基于聲電綜合的GIS設(shè)備帶電檢修技術(shù)研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.042

摘" 要：該文主要探究特高頻檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法在GIS設(shè)備局部放電檢修中的應(yīng)用。首先介紹特高頻檢測(cè)和超聲波檢測(cè)的原理、流程和局部放電源定位方法。隨后對(duì)比分析2種局部放電檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)與不足，并結(jié)合某GIS設(shè)備帶電檢修實(shí)例，驗(yàn)證特高頻檢測(cè)與超聲波檢測(cè)的聯(lián)合應(yīng)用效果。結(jié)果表明，基于聲電綜合的GIS設(shè)備帶電檢修技術(shù)，發(fā)揮特高頻法靈敏度高、檢測(cè)范圍大，以及超聲波法定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，將局部放電源位置精確到2 cm以內(nèi)，為故障維修提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：特高頻檢測(cè)法；超聲波檢測(cè)法；GIS設(shè)備；聲電綜合檢修；超聲波定位

中圖分類號(hào)：TM855 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）32-0169-04

Abstract： This paper mainly discusses the application of UHF detection and ultrasonic detection in partial discharge maintenance of GIS equipment. Firstly， the principle and flow of UHF detection and ultrasonic detection and the location method of local discharge power supply are introduced. Then， the advantages and disadvantages of two partial discharge detection methods are compared and analyzed， and combined with an example of live maintenance of a GIS equipment， the combined application effect of UHF detection and ultrasonic detection is verified. The results show that the live maintenance technology of GIS equipment based on acousto-electric synthesis has the advantages of ultra-high frequency， high sensitivity， large detection range， high positioning accuracy and strong anti-interference ability of ultrasonic method， and the position of local discharge power supply is accurate to less than 2 cm， which provides a basis for fault maintenance.

Keywords： UHF detection; ultrasonic detection; GIS equipment; acousto-electric comprehensive maintenance; ultrasonic positioning

六氟化硫封閉式組合電器（GIS）是變電站電氣系統(tǒng)的核心組成。隨著運(yùn)行年限的增加，GIS設(shè)備由于自身材料的老化，以及長(zhǎng)期受到振動(dòng)、電磁干擾等因素的影響，容易出現(xiàn)局部放電故障。如果不能及時(shí)采取維修措施，容易造成GIS設(shè)備停運(yùn)，增加后期運(yùn)維成本并影響變電站的正常運(yùn)行。相比于常規(guī)的單一檢測(cè)方法，本文提出了一種將特高頻檢測(cè)法與超聲波檢測(cè)法相結(jié)合的組合式檢修技術(shù)，通過(guò)2種檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備局部放電故障的有效識(shí)別，以及精準(zhǔn)確定局部放電源的位置，在保障GIS設(shè)備安全可靠運(yùn)行方面發(fā)揮了重要價(jià)值。

1" GIS設(shè)備局部放電特高頻檢測(cè)法

1.1" 特高頻局部放電檢測(cè)原理

在GIS設(shè)備出現(xiàn)局部放電情況后，產(chǎn)生的電流脈沖具有頻率極高、持續(xù)很短的特點(diǎn)，可以激發(fā)500 MHz～5 GHz的特高頻電磁波。該電磁波以局部放電源為起點(diǎn)，沿著導(dǎo)體以特定速度進(jìn)行橫向傳播，在導(dǎo)體的一側(cè)安裝特高頻傳感器采集電磁波信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備局部放電的檢測(cè)。根據(jù)安裝位置的不同，特高頻傳感器可分為2種類型，即內(nèi)置傳感器和外置傳感器，檢測(cè)原理如圖1所示。

其中，內(nèi)置式傳感器是在GIS設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中嵌入到設(shè)備內(nèi)部，并且通過(guò)金屬殼密封等措施提高其抗干擾能力。當(dāng)GIS設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)局部放電后，內(nèi)置式傳感器能夠快速地捕捉到電磁波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電的精準(zhǔn)檢測(cè)。外置式傳感器則是安裝在GIS設(shè)備的非金屬材料處（電磁波只能通過(guò)非金屬材料向外傳播），用于檢測(cè)GIS設(shè)備是否存在特高頻信號(hào)，從而判斷是否存在局部放電現(xiàn)象。

1.2" 特高頻局部放電檢測(cè)流程

開(kāi)始局部放電檢測(cè)前，測(cè)試人員現(xiàn)場(chǎng)組裝檢測(cè)儀器，并檢查儀器工況、檢測(cè)背景信號(hào)，保證儀器正常運(yùn)行，排除電磁干擾，保證最終的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。準(zhǔn)備工作完成后，開(kāi)始對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行局部放電檢測(cè)。根據(jù)儀器采集信息判斷有無(wú)放電信號(hào)，如果未檢測(cè)到放電信號(hào)，則保存檢測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)束本次檢測(cè)；如果檢測(cè)到放電信號(hào)，需要進(jìn)一步確定局部放電源的位置。根據(jù)判斷結(jié)果，如果為外部放電源，則采取平分面法進(jìn)行精確定位；如果為內(nèi)部放電源，則采取時(shí)差定位法進(jìn)行精確定位。在確定了局部放電源的位置后，再判斷放電信號(hào)所屬類型，為下一步維修工作的開(kāi)展提供依據(jù)。完成上述檢測(cè)后，將所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，結(jié)束本次檢測(cè)任務(wù)。整個(gè)流程如圖2所示。

1.3" 基于特高頻的局部放電源定位方法

現(xiàn)階段常用的局部放電源定位方法主要有平分面法、信號(hào)幅值比較法、時(shí)差計(jì)算法等幾種[1]。其中，特高頻時(shí)差定位法具有定位精度高、檢測(cè)實(shí)時(shí)性好等優(yōu)勢(shì)，是一種常用的特高頻局部放電源定位方法，其定位原理如圖3所示。

如圖3所示，在GIS設(shè)備的左右兩側(cè)各放置1個(gè)外置傳感器。如果該設(shè)備出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，則2個(gè)外置傳感器會(huì)獲取來(lái)自不同路徑的特高頻信號(hào)。將來(lái)自X1路徑的特高頻信號(hào)記為f（t），來(lái)自X2路徑的特高頻信號(hào)記為g（t）。假設(shè)2個(gè)外置傳感器接收到特高頻信號(hào)的時(shí)間差為ΔT，則存在

式中：X表示2個(gè)傳感器之間的距離，X1和X2分別表示傳感器1和傳感器2與放電源之間的距離，c表示光速。這樣就能利用時(shí)間差ΔT確定放電源的位置，從而為檢修人員快速鎖定故障源并進(jìn)行維修處理提供了幫助。

2" GIS設(shè)備局部放電超聲波檢測(cè)法

2.1" 超聲波檢測(cè)原理

當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生局部放電故障后，原來(lái)存在于GIS介質(zhì)中并且處于穩(wěn)定狀態(tài)的雜質(zhì)，會(huì)因?yàn)殡妶?chǎng)力的突然消失而產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而引起超聲波。除此之外，局部放電產(chǎn)生的瞬時(shí)大電流，會(huì)因?yàn)殡娏鳠嵝?yīng)導(dǎo)致GIS設(shè)備放電部位的體積發(fā)生變化，也會(huì)產(chǎn)生超聲波[2]。根據(jù)超聲波傳播方向的不同，可以將GIS設(shè)備中的超聲波分為3類，即縱波、橫波、表面波。不同波的傳播介質(zhì)存在差異，例如縱波的傳播介質(zhì)是SF6氣體，而橫波的傳播介質(zhì)是GIS設(shè)備的金屬外殼。

超聲波隨著傳播距離的增加，會(huì)出現(xiàn)明顯的能量衰減。GIS設(shè)備所處環(huán)境存在多種干擾，當(dāng)超聲波受到干擾發(fā)生嚴(yán)重衰減后，很難捕捉到超聲波信號(hào)，進(jìn)而導(dǎo)致誤判。為了避免此類問(wèn)題，需要增加信號(hào)放大器，對(duì)采集到的超聲波信號(hào)進(jìn)行降噪和放大，從而提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。對(duì)GIS設(shè)備局部放電超聲波的檢測(cè)原理如圖4所示。

結(jié)合圖4可知，在GIS設(shè)備的外部安裝接觸式傳感器，當(dāng)GIS設(shè)備的某個(gè)導(dǎo)體上發(fā)生局部放電故障后，局部放電源產(chǎn)生的超聲波會(huì)以自身為中心向四周擴(kuò)散。此時(shí)超聲波傳感器會(huì)接收到信號(hào)，使用前置放大器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大后，通過(guò)線纜將該放大后的信號(hào)發(fā)送給檢測(cè)主機(jī)。經(jīng)過(guò)檢測(cè)主機(jī)的數(shù)據(jù)處理與分析后，得出相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果，并在人機(jī)交互界面上顯示局部放電源的位置信息[3]。

2.2" 超聲波放電源定位方法

現(xiàn)階段常用的局部放電源超聲波定位方法有2種，即幅值法、時(shí)差法。前者是利用了超聲波的衰減程度與放電源距離呈正相關(guān)的特點(diǎn)，根據(jù)超聲波信號(hào)的峰值或有效值進(jìn)行定位；后者與上文超高頻的時(shí)差定位原理相同，不再贅述。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，時(shí)差定位法雖然具有定位精度高的優(yōu)勢(shì)，但是鑒于GIS設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且不同型號(hào)的GIS設(shè)備在結(jié)構(gòu)組成上也存在明顯差異，這就讓傳感器的安裝和放電源空間坐標(biāo)的確定存在較大難度。因此，從實(shí)用性方面考慮，在超聲波放電源定位中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇幅值定位法。

3" 面向GIS設(shè)備局部放電的聲電綜合檢測(cè)技術(shù)

結(jié)合上文分析，可以總結(jié)出特高頻檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)。

特高頻檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高。當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生局部放電故障后，產(chǎn)生大量的特高頻信號(hào)，并且由于GIS設(shè)備內(nèi)部屬于同軸結(jié)構(gòu)，使得特高頻信號(hào)傳播過(guò)程中衰減不明顯，傳感器可以精準(zhǔn)捕捉特高頻信號(hào)，從而保證了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。該方法的缺點(diǎn)是容易受到電磁干擾，在放電源定位方面容易出現(xiàn)坐標(biāo)誤差。

超聲波檢測(cè)法則是利用外置可移動(dòng)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，不與GIS設(shè)備內(nèi)部電路產(chǎn)生聯(lián)系，也就不存在電磁干擾問(wèn)題，這就使得超聲波檢測(cè)法在精準(zhǔn)定位局部放電源坐標(biāo)方面具有突出優(yōu)勢(shì)。其缺點(diǎn)在于超聲波在傳播過(guò)程中，受到反射、折射等作用而發(fā)生衰減，因此檢測(cè)靈敏度要低于特高頻法[4]。

基于此，在GIS設(shè)備局部放電維修工作中，可以將特高頻檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法結(jié)合起來(lái)，通過(guò)聲電結(jié)合實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而提高檢測(cè)精度和定位精度，保障檢修工作的順利開(kāi)展。

4" 基于聲電綜合的GIS設(shè)備帶電檢修實(shí)例

4.1" 故障情況

某110 kV變電站在開(kāi)展六氟化硫封閉式組合電器（GIS）檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)疑似放電信號(hào)，遂安排檢修人員開(kāi)展復(fù)測(cè)。

4.2" 特高頻檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)人員首先使用便攜式特高頻局部放電測(cè)試儀器對(duì)出現(xiàn)疑似放電信號(hào)的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)圖譜發(fā)現(xiàn)7#刀閘與I母線處信號(hào)幅值最大，得出初步結(jié)論：故障位于7#刀閘或I母線氣室內(nèi)。然后采取時(shí)差定位法確定局部放電源的精確位置。檢測(cè)結(jié)果顯示，7#刀閘A、C兩相絕緣子的傳感器接收信號(hào)的間隔為18 ms，信號(hào)幅值大體相同，表明A相和C相絕緣子檢測(cè)到的信號(hào)屬于同一放電源。將7#刀閘C相盆式絕緣子定義為P1，7#刀閘A相支柱絕緣子定義為P2，I母線盆式絕緣子定義為P3，如圖5所示。

對(duì)P1、P2、P3 3處進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明P1和P2處時(shí)間差為4 ns，P2和P3處時(shí)間差為11 ns。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，P1和P2兩點(diǎn)最短直線距離為1.8 m，P2和P3 2點(diǎn)最短直線距離為3.9 m。結(jié)合上文介紹的特高頻時(shí)差定位方法，可以得出結(jié)論局部放電源位于P2和P3兩點(diǎn)之間，并且距離P2處約為0.3 m。

4.3" 超聲波檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)人員使用特高頻時(shí)差定位法，確定了局部放電源位于P2附近，即7#刀閘A相支柱絕緣子處，但是定位精度不夠精確。因此，檢測(cè)人員充分發(fā)揮超聲波能夠精確定位信號(hào)源方面的優(yōu)勢(shì)，采取聲電綜合的檢修技術(shù)。根據(jù)DL/T 2277—2021《電力設(shè)備帶電檢測(cè)儀器通用技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，GIS本體超聲波局部放電檢測(cè)中，相對(duì)值小于等于5 dB的，屬于“正?！惫r；相對(duì)值在6～10 dB的，屬于“異?！惫r；相對(duì)值超過(guò)10 dB的，屬于“存在局放缺陷”。這里的“相對(duì)值”為檢測(cè)值與背景值之差[5]。

在超聲波檢測(cè)中，將7#刀閘A相支柱絕緣子上從左至右等間隔布置了6個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并標(biāo)記為A、B、C、D、E、F。然后使用超聲波測(cè)試儀分別采集6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的超聲波信號(hào)，背景噪聲統(tǒng)一設(shè)定為14 dB。6個(gè)測(cè)點(diǎn)的超聲波檢測(cè)值與相對(duì)值如圖6所示。

結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn)，7#刀閘A相支柱絕緣子確實(shí)存在局部放電信號(hào)。其中，A、F兩點(diǎn)的相對(duì)值分別為5 dB和4 dB，對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)屬于正常范圍；B、E兩點(diǎn)的相對(duì)值分別為6 dB和7 dB，說(shuō)明檢測(cè)信號(hào)存在異常；而C、D兩點(diǎn)的相對(duì)值均超過(guò)了10 dB，說(shuō)明存在局部放電故障。這樣就能將局部放電源的位置縮小到2 cm以內(nèi)，基本上能夠鎖定局部放電源的精確位置。

4.4" 故障檢修結(jié)果

在本次GIS設(shè)備局部放電檢測(cè)中，檢測(cè)人員綜合運(yùn)用特高頻檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法，最終確定局部放電源的位置在7#刀閘A相支持絕緣子的C、D兩點(diǎn)之間。隨后檢修人員拆開(kāi)設(shè)備，檢查發(fā)現(xiàn)C、D兩點(diǎn)之間的絕緣子存在氣隙，是造成本次局部放電的根本原因。更換絕緣子后，再次檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)局部放電源消失。本次基于聲電綜合的GIS設(shè)備帶電檢修作業(yè)，充分發(fā)揮了特高頻法靈敏度高、檢測(cè)范圍大，以及超聲波法定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，兩者互補(bǔ)快速、準(zhǔn)確地確定局部放電源，為故障排查提供了參考。

5" 結(jié)束語(yǔ)

局部放電是GIS設(shè)備運(yùn)行中常見(jiàn)的故障之一，該故障的產(chǎn)生原因多樣、危害后果嚴(yán)重，需要引起檢修人員的重視?；诼曤娋C合的帶電檢修技術(shù)，能夠融合超聲波檢測(cè)和特高頻檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，首先利用特高頻檢測(cè)法高靈敏度的特性，在局部放電故障發(fā)生早期準(zhǔn)確識(shí)別微弱的信號(hào)，讓檢修人員確認(rèn)局部放電故障是否存在；如果確實(shí)存在局部放電，再使用超聲波檢測(cè)確定局部放電源的具體位置，然后有針對(duì)性地進(jìn)行拆機(jī)維修，提高了維修效率。

參考文獻(xiàn)：

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第一作者簡(jiǎn)介：劉學(xué)（1996-），男，助理工程師。研究方向?yàn)樘馗邏鹤冸娬咀冸姍z修。