GIS帶電檢測中超聲波干擾信號的多維度綜合分析方法研究

杜 偉，楊 勇，梅冰笑，董雪松，邵先軍

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

GIS帶電檢測中超聲波干擾信號的多維度綜合分析方法研究

杜 偉，楊 勇，梅冰笑，董雪松，邵先軍

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

超聲波局部放電檢測法被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場GIS帶電檢測工作中，但該方法在現(xiàn)場實測時，受多種因素影響產(chǎn)生的干擾信號嚴重影響了缺陷診斷的準確性。通過對現(xiàn)場檢測的超聲波異常信號開展分析，綜合屏蔽法、相位法、時差定位法等手段對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行診斷。該方法可用于指導(dǎo)現(xiàn)場超聲波檢測時干擾信號的分析與排除。

GIS；超聲波；帶電檢測；局部放電；干擾信號

0 引言

GIS（氣體絕緣組合電器）因具有占地面積小、維護工作量少、絕緣性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于高壓輸電領(lǐng)域。為保證GIS設(shè)備安全可靠運行，需對GIS進行周期性帶電檢測和日常維護[1]。

超聲波檢測法是最早應(yīng)用于GIS設(shè)備局部放電帶電檢測的方法之一，積累了大量現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗。其檢測原理是：當GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時，伴隨有超聲波信號的產(chǎn)生。使用耦合硅膠將超聲波傳感器貼附在GIS腔體上，通過壓電傳感器接收內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的超聲波信號（10～200 kHz），通過對聲波信號的診斷分析來判斷GIS內(nèi)部是否有放電現(xiàn)象[2-3]。由于超聲波檢測受電磁信號干擾較小，且不受試品容量的限制，可以根據(jù)聲波信號對缺陷進行有效定位，該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于GIS設(shè)備日常檢測、缺陷診斷中。

超聲波信號傳輸過程中衰減較大，信號失真嚴重，易受設(shè)備本身機械振動及環(huán)境噪聲的影響。此外，若超聲波測量儀器含有外置放大器，高頻電磁干擾信號會通過放大器裸露端口耦合進入儀器，在超聲信號采集分析儀上引起頻率較高的雜亂交變信號，從而影響有效信號的讀取與分析[4]。以上情況對超聲波測量的準確度均有嚴重影響，在現(xiàn)場超聲波測量中應(yīng)引起重點關(guān)注。

近年來，國內(nèi)外對GIS設(shè)備中典型缺陷局部放電超聲波檢測進行了大量的研究工作，主要集中在放電模式識別、放電點定位等方面，取得了一定的研究成果。然而，關(guān)于GIS設(shè)備現(xiàn)場帶電檢測中超聲波干擾信號的識別提及甚少。結(jié)合現(xiàn)場實測情況，對超聲波異常信號采用信號屏蔽、時差定位、相位定位等多種方法進行綜合分析，排查異常信號產(chǎn)生的原因，最終確認檢測到的異常信號屬于干擾信號，而非GIS設(shè)備故障引起的超聲波異常信號。在上述基礎(chǔ)上，提出了多手段綜合分析GIS帶電檢測中超聲波干擾信號的方法，以期為超聲波異常信號的分析診斷提供重要的依據(jù)。

1 超聲波干擾信號產(chǎn)生機理

在變電站進行現(xiàn)場特高頻、超聲波測試時，通常會受到變電站內(nèi)局部放電產(chǎn)生的聲音點與EMI（電磁干擾）信號的影響。局部放電主要來自變壓器母線兩端耐張線夾處、高壓架空線路的耐張桿塔處、出線套管與線路搭接處、接地刀閘靜觸頭等位置。

EMI信號通常會影響試驗儀器采集信號的完整性與準確性，在現(xiàn)場試驗時應(yīng)特別關(guān)注。EMI信號傳播途徑一般分為傳導(dǎo)耦合方式和輻射耦合方式。傳導(dǎo)耦合必須有完整的電路連接，信號通過導(dǎo)電介質(zhì)傳遞到試驗儀器的敏感器，從而發(fā)生干擾現(xiàn)象。輻射耦合指EMI信號以電磁波的形式通過截止傳播，干擾能量按電磁場規(guī)律向周圍空間發(fā)射。常見的輻射耦合有3種：甲天線發(fā)射的電磁波被乙天線意外接收，稱為天線對天線耦合；空間電磁場經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)而耦合，稱為場對線的耦合；2根平行導(dǎo)線之間的高頻信號感應(yīng)，稱為線對線的感應(yīng)耦合。

超聲波檢測儀具有抗電磁干擾能力強的特點，但并非不受電磁干擾的影響，尤其是有外置放大器的檢測儀器，例如：Transinor AS廠家的AIA超聲波檢測儀，在高處進行超聲波測量時，EMI信號通過前置放大器的接口端子耦合進入試驗儀器，進而通過傳導(dǎo)耦合的方式傳至儀器敏感器，對儀器的測量信號產(chǎn)生影響?，F(xiàn)場檢測時，常常使用鋁箔包裹外置放大器接口端子處，以屏蔽EMI信號。

變電站電暈放電亦會產(chǎn)生聲波信號，對現(xiàn)場GIS超聲波檢測造成干擾。由于這些聲波信號與GIS氣室內(nèi)部局部放電形成的聲信號特征譜圖一致，難以分析，故現(xiàn)場測試時，需對異常信號進行比對，通過超聲波信號定位進一步確認。

超聲波信號幾乎無法通過盆式絕緣子從一個氣室傳播至相鄰的氣室。在同一氣室內(nèi)，GIS局部放電發(fā)出的超聲波信號一般通過2條路徑傳播至傳感器：一條由局部放電源以縱波的形式直接傳播至GIS外殼，即直達波；另一條先通過縱波傳至GIS外殼，再以橫波的形式通過筒壁傳播至傳感器，此部分為復(fù)合波[5]。由于復(fù)合波通過筒壁傳播速度快且衰減大，往往先到達傳感器，但其幅值比直達波小很多，信號譜圖不明顯。在現(xiàn)場測量時，超聲波定位常常以直達波為準。

此外，設(shè)備正常工作狀況下，TV（電壓互感器）和TA（電流互感器）的內(nèi)置繞組和鐵芯會產(chǎn)生周期性的交變電磁場，引起磁滯伸縮現(xiàn)象[6]。所謂磁滯伸縮現(xiàn)象，即為鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉外磁場后，又恢復(fù)原來長度的現(xiàn)象。由于磁化狀態(tài)的改變，其磁性物質(zhì)尺寸在各方向發(fā)生變化，產(chǎn)生振動現(xiàn)象。所以，現(xiàn)場超聲波測量中，若TV氣室和TA氣室的超聲波信號異常，應(yīng)通過縱向、橫向比較的方式，對照歷史數(shù)據(jù)，綜合分析。

2 超聲波干擾信號數(shù)據(jù)及分析

2.1 電磁信號干擾

2.1.1 測量數(shù)據(jù)

在某500 kV變電站550 kV HGIS設(shè)備區(qū)域現(xiàn)場檢測時發(fā)現(xiàn)，某開關(guān)間隔A相隔離開關(guān)筒壁處超聲波信號異常，信號譜圖如圖1所示。由圖所知，超聲波局部放電信號有效值為0.25 mV，周期峰值為1.5 mV，在連續(xù)模式下，該測點信號具有一定的50 Hz/100 Hz相關(guān)性。

將超聲波探頭置于隔離開關(guān)A相附近空氣背景中，同樣存在超聲波異常信號，信號譜圖如圖2所示。由圖可知，超聲信號有效值為0.40 mV，周期峰值為1.9 mV，在連續(xù)模式下，具有一定的50 Hz/100 Hz相關(guān)性。

為排除外界電磁引起的超聲波干擾信號，用鋁箔包裹超聲波放大器接口，如圖3所示。

屏蔽外界電磁干擾信號后對隔離開關(guān)A相再次進行檢測，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖1 隔離開關(guān)A相測點的超聲波信號譜圖

圖2 隔離開關(guān)A相附近空氣背景超聲波信號譜圖

圖3 鋁箔屏蔽后的放大器

由圖4可知，經(jīng)過鋁箔屏蔽后，隔離開關(guān)A相所測信號明顯降低，有效值降為0.15 mV，周期峰值降為0.90 mV，連續(xù)模式下，50 Hz/100 Hz相關(guān)性減弱。

圖4 鋁箔屏蔽后隔離開關(guān)A相測點超聲波信號譜圖

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

因檢測區(qū)域套管頂部存在明顯的電暈放電現(xiàn)象，現(xiàn)場電暈聲音清晰。隔離開關(guān)A相位于高處，超聲波測量時需要登高，測點距離檢測區(qū)域電暈放電套管頂部較近。將探頭置于隔離開關(guān)A相筒壁周圍空氣中，超聲波異常信號仍然存在，且信號幅值強于A相筒壁處測點超聲波信號。兩者信號相位譜圖特征一致，呈2條斜天線狀，屬于同源信號。

屏蔽超聲波放大器接口后，隔離開關(guān)A相筒壁信號幅值明顯變小，50 Hz/100 Hz相關(guān)性減弱，但由于無法完全屏蔽電磁耦合信號，超聲信號仍然存在。其相位譜圖與未屏蔽時筒壁周邊空氣中超聲信號相位譜圖特征一致，為同源信號。

因此，現(xiàn)場所測隔離開關(guān)A相處超聲波異常信號由檢測區(qū)域套管頂部電暈放電產(chǎn)生的電磁干擾信號耦合進入超聲波檢測儀前置放大器所致，為超聲波電磁干擾信號。

2.2 聲波信號干擾

2.2.1 測量數(shù)據(jù)

在某500 kV變電站252 kV HGIS設(shè)備區(qū)域進行超聲波檢測時發(fā)現(xiàn)，靠近接地刀閘靜觸頭的筒壁測點均存在超聲波異常信號。以某開關(guān)間隔為例，對其TA氣室、TA與隔離開關(guān)連接段氣室進行測量分析。測點位置分布如圖5所示。

TA測點（以下簡稱測點1）與連接段測點（以下簡稱測點2）的超聲波信號連續(xù)、相位譜圖如圖6所示。由圖可知，測點1處超聲波信號有效值為0.16 mV，周期峰值為2.5 mV，在連續(xù)模式下，50 Hz/100 Hz相關(guān)性較大；測點2的超聲波信號有效值為0.19 mV，周期峰值為2.1 mV，連續(xù)模式下，同樣具有較大的50 Hz/100 Hz相關(guān)性。2處測點的相位譜圖特征一致，具有同源性。

將超聲波探頭置于A相接地刀閘周邊的空氣背景中進行超聲波測量，同樣測得超聲波異常信號?？諝獗尘皽y點（以下簡稱測點3）的超聲波信號譜圖如圖7所示。由圖可知，測點3超聲波信號有效值為0.19 mV，周期峰值為2.2 mV，連續(xù)模式下，存在50 Hz/100 Hz相關(guān)性。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

比較圖6、圖7可知，實測TA處測點、連接段處測點與空氣背景中的超聲波信號相位譜圖特征一致，初步認為3處信號為同源信號，所測的超聲波異常信號為干擾信號。為確定干擾信號的類型，與相關(guān)標準（DL/T 1250-2013）、導(dǎo)則（Q/GDW 11059.1-2013）中所給出的典型譜圖進行了比對。根據(jù)圖8提供的典型GIS毛刺放電信號的超聲波相位譜圖可知，3處測點的相位譜圖與典型毛刺譜圖特征類似，呈毛刺放電特征。

為確定超聲波傳感器所測干擾信號的來源，采用相位角和時差2種方法來確定干擾源位置。對3個測點進行相位定位。各測點與線路接地刀閘靜觸頭間距離如表1所示。

圖5 開關(guān)間隔A相測點位置分布

圖6 測點處超聲波連續(xù)、相位譜圖

圖7 空氣背景測點超聲波信號譜圖

定位結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，測點3相位角超前測點1相位角65°，測點1相位角超前測點2相位角28°。由此可知，超聲波干擾信號由線路A相接地刀閘發(fā)出，信號通過空氣傳至TA與連接段測點，TA測點先接收到信號。

圖8 典型毛刺放電相位譜圖

表1 測點與線路接地刀閘靜觸頭間距離

圖9 相位角定位圖

現(xiàn)場進行超聲波信號定位時，相位定位采用公式為：

式中：Δδ為相角差；Δx為距離差；v為聲速，即340 m/s。

按表1實測距離通過公式（1）進行相位換算，空氣背景信號相位角領(lǐng)先TA測點相位角80.36°，TA測點相位角領(lǐng)先連接段測點相位角26.63°。計算結(jié)果與實測結(jié)果基本一致，說明信號是先經(jīng)空氣再傳播到GIS筒壁上。

為進一步確定超聲波異常信號來源，對連接段測點與空氣背景測點進行示波器時差定位。定位結(jié)果如圖10所示，其中CH1為連接段測點信號，CH2為空氣背景測點信號。由圖可知，CH2信號領(lǐng)先CH1約5.7 ms。通過時差定位公式（2）計算：

式中：Δx為距離差；Δt為時間差；v為聲速。

圖10 時差定位

由結(jié)果可知，2個測點間距離為1.952 m，與實測距離差2.021 m接近（如表1所示）。故確定干擾源位于A相接地刀閘靜觸頭處，干擾信號經(jīng)空氣傳播至GIS筒壁。

綜上所述，現(xiàn)場實測超聲波異常信號為干擾信號，信號類型呈毛刺放電，由測量筒壁附近A相接地刀閘靜觸頭處傳出。

2.3 設(shè)備自身信號的干擾

2.3.1 測量數(shù)據(jù)

在某500 kV變電站252 kV GIS設(shè)備區(qū)域內(nèi)進行超聲波檢測時發(fā)現(xiàn)，TV氣室均存在超聲波異常信號。以某開關(guān)間隔TV A相氣室為例，測量分析?，F(xiàn)場測量中，超聲波背景信號有效值為0.15 mV，周期峰值為0.54 mV，無頻率分量，背景信號正常。TV A相氣室超聲波信號譜圖如圖11所示，測點處超聲波信號有效值為0.18 mV，周期峰值為0.87 mV，在連續(xù)模式下，存在50 Hz/100 Hz相關(guān)性。

2.3.2 測量分析

現(xiàn)場測量中背景信號正常，TV A相測點存在超聲異常信號。為確定超聲波異常信號類型，與相關(guān)標準（DL/T 1250-2013）、導(dǎo)則（Q/GDW 11059.1 -2013）中所給出的典型圖譜（如圖12所示）進行比對。可知，開關(guān)間隔TV A相測點的超聲波相位譜圖與典型振動圖譜特征基本類似，呈內(nèi)部機械振動特征。

由于所測變電站252 kV設(shè)備區(qū)域內(nèi)TV氣室均存在超聲波異常信號，譜圖特征一致，說明該站的252 kV GIS TV的超聲波信號不是由內(nèi)部缺陷引起，而是由設(shè)備自身結(jié)構(gòu)引起的。

3 結(jié)語

現(xiàn)場超聲波測量時，應(yīng)及時參考歷史數(shù)據(jù)，橫向、縱向比對，進行多維度綜合分析，排除潛在的超聲波干擾信號，提高現(xiàn)場檢測的準確性。

對有前置放大器且進行高處測量的情況，需重點關(guān)注電磁信號的干擾。經(jīng)過大量的現(xiàn)場測量，認為圖2中的信號譜圖為典型的電磁干擾信號譜圖，頻率分量明顯，且100 Hz分量大于50 Hz分量，相位譜圖呈2條斜天線狀，有一定的傾斜角。

若GIS筒壁中存在的異常信號相位譜圖與DL/T 1250-2013，Q/GDW 11059.1-2013中給出的典型異常信號相位譜圖特征相似，且測點空氣背景中存在相同的超聲波信號，則初步斷定為干擾信號，需通過相位法、時差法進一步確定信號來源，判斷是否為干擾信號。

GIS設(shè)備中TV和TA中檢測到的超聲波振動信號，若有效值小于0.5 mV，周期峰值小于1.5 mV，頻率分量較小，則該信號為設(shè)備自身特殊結(jié)構(gòu)引起的磁滯伸縮現(xiàn)象所致，可不做處理。若信號幅值大于上述值，需進一步測量分析。

圖11 TV A相測點處超聲波連續(xù)、相位譜圖

圖12 典型機械振動相位譜圖

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（本文編輯：徐 晗）

Research on The Multi-dimensional Comprehensive Analysis Method of Ultrasonic Interference Signal in Live Detection of GIS

DU Wei，YANG Yong，MEI Bingxiao，DONG Xuesong，SHAO Xianjun

（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Ultrasonic-based partial discharge detection method is widely used in live detection of field GIS. But in actual field detection，the accuracy of defect diagnosis of this method is seriously affected by the interference signal due to various factors.In this paper，the abnormal ultrasonic signal in field detection is analyzed，and through the shielding method，phase method，time difference location method the field test data are diagnosed.The method can be used to direct the analysis and elimination of interference signal in field ultrasonic detection.

GIS；ultrasonic；live detection；partial discharge；interference signal

TM835.3

B

1007-1881（2016）10-0001-06

2016-03-28

杜 偉（1988），男，工程師，從事電力系統(tǒng)高壓試驗工作。