GIS设备超声波局部放电检测技术的应用

张 月，王庆洪，关泽磊，梅兴东，高 明

（1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室；2.鞍钢集团钢铁研究院；3.鞍钢股份能源环保部，辽宁鞍山 114009）

引言

气体绝缘开关设备（GIS）是现代电力系统中广泛应用的一种关键设备，该设备将变电站中的电流互感器、电压互感器、隔离开关、断路器、接地开关、母线、套管等设备全部封闭在金属接地的筒状壳体中，在筒体中充入具有高绝缘性能的SF6气体［1］。GIS 设备因结构紧凑、占地面积小、防灰尘、维护工作量小等优点在电力系统中得到了广泛应用［2］。但GIS 设备为纯密封性结构，因此，难以如传统敞开式设备一样开展各项预防性试验，及时发现潜在问题。GIS 设备结构复杂，工作场强很高，内部一旦出现绝缘问题，极易造成设备故障，引起大面积停电。针对上述问题，采用超声波法局部放电带电检测技术可有效诊断GIS设备的潜在问题，消除故障，避免事故，对电网安全运行具有非常重要的意义。

1 检测原理

GIS 组合电器设备内部发生局部放电时，放电点周围的电场应力、介质应力、粒子力将失去平衡，分子间剧烈碰撞并在宏观上瞬间形成一种压力，产生超声波脉冲，由于超声波的波长较短，方向性较强，因此能量较为集中［3］。GIS组合电器超声波局部放电检测法是利用超声波传感器对GIS中发生局部放电时产生的超声波信号进行检测，通过检测到的超声波信号来诊断GIS内部局部放电缺陷。超声波局部放电检测法具有抗电磁干扰影响、定位方便、检测结果直观等优点。

2 检测流程

2.1 准备工作

GIS 设备外壳应可靠接地，被检设备处于运行状态，设备上应无外部作业，金属外壳清洁、无覆冰，设备内部气体压力正常。检查仪器设备、工器具完整性，保证仪器电量充足。按要求连接好超声波传感器、检测仪器主机等各部件。检测前应记录检测相关信息，同时记录好测试环境信息。

2.2 检测流程

GIS 组合电器设备超声波法局放带电检测流程见图1。

图1 GIS组合电器设备超声波法局放带电检测流程图

（1）先将超声波传感器悬浮于空气中，调节仪器到合适的量程，测量并记录空间背景噪声值，保存背景噪声图谱。

（2）在传感器与测点部位间均匀涂抹专用耦合剂，放置超声波传感器并适当施加压力，以尽可能减小检测信号的衰减，测量时传感器应与GIS 壳体保持相对静止。

（3）打开连接超声波传感器的检测通道进行测试，每个测点测试时间不少于15 s。记录有效值、峰值、50 Hz 和100 Hz 相关性等测试数据，保存图谱图片，并记录图谱编号。

（4）如检测到的超声波信号与背景信号一致，则判断为正常，退出并改变检测位置继续下一点检测。

（5）当检测信号与背景信号相差较大，首先要排除外部可能存在的超声波干扰源，如GIS 室内风机噪声、电动机噪声、环境内的施工作业噪声等，并采取必要措施予以排除。

（6）将异常部位的检测信号和相邻区域信号进行比较，确定是否有明显异常。如其他部位均存在异常信号可认为是干扰信号，反之，则为局放信号。

（7）当确定是局放信号时，在连续检测模式下，检测到峰值或有效值较大，而50 Hz 和100 Hz 频率不明显时，进入脉冲检测模式进行确认。如存在明显50 Hz 或100 Hz 频率成分时，可进入相位检测模式进一步分析异常。

（8）检测完成后，测试仪器对检测信号相应检测模式下的图谱进行保存。

3 应用实例

3.1 检测对象

使用上海某公司绝缘状态检测仪对66 kV 变电站母线及母联GIS组合电器进行超声波局放带电检测。GIS 设备三相共筒，为户内布置，现场检测环境温度为21 ℃，湿度为40%。

3.2 检测数据

对66 kV 变电站母线及母联组合电器进行超声波局部放电检测。先将超声波传感器悬浮于空气中，测量空间背景噪声值，记录具体数值，保存背景噪声图谱。在变电站Ⅰ母、Ⅱ母组合电器上均设置4 个测试点，检测点所测超声波信号的周期峰值、有效值、50 Hz 相关值、100 Hz 相关值检测数据见表1。

表1 66 kV变电站母线及母联GIS组合电器超声波检测数据表 mV

由表1 可知，Ⅰ母线测点3 信号幅值最大，测点3 检测的连续检测图谱和相位检测图谱见图2、图3。

图2 Ⅰ母测点3超声波连续检测图谱

图3 Ⅰ母测点3超声波相位检测图谱

3.3 故障诊断

根据图2超声波连续检测图谱分析，Ⅰ母测点3超声波信号幅值11.1 mV，远高于背景值0.53 mV，频率成分1（50 Hz）及频率成分2（100 Hz）相关值明显，且频率成分2 相关值>频率成分1 相关值。经超声波相位检测图谱确认，Ⅰ母测点3 超声波检测信号在0～360°相位特征明显，正负半周出现双峰特点，且幅值相当。连续复测三次，异常信号仍然存在，相位特征、幅值无明显变化。综合超声波连续检测图谱和相位检测图谱，初步判断测点3 附近的母线气室存在悬浮放电。对该GIS母线气室进行解体检查，发现Ⅰ母测点3 气室支撑绝缘件附近有片状烧蚀痕迹，经分析应是由于母线气室B 相支撑绝缘件松动，引起悬浮放电，将金属部件烧蚀，如继续长期运行下去，极易导致绝缘击穿故障。更换缺陷部件，对异常信号部位进行复测，超声信号有效值0.3 mV，峰值0.5 mV，无相位相关性，据此可判断内部局放信号消失，设备运行恢复正常。母线气室放电痕迹见图4。

图4 母线气室放电痕迹

4 结论

超声波局放带电检测是新型的带电检测技术，与传统的电力预防性试验检测相比，具有无需停电、灵活性强、试验时间短等诸多优点，更适合长流程钢厂。其能够及时发现GIS 设备潜在缺陷，在局部放电发展为绝缘击穿之前，开展检修消缺工作，可有效地解决GIS设备在无法拆卸情况下内部故障排查的难题，避免发生重大、突发停电事故，延长GIS 设备使用寿命，确保供电系统的安全稳定运行，对于提高电网运行效率具有十分重要的意义。