具体的传播路径。但现场存在的电晕声、设备的机械振动及其他噪声可能会影响着其检测效果，因此，选择合理的检测频带，提高检测信号的信噪比，是超声波法的关键所在[10，11]，此外在评估设备状态特别是确定缺陷部位时，需要综合考虑这些因素并结合GIS的具体结构进行分析[12，13]。

3 典型缺陷谱图分析与诊断

超声波局部放电检测典型缺陷图谱[14～16]见图1～4。

图1 背景噪声典型谱图

图2 局放缺陷典型谱图

图3 电晕缺陷典型谱图

图4 自由金属微粒缺陷典型谱图

超声波局部放电检测典型缺陷图谱特征见表1。

表1 典型缺陷图谱特征

4 超声波局部放电检测实例与分析

4.1 110kV GIS设备内部故障超声波检测

超声波局放检测110 kV GIS设备内部碎屑，在对某330 kV变电站110 kV GIS设备进行交流耐压及超声波局部放电检测时，发现Ⅰ段母线C相第14号检测点局部放电检测数据偏大，14号检测点位置如图5所示。

图5 14号测点位置示意图

在对14号测点气室进行局部放电检测的过程中，A点有效值为15.0 mV，峰值为60.0 mV，用橡胶锤对壳体敲击后，A点有效值和峰值有明显增长现象(有效值为20.0 mV，峰值为106.0 mV)，同时B点敲击后有效值和峰值也有明显增长现象，检测数据如表2所示。

表2 超声波局放检测数据

对罐体敲击后图5中的B点信号明显增大，表明罐体内底部也存在声源。由于信号最大点附近无绝缘支撑件，且距盆式绝缘子较远(约有80 cm)，分析认为罐体壁上存在颗粒杂质或尖端毛刺。

随后对气室进行了解体检查，发现紧靠14号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6和图7所示。

图6 解体后手孔内部图

图7 解体后罐体内底部图

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气室罐体内部进行清理，处理完毕后再次进行局部放电检测，检测数据正常。

4.2 330 kV 断路器设备内部故障超声波检测

某330 kV变电站断路器A相返厂解体，断路器型号：GL316额定电流40 000 A。解体前对此断路器进行投交流耐压试验及局部放电试验，耐压试验合格，局部放电试验数据异常。经开罐检查发现罐式断路器内部存在杂质，交流耐压试验带局部放电试验，采用挪威AIA-1超声波检测仪进行测试，测试之前，先进行背景噪声测量(手持探头在罐体附近的空中测量)。测试背景噪声的有效值/峰值为0.27/1.03 mV，电压升至285 kV后，将传感器放置在待测点上，传感器在使用之前应均匀涂抹专用硅胶，测量之时保持静止状态。观察连续模式图谱，与背景噪声图谱比较，如信号增长明显，由判据来区分故障类型，确定之后颗粒故障需结合脉冲模式进行危险性评估，毛刺和电位悬浮引起的放电需结合相位模式再具体区别判定。根据声音在气室传递衰减的特性，结合断路器内部结构判断故障部位。

此断路器为罐式开关视为一个气室，重点检查屏蔽罩、离子吸收器和绝缘支撑部件，一般在以上部位选取2～3点测量。测试中发现断路器局部放电的连续模式数值为0.38/2.3 mV大于背景值，同时根据相位模式对放电类型进行分析，发现峰值不稳定，频率1、频率2都有相应变化。根据局放试验波形结果显示，初步判断为开关内部有弱放电现象。对该断路器进行了开罐检查，发现开关内部有少许脏污和灰尘，对该开关进行处理后再次测量弱放电现象消失，测试数值为背景值，解体后的内部脏污图片如图8所示。

图8 解体后罐体内部脏污图

根据断路器实际发生的问题，判断有可能是断路器现场安装时气室的清理不到位，使得杂物混入罐体内。

5 结论

(1)使用超声波法检测SF6绝缘类电气设备能有效检测出局放缺陷，此检测方法不仅可以用在设备耐压试验时检测局放，又可以用在带电检测，应用广泛。

(2)断路器、SF6等气体绝缘类电气设备交接试验时，由于交流耐压试验只能发现内部绝缘件损伤、距离不足等严重缺陷，而潜在的内部杂质、气泡等局部放电缺陷不易发现，因此在交流耐压同时进行超声波局放测量，对于及时发现此类缺陷是十分必要的。

(3)超声波法能有效检测出自由颗粒、电晕放电、悬浮电位产生的局部放电。

(4)在对GIS进行带电检测时，应同时使用多种方法，因为不同的方法有不同的有效检测范围。对于GIS、断路器等SF6气体绝缘类电气设备进行局放检测时，应注意采用多种检测技术进行相互验证，特高频法和气体成份分析是局放检测一种有益的补充。

[1]钱勇，黄成军，江秀臣，等.GIS中局部放电在线监测现状及发展[J].高压电器,2004,40(6):453- 456.

[2]化晨冰, 张铂雅. GIS带电测试技术的现状与发展[J].电气开关,2013,51(6):8-10, 31.

[3]黎大健, 梁基重,步科伟, 等. GIS中典型缺陷局部放电的超声波检测[J].高压电器,2009,45(1):72- 75.

[4]李德军,沈威,郭志强.GIS局部放电常规检测和超声波检测方法的应用比较[J].高压电器,2009,45(3):99-103.

[5]罗勇芬,孟凡凤,李彦明.局部放电超声波信号的检测及预处理[J].西安交通大学学报,2006,40(8):964- 968.

[6]Hoshino T, kato K, kayakawa N, et al. A novel technique for detecting electromagnetic wave caused by partial discharge in GIS[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2001,16(4): 545-551.

[7]肖登明,李旭光,秦松林．特高压输变电系统中GIS气体放电特性[J]．高电压技术，2007，33(6)：6-8．

[8]金立军,张明锐,刘卫东．GIS局部放电故障诊断实验研究[J]．电工技术学报，2005，20(11)：88-92．

[9]Sabota A，Koltunowicz W，Boeck W，et al．Insulation co-ordination of GIS：return of experience，on Site Tests and Diagnostic Techniques[J]．Electra，1998，(176)：66- 97．

[10]刘昱，许玉香，于峥，等.750kV智能化变电站在线监测系统配置[J].电网与清洁能源，2010,26(2)：40- 45.

[11]黄兴泉，张欲晓，陈正平，等．交流耐压条件下的GIS局部放电检测[J]．华中电力，2002,15(5)：1- 3.

[12]贾志杰,陈少卿,陈洪波，等.超声波局部放电检测在GIS耐压试验的应用[J]. 中国电力, 2013,46(12):29-32.

[13]张军民,刘伸展,李环. 基于超声波信号检测的GIS击穿放电定位方法研究[J].电工电气,2013,(8):53-55，59.

[14]姚勇,岳彦峰,黄兴泉.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.

[15]王万宝,李永宁,周迎新，等.GIS超声波局部放电检测技术的应用分析[J]. 电气技术,2012，(2):49- 52.

[16]金立军，刘卫东，黄家旗，等.GIS金属颗粒局部放电的试验研究[J]．高压电器，2002,38(3):10- 13.

Testing and Application of SF6Gas Insulated Electrical Equipment Used Ultrasonic for Partial Discharge

Li Zhixin1,Yang Zhaoguang2,Wen Dingjun2,Sun Yaming2,Gao Lichao2

(1. State Grid Gansu Training Center Skills Training Department, Lanzhou 730000, China;2. State Grid GansuElectric Power Research Institute Equipment Condition Assessment Center, Lanzhou 730000, China)

Common types of partial discharge are summarized and categorized about SF6gas-insulated electrical equipments in this paper, and ultrasonic is proposed to use for fault detection and diagnosis of such equipments. The principle of detection using ultrasonic for testing fault diagnosis of electrical equipments is explained and patterns of typical discharge obtained by ultrasonic are given in this paper. The fault detection examples used ultrasonic for SF6gas insulated electrical equipments are given, and the results demonstrate that detection used ultrasonic for SF6gas-insulated electrical equipments can detect sensitively corona discharge, suspended discharge and freed metallic particles and other faults. So this approach will have broad application prospects and values in delivery test, hand-over test and live electrical equipments.

ultrasonic；gas-insulated partial discharge；fault detection；electric equipments

2014-09-16。

李志新(1983-)，女，工程师，主要从事电气设备故障检测与诊断技术研究与教学,E-mail：lizhixin0917@163.com。

TM835

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.01.005