GIS超声局部放电检测技术

摘要：声学检测法可以在设备不停电情况下检测出GIS内部是否存在局部放电现象，并可根据检测数据对GIS内部缺陷类型和放电位置做出判断，这样便可以根据检测结果来指导GIS的检修工作。实际应用效果证明，应用该技术可有效降低GIS故障发生率，确保了GIS设备的安全稳定运行。

关键词：GIS；局部放电；声学检测法；在线检测

1  引言

气体绝缘金属密封开关设备（GIS）因其具有体积小、占地面积少、受外界环境影响小、内部元件（包括绝缘件）运行寿命长等优点，已经广泛用于高压输变电系统中。但是从运行情况来看，事故和故障仍然时有发生，这不仅仅由加工、装配、运输和现场安装产生的缺陷引起，而且还必须考虑到运行中的部件老化、操作引起的部件移位等因素[1]。

据经验统计表明：60%以上的GIS内部局放故障是可以预先检测的，因此采用先进的GIS现场试验及在线故障诊断技术，可以预先发现，及时进行处理。GIS设备绝缘缺陷检测方法主要有传统试验方法和在线测试方法两大类：传统检测方法即电气局部放电法；在线测试法包括超高频（UHF）测量法、甚高频（VHF）测量法和超声测量法。其中甚高频测量法已经基本不再采用，国际大电网CIGRE推荐采用超声测量法[2、3]。

2   GIS内部局放起因

GIS绝缘系统中的缺陷可能是单元在工厂制造过程产生的和/或在现场安装过程产生的，也可能是在正常运行中产生的（例如快速接地开关或断路器的操作产生的颗粒）。

其中最重要的缺陷有如下几种：

（1）带电或接地部分上的凸起将使电场局部增高，这种缺陷对交流耐受电压水平影响较小，因为交流电压变化缓慢，顶部的电晕有时间形成空间电荷使顶端受到屏蔽。对于雷电冲击或隔离开关操作产生的极快波前瞬态电压，它们的持续时间太短，不足以形成空间电荷，因此这种类型缺陷将使雷电冲击耐受电压水平大大降低。

图1  GIS的内部局放

（2）自由移动颗粒的存在可能使交流耐受电压水平明显降低，降低的多少取决于颗粒的形状和位置；颗粒越长而且越接近高压导体，危险性越大，如果它们移动到支持绝缘子上，则变得更危险。绝缘子上的颗粒随着时间的推移也可能使绝缘子表面劣化，从而引起闪络。

（3）如果电场屏蔽层发生机械松动，则可能形成电位悬浮。如果松动的屏蔽正好在带电的电极上，则会引起屏蔽和电极之间产生大的放电。

（4）绝缘子内部的缺陷将使放电上升、产生电树枝并可能引起击穿。

3  超声局放检测流程

当GIS内部有局部放电发生时，其释放的能量使SF6气体周围的温度升高，从而产生瞬时的局部过压，所形成的扰动以声波的形式传播，传播到金属外壳后会在外壳上传播。在外壳上用特制的声探头可检测到传播波，这样就可以间接发现设备内部存在的局部放电。而如果在GIS内部有金属微粒存在，微粒在电场力与重力作用下会在内部跳动，碰撞金属外壳，从而产生一定频率的声波，这同样可以用声探头进行检测。超声传感器的频带约为10～100千赫兹，以避开铁芯的铁磁噪声和变压器的机械振动噪声，工作原理如图2所示：

图2  声学检测法原理图

具体的检测流程如图3所示：

图3   GIS超声波局放检测流程

4  缺陷的识别与定位

4.1  缺陷识别

根据图3流程图，如果仪器检测到有50Hz或/和100Hz的分量，说明GIS内部存在局放和电晕，其缺陷识别方法如图4所示：

图4   GIS中缺陷种类的识别

启动测量，并观察频率成分1和频率2成分，如果存在这两种频率，则存在局放或电晕。如频率2数值大于频率1数值，可能存在大的局放或松动的屏蔽。这是因为大的局放和电气上松动的屏蔽的放电出现在工频电压的两个半波上；如频率1数值大于频率2数值，则局放多半出现在工频电压的一个半波上，用相位测量方式观察幅值与相位的关系图可作出证明。

4.2  故障定位

声信号随传播距离衰减很快，幅值大小可以定位。如果信号的最大值在较大区域出现，放电可能发生在中心导体上。如果最大值仅在特定点出现，可能在壳体上。

由于SF6气体的特性，高频信号比低频衰减严重。把滤波器上限频率从100kHz下调到50kHz，如果频率成分1和频率成分2的信号都大大减小，则缺陷多半在壳体上，这是因为滤波器截去了信号中50kHz以上的成分。如果信号水平不变，则缺陷大概在中心导体上，因为高频成分已经由于气体的衰减而截掉。

具体的缺陷定位方法如图5所示：

图5  缺陷定位的流程图

5 应用范例

某500kV隔离开关投运后发现附近有异常响声，在采用超声局部放电检测技术对其进行检查后得到了图6所示的超声图谱，在参考缺陷典型图谱后，怀疑设备内部有金属松动现象。

图6  超声测试图谱

利用停电检修机会对隔离开关解体检查后发现，导向杆底座未与配套的紧固螺孔连接牢固，有松动现象。后将导向杆底座固定好后，无异响发生，故认定此次隔离开关响声是由于导向杆底座松动所致。

图7  隔离开估解体

6  结论

随着我国电力系统的高速发展以及城市现代化建设的需要，城市电网的建设及改造工作正在全国范围内展开，GIS以其优越的性能必将得到大量的使用，而对GIS的运行状态监测目前尚无相关手段。超声检测法可以在不停电状况下，在绝缘故障发生前，检测出GIS内部是否存在局部放电现象，这样便可以根据检测结果指导GIS的检修工作，这必然提高我们对GIS的运行维护水平，降低GIS的故障率，尽可能地减少停电时间，降低故障处理所花费的大量费用，确保设备安全和提高供电可靠性。