GIS设备超声波局部放电带电测试方法及故障分析

朱 毅，吴建军，刘 旭，李 博，王世民，周桂平

（1.国网锦州供电公司，辽宁 锦州 121000；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

GIS设备超声波局部放电带电测试方法及故障分析

朱 毅1，吴建军2，刘 旭1，李 博1，王世民1，周桂平3

（1.国网锦州供电公司，辽宁 锦州 121000；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

GIS超声局放技术是带电测试GIS设备局放的试验方法之一，通过对缺陷的检测和分析，可以判断故障点位置和故障性质，提高GIS设备的故障诊断水平，保障电力系统的安全、可靠、稳定运行。介绍了超声波局部放电带电测试的原理、方法、典型图谱及判断依据，通过辅助检测手段和图谱诊断，分析了某220 kV罐式SF6断路器超声局放异常的原因，并通过解体检查确认了故障点位置。

GIS；超声波局部放电；典型图谱；数据分析

GIS气体绝缘金属封闭开关设备（组合电器）诞生于20世纪60年代，是由断路器、隔离开关、接地开关、避雷器、电压互感器、电流互感器、套管、母线、连接管多种高压电器组合在一起，并全部封闭在接地的金属外壳内，壳内充以一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质［1-2］。其优点是小型化、封闭式、占地面积小、运行维护工作量少、检修周期长、安全可靠性高且不受环境污染和高海拔的影响。因此，GIS在电力系统的能量传输中得到广泛应用［3］。

GIS设备内部电场强度较高，细微的隐患都可能发展成故障，一旦GIS设备出现故障，就会造成停电面积大、停电时间长、维修费用高等严重后果。GIS典型缺陷包括局放缺陷（空穴放电和悬浮电位放电）、电晕缺陷（电晕放电）和自由金属颗粒缺陷（自由金属颗粒放电）［4］。为准确反映GIS设备的状态及运行情况，应对GIS设备采用有效的绝缘监督手段。

1 GIS设备超声波局部放电带电测试原理及方法

GIS设备内部产生局部放电信号时，会产生冲击的振动及声音。超声波法（AE，又称声发射法）通过在设备腔体外壁上安装超声波传感器来测量局部放电信号。该方法的特点是传感器与电力设备的电气回路无任何联系，不受电气方面的干扰，但在现场使用时易受周围环境噪声或设备机械振动的影响。由于超声信号在电力设备常用绝缘材料中的衰减较大，超声波检测法的检测范围有限，但具有定位准确度高的优点。

当设备内部发生局部放电时，在放电区域中，分子间的撞击会非常剧烈，这种撞击在宏观上表现为一种压力。由于局部放电是以脉冲的形式表现出来，因此产生的压力波也是脉冲形式，即产生了声波。声波是一种机械振动，当声波频率超过20 kHz时称为超声波。考虑到局部放电区域很小，局放源通常可看成点声源。

GIS设备局部放电超声波检测的图谱有连续检测、时域波形检测和相位检测3种模式，具体如下：

a.连续检测模式反映且能准确地读出超声波局部放电的有效值、峰值和指定频率成分的实时数值；

b.时域波形检测模式反映几个周期的连续全电压波形，从中可以分析出1个以上周波为周期的缺陷；

c.相位检测模式是收集了单位时间内1个周期频域范围内1 000个瞬时全电压值采样点的打点图，通过全电压值在频域上的分布情况来分析故障缺陷。

2 GIS设备典型缺陷

a.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［5-6］。

b.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会存在设备击穿隐患，应根据信号幅值大小予以关注。

c.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引起。随着设备内部电场的周期性变化，该类金属微粒表现出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。

2.1 缺陷判据（见表1）

表1 缺陷判据

2.2 典型缺陷图谱（见图1～图4）

3 GIS设备故障诊断分析

3.1 故障现象

为确保高压开关设备的安全运行，国网辽宁省电力有限公司对所辖的220 kV及以上电压等级变电站内GIS、罐式断路器设备用超声法进行周期性带电巡检。试验人员用PD-208型超声检测仪对某500 kV站罐式断路器进行试验时，发现型号为HGF1014F3的220 kV断路器A相极内超声波探测结果异常，测量波与背景值相差较大，峰值差异达5.2倍，并且50 Hz和100 Hz的相关性均较强。

图1 背景噪声典型图谱

图2 局放缺陷典型图谱

图3 电晕缺陷典型图谱

图4 自由金属微粒缺陷典型图谱

3.2 故障分析

为分析异常原因及故障点位置，试验人员决定对异常设备进行SF6气体分解物检测和超声局放检测综合分析，并对同线路正常相进行对比分析。试验人员在A相罐式断路器每侧面分别选择上左、上右、下左、下右4个位置、共计8个测试点，并用PD-208型超声检测仪逐点进行测试。为表述简洁，本文仅列举2个测试点，见图5。

图5 超声局放测试位置示意图

测试结果表明，异常点位于A相极位置“1”的下部，当操作从“1”位置向“2”位置方向移动时，监测值的异常结果逐步减小。对A相的位置1和位置2处分别测试后的波形测量值见图6，其中红色为取自构架的背景波形，白色为测试信号。

图6 短路器A相测试结果

分析测试结果可知：信号图谱幅值高且稳定，信号与50 Hz相关性弱，与100 Hz相关性强，每个周波内峰值脉冲连续、不规则；同一水平带上，位置1的幅值明显高于位置2，信号最大值出现在位置1的下半部，整个测试过程中断路器本体上半部信号幅值均小于下半部。在罐式断路器内部，局部放电产生的电脉冲和部件松动引起的机械振动均能产生幅值异常的超声信号，为确定故障类型，对该断路器进行了SF6气体分解物测试，测试结果见表2。

表2 断路器A相SF6气体分解物测试结果

故障断路器SF6气体分解物测试结果正常，表明该断路器内部未经受电弧放电，综合超声局放图谱特征，初步认为操作断路器是机械振动导致零件松动。基于该异常不典型，且为了线路运行的安全，决定对该相断路器进行拆解、检查分析。

3.3 解体检查

经商讨，设备运行单位和设备厂家对该断路器进行了解体检查，主要检查罐体内各零部件状态及螺丝紧固力矩，包括导电杆、触头连接、积尘板、绝缘棒及罐体内清洁情况。发现积尘板表面有极少的颗粒物，螺栓紧固良好，力矩合格，未发现异常松动现象。在拆卸积尘板的固定螺钉前，轻拍积尘板，隐隐听到有轻微震颤声。经过仔细拍打研究，认为该声音是由积尘板发出，可能是积尘板与罐体内的安装台阶边缘轻微刮擦所致（图7中红色圈为出现震颤碰撞的积尘板位置）。

图7 积尘板解体检查照片

检查结束后，对罐体内部使用吸尘器进行吸尘，并对零部件进行清洁；然后安装、调整、紧固积尘板，再次进行轻敲试验，震颤声消失；最后，更换吸附剂和密封圈后恢复、安装端盖。

分析结果为该故障断路器超声信号异常为积尘板与罐体内的安装台阶边缘轻微刮擦所致。

4 结论

a.可在GIS运行状态下进行测试，对实施状态检修具有极其重要的意义。

b.超声波检测主要采用20 kHz以上频带，可不受外部噪声的干扰。但检测过程中，应注意避免敲打被测设备，防止外界振动信号对检测结果造成影响。

c.使用超声波局放检测可通过测得的连续波形、相位波形、原始波形对GIS内部典型绝缘缺陷进行识别。

d.通过本次故障表明超声波局放检测还应辅以化学法等其他方法联合确定故障性质。

e.虽然超声放电信号通过绝缘介质衰减较严重，灵敏度较差、定量分析较困难，但现场检测实践表明，当处于某一发展阶段的缺陷主要反应为振动信号时，超声波检测方法发现缺陷具有一定优势，且能够较精确地进行故障定位。

f.作为一种方便的带电检测手段，超声波局放检测能有效地发现设备内部存在的问题，是一种实用性高的非电量检测方法。

g.鉴于该缺陷为制造安装工艺引起的，建议运维检修部门在GIS设备交接试验时即进行超声检测，以便及早发现此类缺陷，且应及时对同型号、同厂家的断路器重点进行超声检测，检查是否还有此类缺陷存在，并及时处理。

［1］ 李景禄.高压电气设备试验与状态诊断［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［2］ 杜贵和，王正风.电力系统元件经济运行指标的统一［J］.东北电力技术，2013，34（8）：15-18.

［3］ 张新宇，姜万超，蒋大伟.辽宁省城市配电网配电变压器经济运行统计分析［J］.东北电力技术，2012，33（12）：43 -48.

［4］ 李齐森.提高供电可靠性的方法［J］.东北电力技术，2010，31（7）：34-36.

［5］ 王风雷.电力设备状态新技术应用案例精选［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［6］ 刘丰文，曹力力，姚建锋.GIS设备超声波局部放电带电测试研究［J］.湖州师范学院学报，2011，33（6）：31-34.

The Ultrasonic Charged Partial Discharge Test Method and Fault Analysis of GIS Equipment

ZHU Yi1，WU Jian⁃jun2，LIU Xu1，LI Bo1，WANG Shi⁃min1，ZHOU Gui⁃ping3
（1.State Grid Jinzhou Power Supply Company，Jinzhou，Liaoning 121000，China；2.State Grid of Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

GIS ultrasonic PD technique is one of the testing method of charged GIS equipment testing of partial discharge.Detection and analysis of defects can identify the fault position and fault properties，improve the level of fault diagnosis of GIS equipment.To en⁃sure safe，reliable and stable operation of power system，it introduces the principles，methods and typical spectra and judgment of ul⁃trasonic charged partial discharge test.By auxiliary examination method and spectrum diagnosis，it analysed abnormal reasons of a 220 kV tank SF6breaker ultrasonic PD and confirmed the fault location by the disintegration test.

GIS；Ultrasonic partial discharge；Typical spectra；Data analysis

TM595

A

1004-7913（2015）01-0033-04

朱 毅（1976—），男，高级技师，主要从事电力试验及相关技术管理工作。

2014-09-10）