基于超声波技术的GIS内部机械振动缺陷检测与分析

王 政 ，郭 峰 ，李秀国 ，冯新岩

（1.国网山东省电力公司滨州供电公司，山东 滨州 256610；2.国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

超声波局部放电检测技术的应用最早始于20世纪40年代，主要用于变压器局放检测中［1］。随着技术的不断发展进步，超声波局放检测的应用越来越广泛，范围涵盖了变压器、GIS、开关柜、电缆终端、架空输电线路等各个电压等级的各类一次设备。超声波局部放电检测作为开展设备状态检测的重要手段，具有抗电磁干扰能力强、便于实现放电定位等一系列优点。

在GIS设备进行超声波局部放电检测中，连续模式下，有效值或峰值超过背景噪声或50 Hz/100 Hz相关性出现时，可以判断存在异常信号。超声波局放检测可以发现GIS设备内部存在的尖端放电、悬浮放电、自由颗粒、机械振动等缺陷。其中机械振动信号最为复杂，50 Hz或100 Hz相关性和相位关系无固定规律。GIS内部存在机械振动时虽然不会像尖端毛刺、自由颗粒、悬浮电位引起内部的局部放电，但是设备内部长期的机械振动会造成内部部件的松动，可能进而引发更加严重的后果。

1 超声波技术检测GIS缺陷类型

当GIS设备内部存在局部放电及机械振动类缺陷时，会产生超声波信号，超声波信号向周围扩散并传导到GIS设备外壳。通过在GIS设备外壳上安装超声波传感器，可以检测到局部放电产生的超声波信号，进而判断GIS设备的缺陷情况。超声波局部放电检测可发现GIS内部缺陷类型包括：电晕放电、悬浮放电、自由颗粒、机械振动等，各种缺陷信息的判断特点如表1所示。

表1 不同缺陷类型的信号特点

GIS设备中每个元件结构、松动程度和振动强度均不同，机械振动信号较复杂，50 Hz或100 Hz相关性和相位关系无固定规律，在用超声波技术进行检测时，信号特征往往呈现出不同的特点。仅仅通过超声波检测时的波形特征很难对机械振动信号与局部放电信号（包括：电晕放电、悬浮放电、自由颗粒放电）做出准确区分。在工程应用中往往通过特高频局放检测对机械振动信号和局部放电信号做出区分。当GIS内部存在局部放电时，在产生超声波信号的同时还会产生电磁波信号，而机械振动作为一种非电类信号很显然通过特高频技术是检测不到的［2］。

2 常见GIS机械振动干扰信号

电气设备由各种零部件安装组成，设备运行过程中，外部条件或内部因素都可能会引起轻微的往复运动，这种往复性的物理过程属于机械振动［3-4］。在对GIS设备内部机械振动进行判断时，影响检测的干扰信号一般有两种：电晕噪声和磁滞噪声。

2.1 电晕噪声

外部较强的电晕噪声通常会在相近GIS设备外壳上产生明显的干扰。检测时可能会在壳体上测得明显异常信号，该信号一般具备典型电晕放电特征或悬浮放电特征，但通常幅值较小。

对500 kV某变电站500 kV HGIS超声波局部放电检测时，在50211A相开关气室开关处检测到明显超声波异常信号，信号异常间隔一次系统如图1所示。连续模式下峰值约为14 mV，50 Hz和100 Hz相关性明显，相位模式下峰值最大值约为19 mV，电晕噪声图谱如图2所示。

图1 信号异常间隔一次系统

图2 电晕噪声图谱

特高频局部放电检测和SF6气体分解物检测结果均未见明显异常。在现场检测时，母线接地开关（敞开式）位置能够提到明显的电晕放电声音，结合特高频检测和SF6气体分解物判断超声异常信号由外部电晕噪声引起。

对于电晕噪声的排除可采用比对法和遮盖法进行排除，比对法通过检测临近机构箱和端子箱上的信号对比识别，如临近机构箱和端子箱上有相似信号，则可判断为外部电晕噪声干扰。遮盖法采用吸音棉或吸音垫对异常信号部位进行遮盖，如信号明显减小即可最终判断为外部噪声。

2.2 磁滞噪声

对于钢材质的壳体，如内部负荷电流较大时，壳体上磁滞噪声可能对检测信号产生干扰；GIS电压互感器、电流互感器由于是铁芯结构，也会产生磁滞噪声。通常磁滞噪声干扰具有较明显的100 Hz相关性，幅值较小，略大于背景噪声水平，一般在较大区域均出现。

2.2.1 TA磁滞噪声

对220 kV GIS设备进行超声波局部放电检测时，在2号主变220 kV侧202间隔A、C相TA附近检测到超声异常信号，信号异常间隔一次系统如图3所示。信号幅值较小，最大峰值约1.3 mV（背景噪音0.5mV），但100 Hz相关性明显，约为0.07 mV，在相位模式下，点聚集为两簇，如图4所示。

图3 信号异常间隔一次系统

图4 TA磁滞噪声图谱

随后进行特高频局部放电检测及SF6气体微水检测、气体成分检测，检测结果均无异常，排除内部放电可能性。该站220 kV GIS的TA均为外置式，二次线圈套装在分支母线罐体法兰上。2号主变220 kV侧202间隔负荷电流较大，约600 A。TA铁芯在较大的电流负荷下会产生磁滞收缩效应，从而出现振动现象，进而影响到罐体及其外壳。由此综合判断该信号为受TA铁芯磁滞收缩引起的振动。

2.2.2 GIS钢罐体磁滞噪声

对某变电站220 kV GIS进行超声波局部放电检测时，在2号主变220kV侧GIS间隔、3号主变220 kV侧GIS间隔的开关、TA及母线等部位的罐体上，检测到特征相似的超声波异常信号，如图5所示。该类信号连续模式下100 Hz相关性明显，相位模式下，点较均匀的聚集为两簇，与悬浮放电信号相似，但幅值较小且广泛存在于除避雷器及PT罐体外的GIS三相壳体上。进行特高频局部放电检测及SF6气体微水检测、气体成分检测无异常。

图5 GIS钢罐体磁滞噪声图谱

信号出现的区域广，幅值小，与磁滞噪声信号特点相似，因此，判断可能为钢罐体磁滞噪声产生的信号。当对单相钢罐体的GIS进行超声测试时，由于导磁材料存在磁滞伸缩的现象，工频周期交变磁场改变磁化状态，引起振动噪声。这种情况下检测超声信号与背景噪声不同，并且可能出现100 Hz的频率相关性，形成了与悬浮放电相似的信号图谱，但此时引起的超声信号幅值较低（小于10 mV），对所有同类单相封闭GIS的各相测试结果都近似，区别于悬浮放电。同时，磁滞噪声大小与负荷电流大小有关，对比该站220 kV侧各间隔负荷电流，2号主变、3号主变间隔负荷电流约900 A，其余各线路间隔多为200 A左右。因两间隔负荷电流大，可明显检测到磁滞噪声信号，而其他间隔负荷电流小，磁滞噪声小，检测不明显。

3 GIS内部机械振动缺陷实例分析

GIS设备中每个元件结构、松动程度和振动强度均不同，这就决定了所受到的激励都是不同的，振动规律也各不相同。由于机械振动信号较复杂，超声波检测时，50 Hz或100 Hz相关性和相位关系无固定规律。在进行判断时多结合特高频局放检测及SF6组分分析进行诊断［5-6］。

3.1 案例1

在对500kV某变电站500kV GIS进行带电检测过程中，检测到某间隔断路器A相本体有明显超声波信号，信号最大值出现在该断路器-1开关侧断口部位，如图6所示，峰值约20mV，50Hz相关性及100 Hz相关性不明显，如图7所示。在该部位整个圆周上信号幅值变化不大，由此可判断信号源处于罐体中心的位置，即断路器内部断口或与TA一次导电杆连接处。

图6 信号异常部位

图7 超声波检测图谱

特高频信号及SF6组分检测未见异常，判断设备内部存在振动现象。检修公司人员连同技术人员对该断路器进行了开盖进入检查，检查内容包括断路器内有无粉尘、异物，螺栓有无松动。经检查，断路器内部腔体无粉尘异物；检查断路器各部位紧固螺栓安装标记以及弹簧垫压紧情况，无异常；检查静触头各触指，压紧正常，各部位无放电痕迹；在检查静触头座与均压环连接处时，发现有一金属部件明显松动，如图8所示，手指触碰检查存在约2 mm左右活动间隙。该部位与超声信号最大部位对应，分析认为是该部件在运行中电磁场力作用下，产生振动。

图8 松动部位

该断路器超声波局部放电检测出现异常的原因为均压环与静触头座支撑螺栓保护衬套串动引起，如该部件振动严重时会造成接触不良放电，其放电产生的粉尘会对设备安全运行造成较大影响，建议生产厂家严格控制安装质量，保证设备安全运行。

3.2 案例2

对500 kV某变电站500 kV HGIS设备开展带电检测工作时，在某间隔断路器C相本体处检测到明显超声波信号，如图9所示，信号最大值出现在该断路器C相断路器操作机构与内部导电连接处，峰值约9 mV（该区域背景噪音较大，1.6 mV），50 Hz相关性明显，相位模式下，点聚集为一簇，具有电晕放电特征，如图10所示。

该断路器本体部位无盆式绝缘子及内置传感器，只能通过上部开关处盆式绝缘子检测。检测时，在仪器前置增益打开的情况下，仅有轻微噪音信号，无相位特征，特高频检测未发现放电信号。该断路器三相SF6气体微水及成分检测结果合格。

该信号具有电晕放电特征，且幅值较高，但特高频检测未发现异常。由于特高频检测位置所限，距异常超声波信号所在位置较远，且经过两个转角，信号衰减大；另外内部电晕放电时特高频信号本就较弱，因此虽然特高频检测未发现异常信号，但不能排除电晕放电可能。由此综合判断设备内部存在电晕放电或机械振动缺陷。

图9 信号异常部位

图10 检测异常图谱

技术人员对该断路器进行了开盖进入检查。检查内容包括断路器内有无粉尘、异物，有无毛刺凸起，螺栓有无松动等。经检查，断路器内部腔体无粉尘异物，导体及罐体表面无毛刺；检查螺栓压紧情况，发现内部绝缘支架与导体连接部位有一连接螺栓松动，可较明显看到螺栓垫片存在间隙，如图11所示。其余各项检查正常，由此判断由于该螺栓松动，在运行中产生了较小的振动信号。绝缘支架与导体连接部位共有12颗螺栓，分析认为该螺栓在安装时力矩不够，在断路器分合闸操作过程中承受较大冲击力而逐渐松动。对螺栓进行紧固，恢复正常后送电。送电后进行超声波局部放电检测，信号检测正常，与背景值相同。

通过本次异常信号检查分析，找到了该间隔C相断路器超声波局部放电检测出现异常的原因，为内部支持绝缘子与导体连接部位一个连接螺栓松动造成。由于断路器操作时，该部位承受较大的冲击力，即使较小的松动，在操作过程中，也会逐渐加剧，最终导致故障。因此该部位的螺栓松动危害较大。建议生产厂家严格控制安装质量，特别是紧固螺栓的力矩检查，保证设备安全运行。同时，验证了超声波检测的有效性，在设备运行过程中，加强设备的带电检测，对发现设备存在的隐患有重要的作用。

图11 松动螺栓

4 结语

电气设备运行中通常都存在振动现象，设备的某一部分或者整体都可能存在振动现象。GIS设备内部的机械振动往往带来设备隐患，如内部螺丝、屏蔽装置、均压装置、导体或触头对接头等部位的松动、位移等，而随着设备内部件的松动或位移等现象的产生，设备受力不均，设备的振动情况将加重，如此往复，最终引起设备事故。

设备中的绝大多数机械性故障是可以通过设备内部的振动信息反映出来。通过对GIS设备内部机械振动信息进行诊断，可以了解其缺陷的发展程度及缺陷性质，进而制定相应的策略。