变电站GIS设备局放声电联合检测与定位方法研究

叶旺，李忠虎，张继红

（1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头，014010；2.内蒙古自治区光热与风能发电重点实验室，内蒙古包头，014010；3.北京华天机电研究所有限公司，北京，100000）

0 引言

GIS（Gas Insulated Switchgear，气体绝缘金属封闭组合电器）是一种将电力系统中除变压器以外的一次设备（如高压隔离开关、断路器、电压互感器、电流互感器、母线、电缆终端等）经过严密设计有机地组合在一起并充以六氟化硫气体作为绝缘介质的组合电器[1]。GIS设备由于具备检修周期长、运行安全可靠、节省占地空间等优势，在我国电力领域的应用极为广泛，但同时GIS设备也存在缺陷不易诊断的问题，这与其内部封闭的结构存在直接关联[2]。在出现故障前后，电气设备存在多种特征信息，如声、光、电、热、气等，基于不同的的特征信息，超声波局放检测、红外热像检测、特高频局部放电检测、SF6气体状态检测等多种带电检测技术得以出现[3]。近年来，，国内外围绕光学、化学、超声波等监测技术开展了大量研究，如基于硅光电倍增器（SiPM）的新型局部放电弱光检测传感系统、基于SF6气体酸性分解产物浓度与放电类型综合评估诊断法、针对自由漂浮杂质超声波绝缘分析法[4]。此外，有限时域差分方法、相位门极控制方法、宽带电磁波监测小波法、基于局放电磁频率信号相位差的超宽频带UHF无线电抗干扰分析法等方法也属于研究热点[5]。虽然在局部放电检测技术中，各种检测方式都有其优势，但是也都存在着其明显的局限性，因此只依靠单一的检测方式，很难保证检测结果的可靠准确性，尤其是在具体实践中，局放源精确定位问题仍不能足够准确，很多时候仅能够粗略地判断出局部放电源位于传感器的左右方向[6]。本文采用一种声电联合检测技术对GIS设备局部放电缺陷进行检测并对故障原因进行分析，同时实现GIS内部缺陷严重程度、缺陷类型及具体位置判断等功能，为GIS局部放电故障检测提供一个较全面可靠的解决方案。

1 声电联合检测与定位方法研究

为了直观展示GIS设备局部放电声电联合检测与定位方法，本节将结合某变电站局部放电故障实例，对声电联合检测技术进行深入探讨，包括声电联合检测流程、干扰处理、局放源位置分析、故障原因分析及设备解体验证等。

1.1 声电联合检测技术基本原理

声电联合检测技术属于本文研究核心，该技术由超声波局部放电检测技术和特高频局部放电检测技术组成。当GIS设备内部出现极小范围的局部放电时，周围会出现迅速畸变的巨大电场并击穿附近所有的绝缘介质，然后产生上升时间小于1纳秒的脉冲电流，从而激发频率高达数吉赫兹的电磁波[7]。特高频局部放电检测技术依托UHF传感器，能够对局部放电产生的一定频率范围内的电磁波信号进行检测，从而获取局部放电的相关信息。该技术一般拥有300MHz～3GHz的频谱检测范围，检测频率高且带频带范围广泛，可自动滤除300MHz以下的低频段电晕干扰，拥有灵敏度高、抗干扰能力强等特点，因此在检测、定位GIS设备局放类缺陷方面具备较高实用价值，同时可实现故障类型判断[8]。

当GIS设备内部发生局部放电时，机械振动也会同时出现，将测量局放超声波信号的传感器放置于设备腔体外壳上即可实现对放电信号的测量，这就是局部放电超声波检测技术。该技术拥有20～200 kHz频段的检测范围，一般采用的传感器类型为压电陶瓷材料谐振式，并采用同轴电缆与检测主机进行信号的传输[9]。由于电力设备的电气回路与该技术采用的传感器间不存在电磁方面的联系，这就使得传感器不会受到电气方面的干扰，但非局放故障造成的设备机械振动或周围环境噪声可能在技术应用中造成一定影响[10]。声电联合检测示意图如图1所示。

图1 声电联合检测示意图

通过综合应用上述两种技术，即可在电力设备局放检测过程中同时对超声信号、UHF信号进行分析，以此来对比判断，可顺利实现外部干扰的有效排除，开展精确度更高的局放类型检测。对于GIS设备局部放电来说，采用声电联合检测技术需要在盆式绝缘子表面放置UHF传感器，在GIS筒体外壳设置超声传感器，然后检测仪器的主机部分负责处理传感器反馈的局放信号，由此可实现局放定位分析、模式识别与绝缘水平诊断等功能。

1.2 故障案例介绍

某110kV变电站的某技术人员某天发现1号主变110 kV 2802开关母线侧靠近280221隔离刀闸的断路器气室和CT气室附近断断续续出现轻微“滋滋”异响，该技术人员凭借丰富的工作经验判断该处设备内部可能是出现了因螺丝松动引起的局部放电缺陷并立即上报，该单位立即组织技术人员开展局部放电带电检测，考虑到故障点附近带电设备情况复杂，为实现局部放电故障精确诊断与定位，决定采用特高频检测（UHF）和超声波检测（AE）的声电联合检测法。

1.3 声电联合检测流程

在声电联合检测过程中，需首先排除可能存在的干扰源。其次，利用特高频局放检测技术在设备周围进行局部放电信号的定性检测，若检测完成后未在设备周围发现局部放电信号，则可以判断出信号来源于GIS腔体内部，此时需要在设备外壳上选几个方便有利的位置布置UHF传感器进行检测并进行故障的初步定位，然后根据检测到的信号特征与局部放电典型图谱进行对比，从而对局放类型进行判定，最终给出判定结果并完成数据的上传和保存。接下来进一步开展超声波局放检测，将超声波检测范围为20～100 kHz的压电陶瓷传感器置于GIS腔体外壳，然后不断调整传感器位置以寻找信号幅值最强点，通过比较分析超声波信号幅值的方式锁定局部放电故障源。需要注意的是，检测前需要先对现场的背景信号进行测试，这一过程需保证测定方式的合理选择，保证异常信号点不会在检测过程中被遗漏。在发现异常信号后，采用频率或幅值分析的方法实现信号源定位，此外，设备内部结构的交变电磁场、振动等干扰因素对实验结果的准确度可能造成的影响也需要得到重视[11]。最后，在对测试结果进行综合分析判定后对数据进行保存。检测流程如图2所示。

图2 现场声电联合检测流程图

1.4 干扰信号处理

对于变电站GIS设备来说，周边设备电压等级高，干扰信号纷乱复杂，而且干扰信号强度较大，在现场对问题设备开展声电联合检测时对干扰信号很难识别。为了更好接收有效局部放电信号，首先就要采取一定措施消除干扰信号[12]。

本案例采取的措施是：运用UHF传感器和AE传感器检测目标设备周围设备及空气中的背景噪声，判断背景干扰是否会对正常检测造成影响，如果背景干扰信号幅值较大，则需采取措施尽最大可能降低外部干扰信号对测试结果的影响。其中，UHF检测法排除干扰信号的主要手段有屏蔽带法、滤波器法、背景干扰屏蔽测量法。AE检测方式排除干扰的手段是在要检测的物体表面涂抹专用耦合剂并对传感器施加压力使其紧贴物体表面并保持静止。

因此，为了排除干扰，提高有效信号信噪比，本次对故障GIS设备实施特高频检测时有针对性地采用了屏蔽带，具体措施是采用屏蔽带包将盆式绝缘子和特高频传感器完全包裹，令外部干扰信号无法进入GIS设备内部气室和传感器内部。另外，由于大量试验结果显示，变电站内的电磁干扰信号频率一般集中在300MHz以下，由此信号采集回路中串联了300MHz及以上的高通滤波器进一步滤除大部分的高频段干扰信号，这样即可有效屏蔽外部干扰信号。

该单位人员通过利用特高频检测仪器开展带电检测，发现靠近A、B、C三相隔离刀闸附近2202间隔气室的盆式绝缘子位置时，特高频PRPS图谱有明显的局部放电特征信号，另外对比采取消除干扰措施前后的特高频PRPS图谱可以发现，背景干扰信号在采取屏蔽措施后显著降低，同时存在明显增大的局部放电信号，如图3所示。在对比不同距离下盆式绝缘子上的UHF传感器采集到的信号幅值后，确定2202间隔气室内部为局部放电信号源头。

图3 采用屏蔽措施前后特高频PRPS图谱

通过分析可知，盆式绝缘子与UHF传感器的距离越近，则存在越强的放电信号，这就说明GIS设备内部为前述局部放电信号的来源。结合上述分析可以发现，在设置屏蔽带实现外界干扰减少后，对信号强度开展了针对性分析，通过改变盆式绝缘子与传感器间的距离，可发现GIS设备内部为放电信号源头，放电信号并非来自外界干扰。

1.5 局放源位置分析

为实现GIS设备局部放电的定位，需采取针对性措施锁定局放源的准确位置，具体可从确定局部放电相入手。考虑到案例变电站采用分相式结构的GIS设备，因此具体放电相的确定需综合应用声电联合检测技术。首先运用超声波检测方式对局放源位置进行大概定位，超声波局部放电测试仪器采用挪威TransNorAs厂家的AIA-2型号。具体实践措施是，依次分别在2202间隔A、B断路器气室和B、C断路器气室还有A、C断路器气室固定两个超声探头，采用连续模式和时域模式对目标位置进行检测，连续检测模式和时域检测模式下的测量结果如图4所示。

图4 GIS断路器气室超声波连续模式测量结果

分析图4和图5可以发现，相较于B相和C相的局放超声波信号幅值，A相信号幅值明显较大。同时由时域模式检测结果得知，A相信号在时间上明显超前于另外两相信号。分析2202间隔A相、B相和C相图谱可知，A相放电信号超前于B相信号23ms，超前于C相信号31ms。有针对性地对比检测得到的数据能够发现，相较于2202间隔B相和C相点，A相信号明显最强且时间上超前，因此可确定2202间隔A相为放电源位置。

图5 GIS断路器气室超声波时域模式检测结果

为锁定局放源位置，还需要设法确定放电气室，由于盆式绝缘子将断路器气室与设备CT隔离，因此适合采用一对特高频传感器利用时间差法来定位放电气室，检测仪器采用北京博电新力电气的PDU-600特高频局放检测仪，操作方法是在2202间隔A相具体选择两个测试点A和B，分别是CT气室与母线隔离刀闸间的盆式绝缘子，以及出线方向上断路器对应的第一个绝缘子，利用两组特高频传感器探头分别对选定的两个点进行UHF周期图谱检测，其中选择盆式绝缘子作为测试点的原因是防止GIS金属壳体屏蔽局放产生的电磁波信号，影响检测结果的准确可靠性。分析UHF周期图谱可以发现，两个测试点几乎是同一时间出现第一束局部放电脉冲，都是在25ms附近，且幅值相差不大，如图6所示。

图6 2202间隔A相UHF周期模式检测结果

结合两个测试点，可判断两个测试点中间位置为放电点位，即CT气室和断路器的中间位置。在CT气室和断路器位置放置两组超声传感器继续进行超声波时域模式检测，测量结果如图7所示。

图7 CT气室和断路器气室超声波时域模式检测结果

对比测量结果可以发现，相较于CT气室的超声信号，断路器气室信号明显超前，同时存在更大的幅值，因此可确定断路器气室为放电源。然后进行放电平面的确定，按照不同水平高度在断路器外壳设置一组超声波传感器，选定断路器气室外壳的底部、上部、中部作为放电平面，测量结果如表1所示，结合超声波时域检测模式测量图谱分析能够发现，底部测试点信号幅值为12dB，相较于中部测试点幅值略高，而且信号在时间上略超前。相较于底部测试点，上部测试点存在明显偏低的信号幅值且在时间上明显滞后，最终可判定断路器气室底部位置为放电源。

表1 断路器各放电平面局放超声波信号幅值

1.6 故障原因分析及设备解体验证

进一步开展故障原因分析，结合上文分析可以发现，特高频局部放电信号间歇性出现在2202间隔A相断路器气室内置传感器处，结合技术应用导则，对比特高频检测局放典型图谱和检测结果能够发现，检测结果波形存在稳定较大的脉冲幅值和基本一致的放电时间间隔，同时存在无极性差异的正负半波检测信号，具有相位对称性且放电次数较少，符合常见局部放电类型中悬浮电位放电的特征，因此可判断悬浮电位体放电（悬浮金属体放电）为造成特高频信号出现异常的原因。结合断路器内部结构图开展进一步分析，并参考类似故障，可判断导体与支撑绝缘筒连接处为故障位置，故障原因极有可能是紧固均压环的螺栓松动引发悬浮电位放电；基于上述判断，同时参考SF6气体湿度检测、SF6气体成分检测等检测结果，在针对性开展设备停电解体后，技术人员发现断路器气室底部紧固均压环的螺栓与垫片未紧密接触，故障实际位置与上述分析判断的误差不超过5cM，故障部位如图8所示。

图8 均压环紧固螺栓与垫片未紧密接触故障

接下来开展针对性的设备解体检修，在相关试验结果合格后投入运行，之后针对性进行带电检测，特高频检测未能在该间隔设备处发现异常信号，可最终判定设备运行正常，这说明局放源位置能够通过声电联合技术准确锁定，本文研究的GIS设备局部放电联合检测与定位具备较高实用性，能够较好保障设备安全稳定运行。

2 结论

GIS设备局部放电联合检测与定位需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的声电联合检测原理、声电联合检测流程、干扰处理、局放源位置分析、故障原因分析及设备解体验证等内容，则直观展示了GIS设备局部放电联合检测与定位路径。实际上，在应用声电联合检测的具体实践中，还可能遇到异常信号检测精确性不高、外界信号干扰、专家分析系统智能性不足、评估无法量化等问题，这些问题也需要设法解决，是未来的研究方向。