超声波、特高频局部放电联合定位方法的应用研究

郝海燕， 向 聪

(1.咸阳师范学院 物理与电子工程学院， 陕西 咸阳 712000；2.西安西拓电气股份有限公司， 陕西 西安 710049)

超声波、特高频局部放电联合定位方法的应用研究

郝海燕1， 向 聪2

(1.咸阳师范学院 物理与电子工程学院， 陕西 咸阳 712000；2.西安西拓电气股份有限公司， 陕西 西安 710049)

将GIS设备带电检测方法和故障定位技术相结合,通过500 kV GIS设备内部局部放电定位实例，验证了超声波法和特高频法联合定位的可行性、适用性。现场应用情况表明，两种方法相结合，能对GIS设备缺陷进行准确定位，为GIS设备安全运行提供有力保障。

超声波； 特高频； GIS； 局放定位

随着国家特高输电战略的逐步实施和建设智能电网计划的不断完善，GIS(Gas Insulated Switchgear)设备在整个电网中的应用越来越多。但在GIS制造、运输和现场安装、调试过程中存在着一些绝缘性缺陷。这些缺陷在GIS运行过程中可能会引发绝缘故障，甚至造成严重的系统事故[1]。GIS设备发生故障时，能否快速准确地对缺陷进行定位，是决定GIS检修效率的关键。因此，GIS局部放电定位技术在现场检修维护中受到了广泛关注。现场实践表明，超声波和特高频检测法相结合的联合定位方法，有效地弥补了单一诊断方法的不足之处，能及时有效地避免GIS设备在运行中发生事故，保证了电网设备的安全稳定运行。

1 电力设备局部放电定位方法

1.1 超声波局部放电定位方法

电力设备内部产生局部放电信号时，会产生冲击的振动及声音。可以通过超声波(Acoustic Emission，AE)法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。超声波法与传统方法比较，对自由颗粒放电很灵敏，定位准确度高。但由于超声信号在GIS环氧树脂绝缘材料中的衰减较大，对于盆式绝缘子上的颗粒放电和盆式绝缘子内部气泡引起的放电很难检测到[2]。超声波局部放电定位方法通常有幅值法和频率法。

1.2 特高频局部放电定位方法

特高频(Ultra high frequency，UHF)局部放电检测法基本原理是通过特高频传感器对电力设备中局部放电时产生的特高频电磁波(300 MHz≤f≤3 GHz)信号进行检测，实现对GIS等设备进行局部放电检测。

当GIS设备出现局放缺陷时，放电类型的准确定位能够极大的方便缺陷部位元件的查找及放电类型的诊断，提高检修工作的效率。然而，局放源的定位往往会受现场检测环境的影响。所以，局放源的定位通常是和现场干扰源的排除紧密结合[5]。特高频局放定位的方法通常有幅值比较法、时差法等。

1.3 超声波和特高频局部放电定位方法的优缺点

超声波局放定位具有灵敏度高、定位方便、抗电磁干扰能力强和适应范围广等优势，但对于GIS内部缺陷(如GIS盆式绝缘子内部气隙缺陷)存在不灵敏、检测范围小等不足之处。特高频局放定位具有检测灵敏度高、抗电晕干扰能力强、可实现局放源定位和便于识别绝缘缺陷类型等优点，但存在易受环境中特高频电磁波干扰的影响、对全封闭的电力设备无法检测等问题。因此，现场检测中将超声波和特高频局放定位相结合，发挥各自技术手段的优势，将会大大提高GIS设备故障定位的准确性和高效性。

2 超声波和特高频局部放电联合定位方法

2.1 检测方法

(1)使用特高频局放仪对GIS设备进行检测，当检测到异常信号时，距离放电源最近的传感器将会接收到最强的局放信号。同时对GIS进行多点检测，传感器收到信号最强最大的测点可能最接近局放源的位置。通过能量衰减法，可以将局部放电信号确定在某一段气室内。

(2)将超声波传感器贴在已确定的这段GIS气室外壳上，沿壳体轴向移动超声波传感器，寻找超声波信号幅值的最大点。

图1 超声波和特高频联合定位示意图

(3)在信号最大值点沿切面径向绕壳体一周移动超声波传感器，寻找超声波信号最大位置。在此过程中，可通过检测区域信号大小，以及在检测区域内信号变化情况，判断局放源在外壳附近还是位于导体附近[3-4]。一般来说，检测区域小，信号变化明显的，为外壳局放信号；检测区域大，信号变化不明显的，为导体局放信号。

(4)通过频率法验证局放缺陷的位置。根据SF6气体对高频信号的衰减特性，通过改变检测带宽，观察信号幅值变化来判断放电源的位置。检测带宽由10～100 kHz改为10～50 kHz时，信号变化明显的，局放源多位于壳体上；信号变化不明显，局放源多位于导体上[3-4]。图1为检测示意图。

(5)根据各种局放缺陷的放电特征，判断缺陷的放电类型，详见表1、表2。

表1 电超声波局放缺陷判据

2.2 适用范围

超声波和特高频局放联合定位法既可以对GIS设备、充SF6式罐式断路器和开关柜的局放检测，也可对变压器及电缆终端等设备进行检测。现场检测时，可根据被检设备的实际情况而确定。目前超声波和特高频联合定位技术在GIS缺陷诊断中应用最为广泛，诊断标准也比价完善。由于实际使用中，特高频检测法有一定局限性，仅能对有外置UHF传感器和无金属法兰屏蔽的GIS设备进行检测，对有金属屏蔽和全封闭电力设备无法实施该方法。因此，超声波和特高频联合定位技术多用于GIS设备的缺陷诊断中。

2.3 局放缺陷判据

通过超声波和特高频联合定位法确定出故障所在位置后，按照表1、表2所列判据对局放缺陷类型进行判断。

表2 典型缺陷局放图谱分析

3 电力设备局部放电检测现场应用

3.1 特高频局部放电检测仪应用

2016年7月，检测人员使用特高频局部放电检测仪对500 kV GIS设备进行带电巡检工作。该500 kV变电站一次设备主接线采用3/2接线方式，检测中在500 kV GIS设备Ⅰ母母线A相某盆式绝缘子处发现疑似局放信号，随后检测人员对局部放电信号进行定位。

由于500 kV GIS设备盆式绝缘子采用金属法兰结构，因此检测信号仅能通过盆式绝缘子上预留的浇筑孔传出。浇筑孔形状为矩形，长约8 cm，宽约4 cm。检测时需将浇筑孔上的盖板打开，将特高频传感器紧贴于盆式绝缘子的预留口上采集信号。Ⅰ母母线A相故障定位示意图如图2所示。

图2 故障定位示意图

Ⅰ母母线A相分支异常信号段有3个盆式绝缘子，测试位置如图2所示的a、b、c标记位置。其中a、b、c绝缘子处特高频局部放电检测仪的脉冲序列相位分布图谱(Phase Resolved Pulse Sequence，PRPS)和局部放电相位图谱(PhaseResolved Partial Discharge，PRPD)如图3—4所示，根据能量衰减法可以大致确定局放源位于哪段母线内。

(a) PRPS图谱 (b) PRPD图谱 图3 a绝缘子处PRPS和PRPD图谱

(a) PRPS图谱 (b) PRPD图谱 图4 b绝缘子处PRPS和PRPD图谱

(a) PRPS图谱 (b) PRPD图谱 图5 c绝缘子处PRPS和PRPD图谱

由测试结果可知，放电信号在工频相位的正、负半周均有，且具有一定对称性，放电信号幅值很大且相邻放电信号时间间隔基本一致，放电次数较少，放电重复率较低。PRPS图谱具有“内八字”或“外八字”分布特征，PRPD图谱放电信号主要集中在90°和270°附近。综上分析，异常局放信号与悬浮电位放电信号相吻合[6-9]。

b绝缘子处信号最强，c绝缘子处信号次之，a绝缘子处信号最弱。从结构图2中可以看出，在a与b之间检测时，信号在a绝缘子处有衰减，局放源可能位于b绝缘子附近；b绝缘子处比c绝缘子处信号强，b与c之间信号衰减很小，且c绝缘子处比a处信号强，可以排除局放源位于a、b之间的可能。由此可以判断信号来自b、c盆式绝缘之间。

3.2 超声波局部放电定位仪的应用

针对上述区域检测人员使用超声波局部放电定位仪进行检测，发现位于b、c盆式绝缘子之间GIS母线内置特高频传感器处超声波局放仪检测出异常信号，且信号幅值最大。超声波检测图谱如图6所示。

(a) 连续模式 (b) 相位模式 图6 超声波检测图谱

由检测结果可知，异常部位连续模式下，图谱中有效值为1.9 mV，最大值为9.6 mV，50 Hz相关性为0.26 mV，100 Hz相关性为0.24 mV；异常部位相位模式下，一个周期内有两簇信号聚集，信号主要聚集在90°与270°附近，100 Hz相关性明显，呈现出典型悬浮电位放电图谱。由以上分析可知，超声波局放仪检测到的图谱信息与悬浮电位放电特征相一致[3，10-12]。

综上分析，检测到异常局部放电信号为悬浮电位放电产生。经验表明，悬浮电位放电一般发生在断路器气室的屏蔽松动，PT和CT气室绝缘支撑松动或偏移，母线气室绝缘支撑松动或偏离，气室连接部位接插件偏离或螺栓松动等。

3.3 综合诊断分析及处理

根据检测结果及此段GIS母线结构图可以判断局放信号可能来自内置特高频传感器。现场检测人员在运行人员的监护下打开位于b、c盆式绝缘子之间特高频传感器盖板，听见内部明显异常放电声，与现场定位结果吻合。故障定位如图7所示。

图7 悬浮电位放电位置

现场检测人员将情况反馈给相关部门，随后相关部门结合检修计划对此故障进行处理。处理后再次对GIS设备进行复测，检测结果正常，放电现象消失。

4 结 语

通过500 kV GIS设备内部局部放电定位实例，验证了超声波法和特高频法联合定位的可行性、适用性。利用超声波和特高频联合定位法，将大大提高对GIS设备内部缺陷识别准确度，为今后GIS设备维护和安全运行提供有力保障。

[1] 李德军，沈威.GIS局部放电常规检测和超声波检测法应用比较[J].高压电器，2009，45(3)：99-103.

[2] 黎大建，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.

[3] 国家能源局.气体绝缘金属封闭开关设备带电超声局部放电检测应用导则DL/T 1250—2013[S].北京：中国电力出版社，2014.

[4] 国家电网公司.超声波法局部放电带电测试技术现场应用导则Q/GDW 11059.1—2013[S/OL].(2014-09-01). http://www.doc88.com/p-8955397607252.html.

[5] 邵先军，何文林，石华军，等.UHF传感器GIS局部放电检测特性的实验研究[J].高压电器，2015，51(1)：46-55.

[6] 李信，李成榕，丁立健，等.基于超高频信号检测GIS局放模式识别[J].高电压技术，2003，29(11)：26-30.

[7] 王鹏，刘明军，康琛，等.GIS设备特高频局部放电精确定位方法[J].江西电力，2016(11)：30-33.

[8] 丁登伟，高文胜，刘卫东.采用特高频法的GIS典型缺陷特性分析[J].高电压技术，2011，37(3)：706-710.

[9] 国家电网公司.特高频法局部放电带电测试技术现场应用导则Q/GDW 11059.2—2013[S/OL].(2014-09-01).http://www.doc88.com/p-2307739489653.html.

[10] 司文荣，黄华，傅晨钊，等.超声检测进行气体绝缘组合电器典型绝缘缺陷识别[J].高压电器，2011，47(12)：11-18.

[11] 郭志强，江秀臣，沈威.GIS放电定位技术[J].高压电器，2007，43(2)：140-142.

[12] 高凯，倪浩，司文荣.GIS局部放电检测及其波形特征分析[J].华东电力，2010，38(10)：1513-1516.

[责任编辑：谢 平]

Application of ultrasonic and ultra high frequency positioning method

HAO Hai-yan1, XIANG Cong2

(1.Department of Physics and Electronics Engineering, Xianyang Normal College, Xianyang 712000, China;2.Xi’an West Electrical Co., LTD, Xi’an 710049, China)

This paper introduces the live detection method and fault location related technology of GIS equipment, and combines two detection methods. Through the example of partial discharge location in 500 kV GIS equipment, the feasibility and applicability of the combination of ultrasonic method and UHF method are verified. The field application shows that the combination of two methods can accurately locate the defects of GIS equipment, and provide a strong guarantee for the safe operation of GIS equipment.

ultrasonic wave; high frequency; GIS; partial discharge location

TM855

A

2096-3998(2017)05-0031-06

2016-12-07

2017-08-05

咸阳师范学院校级科研项目(XSYK17009)

郝海燕(1974—)，女，陕西省渭南市人，咸阳师范学院讲师，硕士，主要研究方向为智能控制、高电压与绝缘技术。