超声波法在GIS设备带电检测中的应用
2022-03-20胡海敏陶佳唯潘麟朱梁田广亮杨晓彤韩飞
胡海敏，陶佳唯，潘麟，朱梁，田广亮，杨晓彤，韩飞
(1.国网上海市电力公司市区供电公司，上海 200080；2.上海格鲁布科技有限公司，上海 201210)
超声波法(Acoustic Emission，简称AE)是指通过对电力设备发生局部放电(Partial Discharge, 简称PD)时产生频率介于20～200 kHz区间的声波信号进行采集、处理和分析来获取设备运行状态的一种状态检测技术，又称声发射法[1-2]。超声波法由于灵敏度低，易于受到外界干扰等原因，一直没有得到广泛的应用。20世纪80年代以来[3]，随着微电子技术和信号处理技术的飞速发展，以及压电换能元件效率的提高和低噪声的集成元件放大器的应用，超声波法的灵敏度和抗干扰能力得到了很大提高[4]，其在实际中的应用逐渐得到了重视[5-7]。目前，超声波法在电力设备绝缘缺陷PD检测的应用具有以下特性。
(1)抗电磁干扰能力强[8]。目前采用的超声波法PD检测是利用超声波传感器在电力设备的外壳部分进行检测。电力设备在运行过程中存在着较强的电磁干扰，而超声波检测是非电检测方法，其检测频段可以有效躲开电磁干扰，取得更好的检测效果。
(2)便于实现放电定位[9]。确定PD位置既可以为设备缺陷的诊断提供有效的数据参考，也可以减少检修时间。超声波信号在传播过程中具有很强的方向性，能量集中，因此在检测过程中易于得到定向而集中的波束，从而方便进行定位。在实际应用中，GIS等设备常采用幅值定位法，它是基于超声波信号的衰减特性实现的;变压器常采用空间定位法，利用信号到达不同传感器的时差计算得到放电源的位置，目前已有比较成熟的定位系统。
(3)适应范围广泛[10]。超声波法PD检测可以广泛应用于变电站内各类一次设备。根据超声波信号传播途径的不同，超声波PD检测可分为接触式检测和非接触式检测[11]。接触式超声波检测主要用于检测如GIS、变压器等设备外壳表面的超声波信号[12-13]，而非接触式超声波检测可用于检测开关柜、配电线路等设备[14]。
当然，超声波PD检测技术也存在一定的不足，如对于内部缺陷不敏感、受机械振动干扰较大、进行放电类型模式识别难度大以及检测范围小等。与电测法相比，超声波的传播速度较慢，对检测系统的速度与精度要求较低，目其空间传播方向性强，所以超声波检测PD的研究工作主要集中在定位方面。此外，将超声波法与射频电磁波法(包括射频法和特高频法)联合起来进行PD定位的声电联合法成为一个新的发展趋势，在工程实际中得到了较为广泛的应用。
此外，超声波法在电力设备带电检测中也进行了一段时间的推广和应用，但在缺陷案例的累计方面还有所欠缺。本文主要就超声波法在GIS设备带电检测中的应用和分析方法进行介绍，并结合一起母线接地刀闸异常振动案例对超声波法在GIS设备异常振动检测中的有效性进行了验证。
1 GIS超声波法PD检测
超声波法PD检测的基础是PD源可视作产生声波的点声源。GIS设备内部常见缺陷(如毛刺、悬浮电位和金属颗粒等)作为PD源，会激发超声波信号。这些声波通过GIS设备的内部结构传播并到达GIS外表面。不同类型的波具有不同的传播速度，并且边界处的反射和折射将导致衰减、吸收和散射。通常借助于压电传感器(常用的方法见图1所示)、结构声学共振传感器、加速度传感器、电容式传声器或声光传感器来检测声波并将其转换成电信号。通常用dB、mV等单位来表征超声波信号强度。GIS超声波定位通常使用传播时间测量方法，即使用两个传感器，在示波器上观察来自传感器信号的到达时间。如果信号源位于传感器对之外，则信号来自它首先到达的一侧。如果信号源位于传感器对之间，则到达时间的差值小于传感器对之间的传播时间。也可以通过寻找最高幅值，即只使用一个传感器，可以简单地寻找信号幅值的变化；当传感器靠近PD源时，信号通常会更强；当移动至下一个气室时(例如越过绝缘子或法兰)，信号将显著下降。
图1 GIS超声波法检测PD示意图
1.1 PD图谱显示
超声波法PD检测图谱显示主要分为：①连续幅值、②相位(PRPD)、③飞行以及④实时模式(PRPS)图[15]。连续幅值模式图谱通常包含4个参数，为有效值、峰值、频率成分1、频率成分2。如图2(a)所示：有效值和峰值是指一个工频周期(20 ms)内超声信号的有效值和最大峰值，频率成分1和频率成分2是对超声信号进行傅里叶变换后得到的对应于幅频特性曲线上50 Hz和100 Hz频率处的幅值。频率成分1和频率成分2主要用于表征PD与工频周期的相关性，由于PD通常发生在工频周期峰值附近，故PD信号与工频周期具有一定的相关性，这种相关性可用于判断信号是否为PD信号以及PD类型。
相位(PRPD)模式图谱是将N个(N一般为1 000)超声信号对应的工频周期相位和超声信号的幅值绘制成散点图，如图2(b)所示。其主要用于统计超声信号的相位分布特征，由于PD一般发生在工频电压峰值(90°和270°)附近，故PRPD谱图可以区别超声信号是否由于PD造成的。并可用于区分PD类型。虽然PRPD谱图与连续幅值谱图中的50 Hz分量、100 Hz分量都可用于表征PD信号与工频周期的相关性，但PRPD谱图包含的信息更丰富。
飞行模式图谱通常包含2个参数，分别为相邻脉冲发生的时间间隔和脉冲信号的幅度，它是专门用于检测自由金属颗粒的图谱，如图2(c)所示。
实时(PRPS)模式图谱为三维图谱，将脉冲信号按照工频相位—幅值—工频周期三个维度进行绘制。该图谱记录了最近若干个周期脉冲信号的工频相位-幅度分布情况。根据实时动态实时模式(PRPS)图谱显示功能，现场测试时可以帮助用户快速判断设备内部是否存在疑似放电信号，如图2(d)所示。
图2 GIS超声波法检测PD谱图显示四类模式
综合4类模式谱图特征，可判断PD类型，并结合电气设备内部结构特征及超声定位结果推断PD部位及严重程度。
1.2 图谱诊断
根据图谱的统计形状判断是否存在PD，并诊断PD的类型。从统计学角度来说，样本数越多，统计结果越准确。因此现场检测时对于疑似放电信号必须尽可能多地累积PRPD图谱，以达到准确的诊断结果。目前，根据现场数据积累以及验证，超声波PD检测的典型图谱如表1所示。
表1 超声波典型图谱
1.3 缺陷类型判断
缺陷类型判断的主要依据如下。对于运行中的GIS 设备，颗粒信号的幅值：背景噪声峰值Vpeak<1.78 mV可不进行处理，1.78 mV
毛刺一般在壳体上，但导体上的手刺危害更大。只要信号高于背景值，都是有害的，应根据工况酌情处理。在耐压过程中发现毛刺放电现象，即便低于标准值，也应进行处理。
电位悬浮一般由断路器气室的屏蔽松动、PT/CT气室以及母线气室的绝缘支撑松动或偏移、气室连接部位接插件偏离或螺栓松动等导致。GIS内部的悬浮电位应加强监测，有条件及时处理。对于126 kV GIS，如果100 Hz信号幅值远大于50 Hz信号幅值，且Vpeak>10 mV，应缩短检测周期并密切监测其增长量,如果Vpeak>20 mV，应停电处理。对于363 kV和550 kV及以上GIS 设备，应提高标准。
电磁力、电动力、磁致伸缩引起的振动。电磁力引起的振动：当铁磁共振时，3倍的磁密度的增加将导致励磁电流电压互感器的正常值过大，正常电流可能达到数百甚至数千倍，由于过度励磁，PT会引起不正常的嗡嗡声，从而引起GIS外壳的剧烈振动。电动力引起的振动;当电流通过母线时，在电动力的激励下导致结构振动并产生噪音，由于管状母线套管的放大效应，便产生异常响声及振动。
2 母线接地刀闸异常振动案例
2021年6月14日对扬州站110 kVGIS进行带电检测时，检测出 “篮杨1A021开关处的母线接地刀闸气室”存在超声波异常信号。同时在相应气室均未检到特高频PD异常信号。
选择GIS金属支架的超声测量值为本次超声检测的背景值。测试时相位同步方式为内同步自动同步，检测背景值图谱如图3所示。篮杨1A021开关处的母线接地闸刀气室超声波检测位置如图4所示，其中测点1为相邻设备测点；测点2为母线接地刀闸最大点位置。
图3 篮杨1A021开关处的母线接地闸刀气室超声波检测背景值
图4 设备现场测试布点
篮杨1A021开关处的母线接地闸刀气室整体存在振动信号，与相邻设备及背景幅值存在明显的差异，且在测试中可明显听到设备运行所产生的声音，最大时超声波幅值可达到7.6 mV左右，最小时为1.9 mV左右。篮杨1A021开关处的母线接地闸刀气室超声波检测典型图谱进行分析，如图5所示。连续模式下，50 Hz/100 Hz频率相关性较低；对比背景信号，幅值有所降低，相位模式下波形相同，分布呈现竖条状，具备振动特征。
图5 篮杨1A021开关处的母线接地闸刀气室超声波典型图谱
依据Q/GDW 11059.1—2013《超声波法PD带电检测技术现场应用导则及国家电网公司变电检测管理规定(试行) 第4分册 超声波PD检测细则3》，对篮杨1A021开关处的母线接地闸刀气室振动信号连续模式及相位模式图谱综合分析，连续模式下50 Hz/100 Hz频率相关性较低，相位模式下，分布呈现竖条状，具备机械振动特征，故判断此信号为机械振动信号。
对存在异常信号的气室进行了X射线探伤检测，结合设计图纸发现气室内部连杆处缺失一枚垫片，从而产生了异常振动信号，垫片位置和超声波法定位结果相吻合。
3 结语
本文主要对超声波法在GIS设备带电检测中的应用进行了介绍，包括基于接触式压电传感器检测时获取超声信号的四类图谱，即连续幅值、相位(PRPD)模式、飞行模式和实时(PRPS)模式图谱，以及图谱诊断和相应的缺陷类型判据。并通过扬州站110 kV GIS “篮杨1A021开关处的母线接地刀闸气室”异常振动信号分析验证了超声波法在GSI设备带电检测中的有效性。证明了超声波法不但可以发现电力设备的绝缘放电缺陷，对机械振动缺陷也有一定的检测能力。
