超聲波檢測在GIS局部放電在線監(jiān)測中的應(yīng)用

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，成都，610091)

1 概述

GIS是英文Gas Insulated Switcher(氣體絕緣封閉開關(guān))的縮寫，由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成。這些設(shè)備或部件全部封閉安裝在金屬接地外殼中，在殼內(nèi)充有一定壓力的SF6氣體，因此也成為SF6封閉開關(guān)。

隨著我國電力行業(yè)的發(fā)展，GIS的使用越來越廣泛，從最初的幾千伏等級發(fā)展到現(xiàn)在的220kV、500kV、750kV等級，有些國家和地區(qū)正在發(fā)展1000kV等級的GIS。

人們通常認為GIS設(shè)備具有故障率低的特點，但這是相對于常規(guī)設(shè)備而言的，根據(jù)CIGRE的調(diào)查，GIS的故障遠遠高于IEC推薦的每百間隔1年0.1次的水平。就國內(nèi)而言，則發(fā)生了多起比較嚴重的GIS事故，因此“GIS免維護”的觀點已經(jīng)不再認同。同時GIS設(shè)備一旦發(fā)生故障，將引起停電時間長、檢修費用高、損失巨大等一系列問題。現(xiàn)場使用經(jīng)驗表明，大部分故障是可以預(yù)先監(jiān)測的，因此采用先進的GIS在線故障診斷技術(shù)，可以大幅度減少GIS的故障率。

局部放電是GIS絕緣劣化的征兆和表現(xiàn)形式，也是絕緣進一步劣化的原因。由于絕緣擊穿的后果經(jīng)常比較嚴重，因而受到國內(nèi)外的關(guān)注。對GIS進行局部放電檢測，能夠確實地有效地發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部早期的絕緣缺陷，以便于采取措施，避免其進一步發(fā)展，進而提高GIS的可靠性。另外，它還可以彌補耐壓試驗的不足。通過局部放電在線監(jiān)測能發(fā)現(xiàn)GIS制造和安裝的“清潔度”，能發(fā)現(xiàn)絕緣制造工藝和安裝過程中的缺陷、差錯，并能確定故障位置，從而進行有效的處理，確保設(shè)備的安全運行。因此，開展GIS局部放電在線監(jiān)測研究，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

GIS局部放電的檢測方法主要有光學(xué)法、化學(xué)法、聲學(xué)法和電氣法。其中，超聲檢測法抗干擾能力強，瞬態(tài)特性好。因為局部放電每個放電脈沖，它都伴隨著產(chǎn)生一個與之相關(guān)的超聲脈沖，由于電流脈沖中夾雜著很強的各種電氣干擾脈沖，直接測量微小的局放脈沖十分困難，且其它電氣干擾脈沖不產(chǎn)生超聲脈沖，因此間接的測量它所產(chǎn)生的超聲脈沖具有很強的抗干擾能力。通過對超聲脈沖在線監(jiān)測，能檢測出GIS局部放電的類型、放電量值及放電位置。

2 局部放電的產(chǎn)生

在電氣設(shè)備的絕緣系統(tǒng)中，各部位的電場強度往往是不相等的，當局部區(qū)域的電場強度達到該區(qū)域的擊穿場強時，該區(qū)域就會出現(xiàn)放電，但放電并沒有貫穿施加電壓的兩導(dǎo)體之間，即整個絕緣系統(tǒng)尚未擊穿，這種現(xiàn)象稱之為局部放電。產(chǎn)生局部放電的條件，取決于絕緣介質(zhì)中的電場分布和絕緣的電氣物理性能，通常局部放電是在高電場強度下，在絕緣體內(nèi)電氣強度較低的部位發(fā)生。

3 超聲波檢測方法的特點

超聲波檢測法具有易于實現(xiàn)和便于空間定位等特點。

目前采用的超聲波法檢測GIS局部放電，是利用超聲波傳感器貼在接地的GIS外殼上進行檢測，對GIS的運行和操作沒有任何影響。傳感器與檢測設(shè)備之間采用光纖連接，光纖具有良好的絕緣性能，檢測設(shè)備與高電壓設(shè)備之間有很好的隔離，使設(shè)備和測量人員的安全可以得到保證，同時不存在在線結(jié)果與離線結(jié)果的等效性問題。因此，利用超聲波法可以較容易地實現(xiàn)在線檢測GIS局部放電。

確定局部放電位置，可以判斷局部放電對GIS的危害程度，還可以減少檢修時間。目前提出并采用的主要局部放電定位方法有：電脈沖電流電容分量定位法，利用電脈沖的電容分量，從局部放電點傳播到繞組兩端的時間差來確定故障點的大概位置；X射線法，利用外加X射線來加大局部放電從而進行定位；超聲波定位法，利用局部放電時所產(chǎn)生的電信號和聲信號之間的相對時間差或聲信號和聲信號之間的時間差，對局部放電進行空間定位。這幾種方法都能幫助人們尋找局部放電位置，前兩種方法只能確定大致部位，而不是空間精確位置。X射線法需要外加X射線發(fā)生裝置，在線定位存在一定的困難。超聲波定位方法是根據(jù)衛(wèi)星定位原理實現(xiàn)的，從理論上講，可以做到精確定位，在線檢測方便。所以很多學(xué)者都對此進行了大量的研究，目前世界范圍內(nèi)的變壓器局部放電定位系統(tǒng)多數(shù)采用電聲定位法和聲聲定位法。

4 超聲波檢測局部放電原理

GIS中出現(xiàn)局部放電時，放電區(qū)域內(nèi)分子間劇烈撞擊激發(fā)超聲信號，這些信號可由安裝在GIS外面的傳感器來檢測。GIS中導(dǎo)電金屬微粒碰撞外殼、電磁振動以及操作引起的機械振動等，發(fā)出的聲波頻率較低，一般都在10kHz以下。局部放電產(chǎn)生的聲波頻譜分布約為10Hz～107Hz，高頻分量在GIS中傳播衰減較大，檢測高頻超聲波需要較高靈敏度。超聲波檢測GIS中局部放電時，監(jiān)測諧振頻率可選為20kHz～40kHz。其靈敏度不僅取決于局放產(chǎn)生的能量，而且最主要取決于信號的傳播途徑。聲信號在GIS中的傳播相當復(fù)雜，因為氣體、絕緣子、金屬外殼、導(dǎo)體及其它部件對聲信號的傳播特性各不相同，因此靈敏度不高，不能進行定量測量。

超聲波檢測一般采用超聲傳感器、前置放大器、DSP高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于ARM的高性能嵌入式控制平臺和后臺具有強大數(shù)據(jù)分析能力的服務(wù)器等。超聲信號經(jīng)過前置放大器放大后，送往DSP信號數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)前期數(shù)字信號預(yù)處理后，最終通過網(wǎng)絡(luò)傳送給遠程服務(wù)器，對信號進行抗干擾處理和提取特征參數(shù)后，存入局放信號特征數(shù)據(jù)庫，專家系統(tǒng)根據(jù)特征數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)作出GIS絕緣狀態(tài)的診斷。

GIS中的絕緣缺陷，主要有高壓導(dǎo)體上的突出物、外殼上的微粒、浮動微粒、自由微粒、絕緣子上的微粒、絕緣子中的裂縫、絕緣中的氣泡和浮動電極。超聲信號的識別可以利用統(tǒng)計分類器，也可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

局放的檢測只是GIS絕緣監(jiān)測整個過程中的第一步。在當前情況下，局放監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測、識別和部分定位功能，但最終的定位和風險評估結(jié)論必須由專家給出。

5 結(jié)語

采用GIS局部放電在線監(jiān)測，對于防止GIS設(shè)備內(nèi)部故障的發(fā)生，隨時掌握運行工況，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患以及大幅度減少GIS設(shè)備故障率，具有十分重要的意義。但超聲波局部放電檢測法也存在一些不足之處，如對局部放電源的定位受外殼法蘭的個數(shù)影響，單個法蘭對聲信號的衰減為8dB，因此這種方法的檢測范圍為1～2個氣室。定位精度對接地側(cè)放電可達10cm左右，高壓側(cè)電暈時，這種定位方法就不適用了。且檢測范圍有限，要求有大量傳感器，測量比較費時，故對長期監(jiān)測不實用。

局部放電產(chǎn)生的超聲波信號包含了局部放電測量的多種信息，但是對這些信息的分析卻剛剛起步，因此對于局部放電超聲波法測量的深入研究，將可能得到令人鼓舞的結(jié)果，從而使局部放電的整體研究達到一個新的高度。

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