1、GIS局部放电超声波检测原理

   SF6气体绝缘组合电气设备（GIS）因其具有故障低、免维护等特点而在电力系统中被广泛使用。但是GIS具有全封闭的特殊性，使得除了进行微水检测等少数试验项目外，现行的高压电气设备例行试验的大多数项目无法采用GIS，长期以来它几乎处于无维护状态。GIS设备内部出现的缺陷，不容易进行排查。随着GIS电压等级的提高和体积的缩小，GIS内部电场越来越高。GIS内部主要绝缘介质有SF6气体和环氧绝缘构件等。当绝缘存在缺陷时，内部场强分布便会发生畸变，导致局部放电而使内部绝缘受到破坏，同时往往伴随着超声信号的产生。因此目前国内外广泛采用局部放电超声波检测技术等非电量测量法来检测GIS故障。通过收集这些声信号，并根据实际经验加以分析，可以对GIS的运行状况进行评估。局部放电超声波检测原理如下图

   在GIS的各类故障中，绝缘故障占有较大比例。实际运行情况表明，故障发生时常常并没有进行系统操作，也不存在过电压。导致这些绝缘故障的主要是一些晓得绝缘缺陷，如内部故障缺陷、自由颗粒、毛刺、接触不良、固体绝缘表面脏污等。随着这些微小缺陷的逐渐扩大，会使放电所产生的电荷在固体绝缘表面逐渐积累，导致电场分布的严重畸变。要及时发现这些潜在的绝缘缺陷，必须依靠局部放电超声波检测。

   GIS可分为三相共体式和分相式两种。尽管GIS在结构设计上不尽相同，但内部结构基本一致，主要有SF6气体、绝缘支座、拉杆、盘式绝缘子、导电体、气室外壳等。GIS绝缘故障的发生，可能是在产品产生、现场安装以及运行操作等过程中。如下图，导致GIS产生局部放电的原因具体分为以下几种：

   （1）气室内导体上和金属外壳上的异常凸起。GIS在装配过程中留下的焊疤或较大的毛刺等，往往在老炼试验中无法清除，便在运行的气室内留下异常凸起点。此类缺陷危害较大，会造成气室内局部场强不均匀。当局部场强达到某一水平时，凸起点将出现尖端闪络。对于雷电或操作的快速暂态冲击，凸起点闪络将会导致绝缘击穿。一般超过1~2mm的凸起点被认为是有害的缺陷。

   （2）气室内自由金属颗粒在电场作用下获得电荷，并受到静电力的作用，如果这种力超过其重力，颗粒就会从外壳上升，并在气室内运动而造成间隙性电晕放电。颗粒的形状及其位置直接影响到气室的耐压水平。颗粒越长，越接近高压导体，其危险程度就越大。如果吸附于绝缘子上，可能会导致绝缘子表面闪络受损，可能造成更大的危害。

   （3）电动和机械力造成气室内零配件松动。如果屏蔽罩松脱，将直接导致电位浮悬，电气绝缘距离缩短，交流耐压水平大幅度下降。如该悬浮屏蔽接近电极，将导致屏蔽与电极见大规模放电。

   （4）固体绝缘内部的空隙和缺陷。在电场作用下，固体绝缘内部的空隙和缺陷会产生局部放电或固体表面树枝状放电，长期累积效应使固体绝缘老话直接击穿，此类缺陷直接影响到GIS的使用寿命。

   当GIS中的缺陷在电压作用下发生局部放电时，局放产生的能量是周围SF6气体的温度骤然升高，从而形成局部过热，所产生的扰动以压力波的形式传播，其类型包括纵波、横波和表面波。不同的电气设备、环境条件和绝缘状况产生的声波频谱都不相同。GIS中沿SF6气体传播的只有纵波，这种超声纵波以球面波的形式向周围传播。由于超声波的波长较短、方向性将强，所以它的能量也较为集中，因而可以通过设置在外壁的压敏传感器收集超声放电信号并对信号进行分析。

   GIS发生局部放电时，传感器检测频率较低，易受到环境噪声的影响；传感器检测频率较高，则信号衰减严重。GIS中的超声波信号频率集中在20~200kHz。由于声音信号在SF6气体中的传输速度很低（约140m/s,约为在油中传播速度的1/10，在空气中传播速度的1/2）,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，顾超声波诊断方法在对局部放电放电量大小的分析上受到电源距离影响很大，一般不用于定量分析。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，但在测量点远离缺陷的情况下，灵敏度大为降低。但正是由于超声波在SF6气体中具体衰减快这一点，使得利用超声波技术检测GIS时具有定位的特性。

2、GIS局部放电超声波检测诊断方法

 1、GIS各类缺陷局部放电的特点

 （1）毛刺缺陷

   金属外壳和带电导体上的凸起部分，即毛刺，会引起局部电场升高，这种缺陷对工频耐压水平影响较小，因为工频电压变化缓慢，毛刺等缺陷有时间形成与外加电场方向相反的空间电荷，使其局部放电其实放电电压升高。对于雷电冲击或者隔离开关操作产生的快上升沿的瞬态过电压，由于持续时间短，来不及形成与外加电场方向相反的空间电荷，因此这种类型缺陷将使雷电冲击耐受水平大大降低。通常导体上超过1~2mm的凸起是明显有害的，由于壳体上的电场强度降低，所以壳体上的类似凸起危害较小。

   如下图，虽然导体上的毛刺与壳体上的毛刺的放电特征是一样的，都属于电晕放电，但是由于导体上的毛刺位于气室中心，其产生的压力波会呈扇形在整个气室传递，在壳体外能在较广的范围内接收到信号，而壳体上的毛刺信号较集中，在放电处信号最强。也可以根据SF6气体对高频信号的衰减特性，调整带通滤波器的上限频率，然后根据接收到信号的强度来判断是亮体还是导体上的毛刺放电。如果信号强度明显降低，表明是壳体上的毛刺放电；如果信号变化不大，表明导体上的毛刺放电。

     导体和壳体毛刺放电（电晕放电）的信号特征：

      ●具有50Hz和100Hz的频率相关性，50Hz相关性更强；

      ●峰值与有效值的比值低；

      ●信号的频率分成比较窄，一般小于80kHz。

 （2）自由颗粒缺陷

   如图所示，自由颗粒在GIS中受到电力场和重力场作用，如果电力场超过重力，颗粒将会上下跳动。颗粒每碰撞壳体一次，就发射一个宽带瞬态声脉冲，在壳体内来回传播。来自这种自由颗粒的声信号是颗粒端部的局部放电和颗粒碰撞壳体产生的声信号的混合。

     自由颗粒的超声波信号特征：

      ●信号水平高；

      ●信号表征不重复，随机性强；

      ●信号幅值波动范围大；

      ●峰值系数大；

     ●50Hz、100Hz信号含量少。

   自由移动颗粒对雷电冲击耐受电压水平影响较小，但它们的存在可能使工频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，颗粒越长且越接近高压导体，危险性越大；如果颗粒移动到绝缘子上，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。

     自由颗粒危险性评估：

  ●颗粒的危险性与颗粒的长度、跳跃高度以及飞行时间有关。颗粒越大，跳跃高度越高，飞行时间越长，越危险。 

  ●颗粒碰撞到导体可能导致击穿。

  ●盆式绝缘子上的颗粒是非常危险的，可能造成盆式绝缘子表面损坏。

 （3）悬浮屏蔽缺陷

   机械振动或接触不良会引起电位悬浮，悬浮金属体可能导致电气绝缘距离缩短，交流耐压水平大幅度下降，当悬浮屏蔽与导体之间的电压超出耐受电压时就会发生大规模放电或电弧产生，如下图

     其信号特征为：

      ●工频耐压水平降低；

      ●信号稳定，重复性强；

      ●100Hz的相关性强烈。

   电位悬浮一般发生在开关气室的屏蔽松动、PT/CT气室绝缘支撑松动或偏离、母线气室绝缘支撑松动或偏离，或者气室连接部位接插件偏离或螺母松动时。

 2、各类缺陷的诊断方法

   不同的缺陷会产生不同的放电现象，所检测到的放电信号也有所不同，见下表。局部放电测试装置利用超声波原理采集到GIS内的局部放电信号，根据不同放电信号的不同特征可诊断出类型。

   如果在连续测量中，初步判断可能存在毛刺或者悬浮屏蔽缺陷，可采用相位测量方式确认。相位测量方式可用来判断测量信号是否与工频周期存在关系。

3、影响GIS局部放电超声波检测的因素

 1、背景噪声的影响

   在测试GIS局部放电的时候，测试结果往往会受到背景噪声的影响。由于变电站的情况一般都很复杂，电晕放电、机械振动等都会产生声波，可能会对GIS局部放电的测试结果带来一定的影响，所以滤除背景噪声是非常必要的。

 2、传感器的影响

   传感器的测试精度以及检测频段会给测试结果带来一定的影响。另外，由于GIS的筒壁是圆弧形的，所以传感器必须紧贴GIS筒壁，否则会引入外来干扰，影响测试结果。

 3、测试人员的影响

   由于目前GIS局部放电测试没有统一的标准，现场状况也各不相同，所以测试时需要测试人员具有一定的判断经验。

4、典型实例分析

   应用超声波检测技术对某次某次地震后某电站GIS设备进行局部放电检测。如下图左侧所示为无缺陷设备测试图谱，右侧所示为GIS C相某分支出线的测试图谱。（a）为连续测量方式，（b）为脉冲测量方式，（c）为相位测量方式。

   从两图对比可以看出，C相某分支出线有较明显的放电信号，且局部放电信号与100Hz相关性很强。根据分析和判断，该部位可能因地震而产生松动，形成悬浮电位。打开后紧固，设备恢复正常。

   利用超声波检测技术队某变电站GIS进行局部放电检测。母线气室手孔附近检测时发现检测信号超过100mV，而50Hz和100Hz相关性都出现，且数值相差不多。根据结构分析，此处没有绝缘支撑，只能是壳体上的杂志或尖峰放电。打开后发现手孔和壳体底部都有杂质，是由于固体吸附壳体干燥过热所产生的氧化物碎屑。该实例中的相关测试图谱及实物照片如下图。

五、总结

   超声波检测技术对高压电气设备的检测具有易于实现带电检测、便于空间定位、抗干扰能力较强等特点。目前采样超声波检测技术测量局部放电信号是将超声波传感器贴在接地的高压电气设备外壳进行检测，对设备的运行和操作没有任何影响，从而减少了设备停电检查的时间，提高了设备的供电可靠性。高压电气设备局部放电产生的声波频率分布范围很广，包括了超声波频率，而现场的环境干扰（如运行中变压器的励磁噪声、散热器风扇、冷却器噪声、潜油泵噪声、循环油噪声等）的频率大多属于可听声音频段，因此，选择局部放电产生的超声频段进行检测容易避开背景噪声干扰的影响。

   目前利用超声波法测量局部放电的主要局限性是不能进行定量分析，检测灵敏度不是很高。对于检测来自绝缘材料内部的缺陷，虽然绝缘体内部缺陷将使放电上升、产生电树枝，并可能引起击穿，但由于绝缘固体中超声波信号衰减很大，故超声波检测法很难检测到绝缘材料中的缺陷等。并且由于声波在传播途径中衰减、畸变严重，声测法基本上不能反映放电量的大小。 

   在今后的高压电气设备局部放电检测方法中，超声波与其他电量信号的联合检测方法将成为在线检测的主要发展方向。在对电气设备进行巡检时，可首先利用超高频或甚高频等电量信号检测手段快速确认被测设备是否存在局部放电缺陷，然后利用超声波法确定电气设备的缺陷部位及特征。两种方法联合使用能取长补短，为确认被测信号来源、彻底消除误判提供了保证。

参考文献：

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[3]胡灿，刘平.输变电设备状态检修非电量测试技术.成都：西南交通大学出版社，2011.3下载本文