1 引言

超聲波法和超高頻法作為目前兩種比較有效的檢測(cè)方法，抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，相比之下，超高頻法適合對(duì)設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的監(jiān)測(cè)，需要廠家在設(shè)備制造時(shí)內(nèi)置傳感耦合器以保證測(cè)量精度。超聲波設(shè)備使用簡(jiǎn)便，可以通過(guò)對(duì)設(shè)備的逐點(diǎn)測(cè)量進(jìn)行缺陷定位，更適合帶電巡檢和短期的在線監(jiān)測(cè)。

山東電力超高壓公司利用挪威TransNor AS制造的AIA超聲波局放測(cè)試儀對(duì)所轄變電站的GIS、HGIS設(shè)備進(jìn)行周期為一年的定期檢測(cè)，積累了一定的故障經(jīng)驗(yàn)，為以后運(yùn)行維護(hù)策略的制定奠定了基礎(chǔ)。

2 超聲波檢測(cè)法

GIS發(fā)生局部放電時(shí)分子間劇烈碰撞并在宏觀上瞬間形成一種壓力，產(chǎn)生超聲波脈沖，信號(hào)波長(zhǎng)較短，方向性較強(qiáng)，因此它的能量較為集中。將基于諧振原理的聲發(fā)射傳感器置于設(shè)備外殼上檢測(cè)這一脈沖信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)前置放大、濾波、放大、檢波等處理環(huán)節(jié)，進(jìn)而通過(guò)信號(hào)分析以確定設(shè)備的絕緣狀況。圖1給出了超聲波檢測(cè)GIS設(shè)備局部放電的原理圖。

圖1 超聲波檢測(cè)局部放電原理圖

超聲波信號(hào)有橫波、縱波和表面波三種傳播形式，在SF₆氣體中只有縱波可以傳播，而在帶電導(dǎo)體、絕緣子和金屬殼體等固體中傳播的除縱波外還有橫波?？v波在氣體、固體中衰減很大，橫波在固體中衰減小。

在傳播過(guò)程中，由介質(zhì)吸收效應(yīng)導(dǎo)致的高頻分量衰減、不同介質(zhì)傳播速率的差異以及邊界處產(chǎn)生的折、反射，都會(huì)對(duì)接收到的脈沖信號(hào)產(chǎn)生影響。因此檢測(cè)的有效性和靈敏性不僅取決于局部放電的類(lèi)型和能量大小，還取決于聲信號(hào)在不同介質(zhì)的傳播特性和具體的傳播路徑。評(píng)估設(shè)備狀態(tài)特別是確定缺陷部位時(shí)，需要綜合考慮這些因素并結(jié)合GIS的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3 GIS典型缺陷的特征分析

3.1 毛刺放電

毛刺尖端處電場(chǎng)集中，電暈放電信號(hào)的起始時(shí)刻主要集中在外施電壓的負(fù)半周，最大放電量發(fā)生在峰值附近。隨著電壓的升高，局放脈沖增大，頻度增加，在正半周也可能發(fā)生放電。因此信號(hào)的50Hz相關(guān)性明顯，100Hz相關(guān)性較弱。

導(dǎo)體上的毛刺放電可以看成一個(gè)點(diǎn)源向其四周發(fā)射球面波，其高頻分量直接往腔體傳播且衰減很大，而低頻分量向多個(gè)角度傳播，傳播路徑較遠(yuǎn)，在殼體外較廣的范圍內(nèi)都能接收到信號(hào)。而殼體上的毛刺信號(hào)較集中,在放電處信號(hào)最強(qiáng)，且高頻分量衰減較小。

利用這一點(diǎn)可以通過(guò)減小濾波器的上限頻率來(lái)區(qū)分二者，信號(hào)變化不明顯表明是導(dǎo)體毛刺放電，變化明顯時(shí)表現(xiàn)是殼體上的毛刺放電。圖2給出了超聲波對(duì)兩種放電模式檢測(cè)的示意圖。除此之外，導(dǎo)體毛刺比位于殼體上相同毛刺的起始放電電壓低很多，在相同電壓下，前者的局部放電量和脈沖幅值也高于后者，其危險(xiǎn)性較高。

圖2 毛刺放電超聲檢測(cè)示意圖

3.2 懸浮屏蔽

圖3 懸浮屏蔽超聲檢測(cè)示意圖

松動(dòng)或接觸不良會(huì)引起電位懸浮，懸浮部位與導(dǎo)體之間存在耦合電容，相當(dāng)于容性放電。圖3給出超聲檢測(cè)的示意圖。放電脈沖一般發(fā)生在電壓上升沿，在外施電壓的正負(fù)半周均能檢測(cè)，信號(hào)的100Hz相關(guān)性很強(qiáng)。由于耦合電容和放電時(shí)兩端的電壓差比較固定，因此隨著電壓的升高，放電量變化不大。檢測(cè)信號(hào)比較穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。

3.3 自由顆粒

圖4 自由顆粒超聲檢測(cè)示意圖

如圖4所示，自由顆粒在電場(chǎng)力的作用下來(lái)回跳動(dòng)，每次撞擊殼體都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)寬帶的瞬態(tài)聲脈沖，與顆粒端部的局部放電信號(hào)相混合形成一個(gè)復(fù)合信號(hào)。放電信號(hào)的大小與金屬顆粒的位置有著密切的聯(lián)系，相比于殼體上的顆粒，絕緣子上的顆粒對(duì)電場(chǎng)的影響更為嚴(yán)重，在放電強(qiáng)度上明顯大于殼體顆粒。

3.4 絕緣子缺陷

絕緣子內(nèi)部的氣隙放電工頻正負(fù)半周放電指紋基本對(duì)稱(chēng)。放電脈沖一般出現(xiàn)在電壓幅值絕對(duì)值的上升部分，放電頻率依賴(lài)于所加電壓大小，只有在放電強(qiáng)烈時(shí)，才會(huì)擴(kuò)展到電壓絕對(duì)值下降部分的相位上，且每次放電的大小不相等。

絕緣子表面的缺陷易形成表面放電，導(dǎo)致絕緣子表面的絕緣劣化，甚至擊穿。其放電特征是:在電流最大相位過(guò)零時(shí)發(fā)生小電荷的局放脈沖，隨電壓上升會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的脈沖。

4 GIS局部放電的現(xiàn)場(chǎng)超聲檢測(cè)

以上分析奠定了超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)，而現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試診斷會(huì)受到電磁干擾、傳感器安裝位置、殼體環(huán)流等多種因素的影響，下面結(jié)合AIA儀器在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用對(duì)具體的診斷分析過(guò)程做下介紹。

4.1 傳感器的安裝

測(cè)試時(shí)利用聲耦合硅膠使傳感器與殼體接觸良好并保持靜止?fàn)顟B(tài)，必要時(shí)用綁帶固定以保持一定的壓力?？紤]到聲信號(hào)在經(jīng)過(guò)絕緣子或法蘭時(shí)明顯衰減的特點(diǎn)，要求獨(dú)立的氣室、兩個(gè)法蘭之間至少有一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)和斷路器的運(yùn)動(dòng)部件容易產(chǎn)生自由顆粒，可以對(duì)這些部位進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，而自由顆粒在氣室中有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，一般把傳感器安裝在設(shè)備殼體的下方。

4.2 信號(hào)的測(cè)量與分析

AIA超聲波局部放電測(cè)試儀有連續(xù)、相位和脈沖三種測(cè)量模式。連續(xù)測(cè)量模式以水平柱的方式給出了一個(gè)工頻周期中放電信號(hào)有效值和峰值信號(hào)以及與信號(hào)與50Hz、100Hz的相關(guān)程度；相位模式主要用來(lái)判斷放電和是否和工頻周期存在關(guān)系；脈沖模式針對(duì)顆粒故障，給出了信號(hào)幅值與飛行時(shí)間的關(guān)系。表1給出了典型缺陷的特征判據(jù)。

表1 典型缺陷的特征判據(jù)

在表1完成缺陷的初步定性的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)具體的信號(hào)制定相應(yīng)的維護(hù)策略。對(duì)于毛刺放電，若信號(hào)的峰值V_p > 2 mV即可密切監(jiān)視或停電處理。

對(duì)于懸浮屏蔽，除了信號(hào)幅值外，還應(yīng)關(guān)注信號(hào)100Hz含量(V_f2)與50Hz含量(V_f1)的比值，引起密切關(guān)注的判據(jù)為： V_f2/V_f1>>1且V_p>20mV 或1<V_f2/V_f1<2且V_p>100mV。

對(duì)于自由顆粒，可通過(guò)脈沖模式進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)估，如圖5所示，V_p < 500mV且t<50ms和V_p<150mV且50ms < t <100ms 的斜線區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。

圖5 自由顆粒危險(xiǎn)性評(píng)估示意圖

4.3 測(cè)試注意事項(xiàng)

• 1. 有些缺陷形成了機(jī)械振動(dòng)，但沒(méi)形成懸浮電位，信號(hào)不穩(wěn)定，相位圖呈現(xiàn)多條豎線并在零點(diǎn)左右兩側(cè)均勻分布，此時(shí)建議加強(qiáng)監(jiān)視或停電處理。
• 2. 由壓變鐵芯的磁滯伸縮現(xiàn)象引起的噪聲信號(hào)表現(xiàn)出一定的100Hz相關(guān)性，而線圈在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的熱噪聲也會(huì)使測(cè)量幅值變大，與懸浮屏蔽的特征圖譜類(lèi)似，但其信號(hào)幅值很低，且三相測(cè)試結(jié)果一致，檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意區(qū)分以防止誤判缺陷。

5 診斷實(shí)例分析

在對(duì)某變電站220kVGIS設(shè)備進(jìn)行巡視時(shí)，發(fā)現(xiàn)B相某CT氣室有異音，超聲波檢測(cè)信號(hào)如圖6和圖7所示。

圖6 連續(xù)測(cè)量模式圖

圖7 相位測(cè)量模式圖

由圖6可以看出，信號(hào)的峰值達(dá)到20mV，信號(hào)的 100Hz含量遠(yuǎn)大于50Hz含量。在圖7可以明顯看到一個(gè)周期內(nèi)有兩簇信號(hào)集中點(diǎn)。根據(jù)表1可以判斷CT內(nèi)部出現(xiàn)電位懸浮故障。

檢修人員與廠家協(xié)商后對(duì)設(shè)備進(jìn)行了解體，如圖8所示， CT的電極較短，沒(méi)能完全進(jìn)入適配孔中，并可見(jiàn)明顯的黑色粉末狀的SF₆氣體放電分解物。實(shí)踐證明了超聲波檢測(cè)GIS缺陷的有效性。

圖8 CT氣室放電圖示

結(jié)論

• 本文分析了GIS典型缺陷的基本特征，為超聲波檢測(cè)、判斷設(shè)備故障提供了理論依據(jù)。
• 本文給出了現(xiàn)場(chǎng)超聲波局放測(cè)試的注意事項(xiàng)和各種缺陷的特征圖譜和經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員具有一定的參考價(jià)值。
• 狀態(tài)檢修規(guī)程明確把運(yùn)行中GIS局部放電測(cè)量作為例行試驗(yàn)項(xiàng)目，診斷實(shí)例表明，超聲波法能有效的檢測(cè)GIS內(nèi)部的局部放電信號(hào)，可以作為一條有效的監(jiān)測(cè)手段長(zhǎng)期開(kāi)展，對(duì)于設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)具有重要的意義。
• 由于絕緣體材料對(duì)聲波的高吸收性，超聲波法對(duì)于絕緣子內(nèi)部缺陷反映不靈敏，可以結(jié)合超高頻法、化學(xué)檢測(cè)法以提高故障診斷的適用性和有效性。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“超聲波法在GIS局部放電檢測(cè)中的應(yīng)用”，作者為王偉、馮新巖等。）