基于超声波检测技术的GIS内部自由颗粒缺陷分析

岳 美，杨秀龙，许景华，孙 明，黄文心

（国网山东省电力公司日照供电公司，山东 日照 276826）

0 引言

气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）设备因其占地小、环境友好的特点在变电站中得到广泛应用，但在GIS 内部缺陷导致的局部放电影响设备正常运行时，停电检修往往需要多个气室设备配合停电，影响范围和处理难度较大。根据调查统计，GIS 设备局部放电中异物放电占比最高［1］，主要原因为GIS 内存在金属异物或其他杂质。GIS 内异物为设备投运前遗留或设备运行操作过程中产生，加强GIS 设备投运前和运行中的局部放电检测对预防设备故障发生尤其重要。

超声波局部放电检测能够捕捉设备内部缺陷时产生的超声波信号，通过与其他声、电、光、化学检测技术综合应用［2-5］能够有效发现GIS 设备内部缺陷。超声波局部放电检测抗电磁干扰能力强，检测图谱能够体现设备自由颗粒特征，对异物颗粒导致的放电比较敏感，在GIS设备局部放电检测中应用广泛。

针对某220 kV变电站新扩建设备超声波局部放电检测情况，通过物理分析、图谱对比判断局部放电情况，经解体检查确定分析的准确性，避免设备投运后故障发生。

1 超声波局部放电检测技术

1.1 检测原理

GIS设备内部存在绝缘缺陷或异物颗粒时，气室内局部场强发生畸变［6-7］，严重时会诱发沿面闪络或其他设备故障。局部场强畸变引起设备局部放电时，放电点分子间剧烈碰撞并在瞬间形成超声波脉冲，一部分脉冲信号通过SF6气体传到外壳，一部分通过导体、绝缘子等传到外壳，通过贴紧在外壳上的压敏传感器接收外壳上的超声波信号，经处理终端对超声波信号进行分析。

1.2 检测流程和难点

超声波局部放电检测仪接收设备内部局部放电产生的超声波信号，检测的信号与放电源不存在直接电气联系，因此抗电磁干扰能力较强。与电磁波相比，超声波信号传输速度慢，便于放电点的准确定位。但超声波在介质传播过程中信号衰减较快，在现场检测过程中，要周密选取检测点和间隔距离，以免漏测放电点；同时与检测GIS 设备内超声波信号相比，外部干扰源信号更容易传至传感器，超声波局部放电检测过程中要充分排除干扰，以免外部干扰源信号过强时覆盖局部放电信号。超声波局部放电检测现场应用基本流程如图1所示。

图1 检测流程

2 GIS设备缺陷分析应用

2.1 缺陷分析过程

某变电站新扩建GIS 设备交接试验，通过串联谐振试验装置进行交流耐压试验合格后，对220 kV待用一212 间隔A 相设备施加160 kV、频率98.8 Hz电压进行局部放电检测，检测发现212-3 开关A 相气室超声波信号异常，特高频及SF6分解产物检测正常，检测过程异常信号间歇性出现，声音不稳定且出现多次变化。对该间隔进行3 次长时间的持续检测，各次检测信号幅值最大位置如图2 所示，集中位于-3开关与-D5接地开关之间，见图2中红圈处。

图2 检测位置

第1 次检测时，声音为明显类似颗粒放电声音，放电信号不稳定存在明显间歇现象，位置如图2 中①所示；第2 次检测时，声音为明显振动声响，位置如图2中②所示，位置降低；第3次检测时，再次出现明显放电声音，位置如图2 中③所示。各次检测信号幅值如表1所示。位置①的检测图谱如图3—图5所示，位置③检测飞行图谱如图6所示。

表1 检测数据 单位：mV

图3 第1次检测超声波幅值

图4 第1次检测超声波飞行图

图5 第1次检测超声波波形

图6 第3次检测超声波飞行图

由表1和图3可知，该气室超声波周期最大值明显大于背景值，将仪器检测频率从50 Hz逐档位调整至100 Hz，周期最大值无明显变化，频率成分1 和频率成分2均为0，3次检测均表现相同的幅值特征。

图4 和图6 均显示出典型的三角驼峰状自由颗粒放电图谱，两次幅值最大位置不同，说明颗粒在腔体存在明显移动。从颗粒跳动超声波信号的幅值、飞行时间可知，两次测得的跳动信号幅值最大值均在10 mV 左右，根据以往相同电压等级自由颗粒放电检测幅值判断，腔体内异物颗粒撞击壳体的动量较大，但两次信号飞行时间均较小，说明颗粒受电场力驱动自由移动到高场强区域能力较小。

根据设备结构和检测过程绘制气室内部颗粒运动如图7 所示，GIS 罐体内异物颗粒当设备未通电时，其处于静止状态；当设备通电后，由于静电感应效应，异物颗粒会带电荷，与外壳及其他部分碰撞也会带有电荷，当场强逐渐增加，库仑力等电场力在重力相反方向上的分量大于重力时，颗粒从气室底部浮起，随着电场力的变化发生跳跃，并与壳体发生碰撞，由于该气室下方盆式绝缘子为水平布置，由3 次检测结果可知，异物颗粒落在绝缘盆上的概率较大，由于颗粒运动的随机性，有导致设备沿面闪络的可能性，因此需要对设备进行检查处理。

图7 颗粒运动

2.2 缺陷处理情况

为避免设备带病投运，检修人员协同厂家技术人员对220 kV 待用一212-3 开关A 相气室进行开盖检查，发现开关气室下部盆式绝缘子上存在一个白色树脂环状异物，如图8、图9 所示，该间隔GIS 为厂内装配并整间隔运输至变电站现场，白色树脂环状异物非开关气室内设备附件，分析该异物为设备在厂内装配时遗留。随后对气室彻底清理后，再进行局部放电检测复测，超声波和特高频局部放电检测未见异常。

该组合电器在驻厂监造时已对断路器、开关200次磨合和清理情况进行抽验，并检查装配记录合格。从3 次带电检测情况分析，此次异物由气室上部掉落到下部盆式绝缘子上。在厂内装配、磨合试验清理后应对设备进行彻底检查，检查部位不仅是下部盆式绝缘子或壳体，应同时使用内窥镜对设备进行彻底检查。设备厂内预装后应加强局部放电检测，减少同类缺陷发生。

图8 220 kV待用一212-3开关A相气室内异物

图9 异物取出

3 结语

超声波局部放电检测可以有效发现GIS 设备内部的异物放电等缺陷，对GIS 内非金属异物也具有一定敏感性，交接试验非50 Hz试验频率进行局部放电检测时对颗粒放电类型判断影响较小，但对其他放电类型判断有一定影响，测试时需要结合现场试验电压频率选择相应的测试频率，对测试频率分量、2倍测试频率分量的相关性进行判断，应注意结合设备具体结构对检测结果进行分析，同时注意超声波、特高频等不同检测方式的联合应用，保证测试结果的全面性，并加强送电后工频运行电压下设备局部放电检测。