论文 特高频和超声波局部放电综合检测技术应用研究报告20110705

的应用研究

兰国良

    （广西电网公司南宁供电局，广西 南宁530031）

                LIAN Guo-liang 

（NanNing Power Supply, Guangxi Power Grid,nanning,530031）

摘要:本文介绍了特高频和超声波技术的基本原理，两者的联合应用在广西电网GIS、开关柜等设备中的积极作用，为掌握广西电网带电设备运行状况提供了一种准确、有效的检测手段。

并局部局部放电检测中的作用，分析了传统专家系统的不足，介绍了小波网络方法，并将小波网络模型与BP人工神经网络模型进行了比较，最后选择实例说明了小波网络具有较强的逼近和容错能力、较快的收敛速度和较好的预报效果模型，能够较好的应用到编制变电站绝缘在线检测专家系统中。

关键词：小波网络; 专家系统; 神经网络; 学习训练 

Abstract: This paper analyzes the default of the traditional expert system, introduces the methods of wavelet networks, compare the methods of wavelet networks and BP artificial neural network, in the end choice the example to interpret the wavelet have the stronger ability of approach and  contain fault、faster restrain  speed and predict effect model,this model is good applied to the design of online monitoring of transformer substation insulation.

Key words: the wavelet work; expert system; BP medol; learn and train

1  前言：

对电气设备进行局部放电试验是电气设备制造和运行中的一项重要预防性试验。局部放电如果长期存在，会加速设备老化，在一定条件下甚至会造成绝缘破坏，严重影响设备的正常运行。在 GIS 各类故障中，绝缘故障占有较大比例。实际运行情况表明，绝缘击穿多发生在固 体绝缘表面，并经常发生在 GIS 投运以后不久的一段时间里，故障发生时常常并没有发生系 统操作，不存在过电压。导致这类绝缘故障主要是一些小的绝缘缺陷，如内部杂毛、毛刺、 接触不良、浮电位和固体绝缘表面脏污等。这些缺陷通常比较微小和隐蔽，不足以导致在工 频耐压作用下会发生局部放电，使缺陷逐渐发展扩大，还可以使放电所产生的电荷在固体绝 缘表面逐渐积累，导致电场分布严重畸变。显然，要及时发现这类潜伏的绝缘缺陷，必须依靠局部放电检测。电气设备进行局部放电在线监测是了解设备的绝缘状况，确定绝缘故障产生的部位及其原因的最有效手段之一。

特高频法（UHF）和超声波法是目前国际上公认的、最适合现场使用的局部放电检测技术，其有效性得到 CIGRE 联合工作组的一致认同。目前，这种灵敏的、几乎无干扰的技术， 已被广泛应用于高压电力设备的局部放电在线监测或巡检工作。

2  基本原理：

目前现场检测GIS局部放电的常用方法是超声波法和电气法。根据国际大电网会议CIGRE WG33/23-12工作组对GIS局部放电检测方法的研究，认为超高频法（UHF）的抗干扰能力最好，检测范围较大，且对所有放电类型都比较敏感；而超声波法则对测量近距离范围内的自由移动颗粒比较灵敏，且便于确定故障的位置。UHF法和AE法作为两种不同的检测诊断手段，可起到相互补充的作用。

（一）特高频检测法（UHF法）

局部放电所产生电磁波的频谱特性与放电源的几何形状及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲陡度较大，能辐射出较高频率的电磁波；而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程也会较快，此时电流脉冲的陡度也较大，辐射高频电磁波的能力也会较强。例如：空气中电晕放电所产生的脉冲电流波形具有比较低的陡度，超过300MHz的频率分量很少，相比之下，SF6 气体所产生的脉冲电流波形，则具有纳秒级的脉冲陡度，脉冲持续时间也介于1～100ns之间，因此可产生大量的频率在300MHz以上的特高频电磁波信号。

传统的局部放电检测技术，由于测量频率较低，测量频带与周围环境的强干扰源的频带重叠，易受外界干扰的影响，既不能避开干扰，也不容易区分放电与干扰，即使采取复杂的抗干扰措施，也很难应用于运行设备的局部放电测量。而UHF检测技术，则是在300～1500MHz宽频带内接收局部放电所产生的特高频（UHF）电磁脉冲信号。由于UHF信号传播时衰减很快，故GIS以外的特高频段的电磁干扰信号（如空气中的电晕放电），不仅频带比GIS中局部放电信号的窄，其强度也会随频率增加而迅速下降，进入GIS的特高频分量相对较少，因而可以避开绝大多数的空气放电脉冲干扰。而对于分布在UHF检测频段内的固定频率干扰（如移动通讯、电视、雷达等信号），则可通过调整检测频带来避开这些干扰频段，从而达到在线检测局部放电信号的目的。

GIS设备上的多处位置都装有盆式绝缘子，这些绝缘子均为非铁磁材料，可以透射特高频电磁波信号。当GIS设备局部放电产生的电磁波沿金属轴（筒）传播时，部分信号可通过绝缘子向外辐射，通过如图所示的体外检测方式，即利用外置式UHF传感器，可以接收到从这些部位泄漏出来的局部放电特高频电磁波信号。虽然通过盆式绝缘子缝隙传播出的特高频信号相对较弱，但由于GIS上众多的盆式绝缘子提供了众多的可检测位置，更容易把传感器靠近信号源（尤其是检测来自于盆式绝缘子上的局部放电信号时），可避免信号长距离传播所产生的衰减。

GIS设备的金属同轴结构类似一个波导，其内部局部放电所产生的特高频信号可有效地、几乎无衰减地沿着它进行长距离传播，故国际上普遍认为，即使考虑到GIS绝缘屏障对UHF信号的衰减，UHF法也可灵敏检测到10米范围内的、放电量小于10pC的各类局部放电信号。

同样，特高频电磁波在变压器油中呈球面波以光速传播。根据电磁波理论，在金属覆盖的装置内检测电磁波信号时，若波长小于外壳的尺寸，则信号传播时衰减很小（传播10米仅衰减50%左右），而UHF频段的波长均小于1米，恰恰远小于变压器油箱的尺寸，故从放电源发射的UHF电磁波，在经过多次折反射后，最终均能基本无衰减地到达传感器部位。另外，金属箱体在起到汇聚电磁波能量的同时，还具有电磁屏蔽作用，使得外部的电磁干扰不易进入箱体内部，故在使用UHF法检测局部放电时，通常可获得较好的信噪比和检测灵敏度。

检测GIS中局部放电的特高频信号，可采用宽带和窄带两种检测方式。其中窄带检测可方便、有效避开高频电视、移动电话等通讯信号的影响，现场使用更易获得较高的信噪比和检测灵敏度。PDM2000就是采用了窄带选频检测技术，并且有多种测量带宽可供选择，以便在不同现场干扰情况下均能得到足够的检测灵敏度。

（二）超声波检测法（AE法）

局部放电在产生电磁波的同时，还会产生声波信号。超声波检测法就是通过在GIS外壳上安装声发射（AE）传感器，来达到检测、识别和定位GIS中局部放电缺陷的目的。

局部放电脉冲在液体中所产生的声波，其声压要比空气中的大20000倍左右，理论上讲，用超声波法检测变压器、互感器油中的局部放电要比检测空气或SF6气体中的灵敏，且传播时衰减很小。但对于结构较为复杂且尺寸较大的变压器，声波信号在向外壳传播过程中，会明显受到铁心、夹件、线圈、绝缘纸板等固体绝缘材料的阻挡和衰减，实际所能达到的检测灵敏度将大打折扣。如果传感器接近放电缺陷，或者传播途径中无固体材料的阻挡，则通常可达到较高的检测灵敏度，例如绕组围屏及相间隔板的放电、分接开关接触不良的放电、绕组出线及引线绝缘的放电、最外层绕组表面的放电、磁屏蔽及静电屏蔽的悬浮放电等。但在测量点远离缺陷的情况下，或者对发生在固体结构深处的局部放电，因声波信号在传播时要受到严密的阻隔和衰减，通常难以在油箱表面接收到有效的信号，当然更无法进行定位，故无论是进口或国产的超声定位系统，定位是有盲区、有局限性的。

在GIS中，通过SF6气体传播的声波和在变压器油中一样，只有纵波。检测频率较低时易受环境噪声的影响，较高时则信号衰减严重，故在检测GIS中的声波信号的最佳频率为10～40kHz之间（如图所示），由于声波在SF6气体中的传播速度很慢（约为140m/s），约为油中传播速度的1/10，空气中的1/2，且在传播时衰减很大（26dB/m），约为空气或油中的20倍，且衰减量随着频率的1～2次方增加，故超声诊断法在用于检测GIS设备时，如果传感器接近缺陷，可达到检测5pC放电信号的灵敏度水平，这包含了母线上、母线周围以及金属微粒引起的放电的大部分情况,该灵敏度水平可与其它方法相比拟。但在测量点远离缺陷的其它情况下，灵敏度将大为降低，这是超声波法的主要缺点，然而，这个特性却提供了定位的本领。

对于移动中的颗粒，超声波法要比传统的局部放电测量法敏感。但对于检测来自位于绝缘子上颗粒引起的放电，这个方法还存在一些问题，由于在环氧树脂绝缘中超声波信号衰减很大，故该方法很难检测到环氧树脂绝缘中的缺陷（例如气泡）。

此外，超声波法还有一个明显的优势，就是可在出现放电活动之前，检测到GIS内部可能存在的悬浮金属颗粒，并可鉴别这些颗粒的大小并评估它的危害程度。而对于特高频检测法和传统的脉冲电流检测法，则通常不会对这些尚未形成放电的潜伏性缺陷做出响应。

PDM2000采用高灵敏度的声发射传感器和前置放大器，确保了其检测灵敏度与国际同类产品相当，并且具备较全面的检测及分析功能。

3  广西电高频和超声波的开展应用

）特高频和超声波在GIS中的应用

1）河池220kV水南站异响检测及分析

河池供电局220kV水南变电站220kV GIS运行中自投运后，220kV GIS I段母线水车II线间隔处发出内部异常响声，声音时断时续，响声持续时间较短而无规律，经初步分析GIS内部可能存在接触不良的重大缺陷，采用北京圣泰实时电气技术有限公司生产的PDM2000特高频和超声波局部放电测试仪对响声部位进行了反复检测，结果及分析如下：

1 伴随响声时的测试图谱

图1  特高频谱图

图2  超声波谱图

1.2 测试图谱二

图3  特高频谱图

 图4  超声波谱图

2 图谱分析

由图谱1、2、3、4中可明显看到，有异响时能同时检测到特高频和超声波信号，两者趋势图明显增大，并且两者有良好的相关性，同时图谱中F1值（单峰含量）较大，说明GIS内部存在局部放电信号，并且排除了属于自由颗粒放电的缺陷； 特高频信号发生相位基本较为稳定，PRPD火焰图谱中表现出基本的“对称”特征，但信号幅度较不稳定，并且各次放电次数并不一致，据此推断属于轻度的典型局部放电特征； 通过变换超声波传感器的位置，进行最大超声波信号探测定位时，发现位于I段母线气室靠近水车II线C相侧面的法兰下方测得的幅度峰值最大，见图4超声波谱图。因此可判断局部放电信号接近该处；利用PDM2000的专家系统和智能判断功能，分析该局部放电信号为轻度放电或随机放电；初步分析主要原因为：内部母线和紧固件之间存在接触不良或存在小间隙，造成不稳定的局部放电。

     3 解剖结果

2、南宁110kV九曲湾站测试报告

2011年4月15日，南宁110kV九曲湾站GIS投运后，西琅湾104进线电缆气室发出异常声响，经初步分析内部可能存在影响安全的重大缺陷，随即进行了特高频和超声波测试，测试结果如下：

1 测试图谱

103开关顶部

图5  特高频图谱

图6   超声波图谱 

2 图谱分析

进入现场，测试背景选频图就发现背景信号有局放信号，特高频在空气中测试结果为3.0mV及以上，测试分析为随机放电。在进行所有GIS气室接缝处及盆式绝缘子特高频测试工作后，发现所有盆式绝缘子或开关接缝处特高频信号幅值相差不大，只能测出GIS内部有放电源；使用超声波探头进行定位测试，在103开关顶部发现有局放信号最大；由超声波图谱中可明显看到，能同时检测到特高频和超声波信号，两者趋势图趋于稳定，且较为一致，根据PRPD图显示，同时图谱中F1值（单峰含量）及Qp值较大，飞行时间图在20mS后有许多杂点，说明GIS内部存在局部放电信号，类似悬浮放电特征。

3  解剖结果

解剖后检查发现，三相支柱绝缘子与断路器上端盖凹口为直接连接，无压紧措施，极易产生间隙发生局部放电。从外观检查来看，A、B、C三相绝缘子表面不同程度的电弧熏黑的痕迹，同时绝缘子表面还散落着灰白色粉尘。对该灰白色粉末进行X荧光元素分析，检测出金属元素主要是铜（Cu）和锌（Zn）。

解体后照片

图65 支撑绝缘子螺纹孔               图66 支撑绝缘子螺纹孔顶部

2）在开关柜中的应用

图29  五里亭902开关柜背面中间左上边缘

特高频检测结论：    轻度放电特征    

图30    五里亭站五西908开关柜背面中上部

特高频检测结论：典型局部放电    

图31  五里亭站院校919开关柜背面中上部

特高频检测结论：    典型尖端放电    

为进一步确定上述902、908、919开关柜中可能存在的放电，我们使用了厦门红相局部放电测试仪进行测试比对，结果如下：

对比五里亭站10kV其他开关柜间隔，902开关柜、902CT柜，908、909开关柜的局部放电量明显偏大，根据上表经验值判断为内部存在一定程度的放电，初步分析可能是设备表面的积尘或则连接处的螺丝松动导致，与PDM2000的测试结果是一致。

检修结果：

针对五里亭开关柜可能存在局放的现象，在设备停电的情况下对902、908、919开关柜进行了停电检修，对其开关柜和周期进行清扫和紧固所有的连接螺丝，送电后进行复测，所有测试结果恢复正常。

结束语：

7.1特高频和超声波检测法作为局部放电两种不同的检测手段，各有优势互为补充。超声波对自由颗粒较为敏感，且易于故障定位，但容易受到测量现场的高频机械振动、电磁噪声、线圈磁滞损耗等因素的干扰。特高频检测法对设备内部缺陷极为有效，且抗干扰能力好，对GIS内部各种放电类型的电磁信号都能够实现良好的检测灵敏度，而且有效检测范围大，检测效率高。

7.2目前，特高频和超声波技术的联合应用和研究在北京、上海、广州等大型供电局和部分电力研究院都早已进行，但在广西电网才刚刚起步。尽管如此，我们已在河池供电局的220kV允升变电站和南宁供电局110kV九曲湾变电站等发现有强烈放电信号，并经现场解体证实，避免了事故的发生。

7.3特高频和超声波技术的联合应用给GIS等设备的安全运行带来了新的技术保障，发挥了良好的作用，值得推广。