论文部分内容阅读
摘要： 依据目前气体绝缘金属封闭电器（以下简称GIS）设备内部故障检测的要求，结合现场检测工作的实际情况，对GIS设备局部放电超声波法测试的仪器使用方法、测试过程及图谱分析的说明。
关键词： 局部放电 超声波法
1 概述
GIS（GIL）进行现场超声波局部放电测试的目的是检查装配的各气室是否有局部放电产生，绝缘性能是否完好，防止意外因素（如安装错误，包装运输、贮存和安装调试中的损坏，存在异物等）导致内部故障，或者长期运行过程中产生的松动、接触不良等故障。
对于投运满一年（质量保证期将满时），应进行超声波局部放电测量，与交接试验数据相比，以便对GIS（GIL）设备健康状况进行评估。
1.1. 对于运行中的GIS（GIL）设备，建议：330千伏及以上GIS（GIL）设备至少每半年进行一次超声波局部放电测量，330千伏以下GIS（GIL）设备至少每一年进行一次超声波局部放电测量。
1.2. 经检修的GIS（GIL）设备在零起升压时应进行检修部位的超声波法局部放电测试。
1.3. 对一些检测到有疑问的间隔部位，应缩短周期进行测量，其测量周期应根据该点的测试数据决定。
1.4. 对于一些运行年限超过25年的GIS（GIL）测试周期应适当缩短，其测量周期取决于GIS（GIL）设备的重要性，以及同类GIS（GIL）设备过去的运行业绩。
2. 测量仪器及测量方式
2.1. 超声波局部放电测试仪（AIA-1）
超声波局部放电测试仪（AIA-1）基本原理：采用超声波的原理，工作频段为10kHz-500kHz。当有放电发生或颗粒跳动时产生的声信号通过行波的形式传输到壳体上，将超声传感器贴在金属壳体外接收信号，可检测放电信号的大小、频率等特性，以判断故障。
2.2. 测量方式
2.2.1. 连续测量方式
连续测量方式下图象为四个水平柱信息，由上到下分别表示：（其尺寸与信号成分成正比）
——一个工频周期中的RMS（有效值）信号，
——一个工频周期中的峰值信号，
——用工频周期的调制程度，
——用二倍工频周期的调制程度。
下图表示连续测量方式时显示的一个实例
根据以下基本规则初步判断故障：
——跳动颗粒信号具有以下特征：幅值高、周期性峰值与有效值之比大、峰值发散性大，它与50/100Hz的相关性很小，可使用脉冲测量方式进一步分析和识别。
——毛刺、凸起等产生的弱局放含有较高的50Hz成分，可使用相位测量方式进一步分析和识别。
——松动屏蔽或大局放的放电信号有相当高的100Hz成分，但也有一些50Hz成分，可使用相位测量方式进一步分析和识别。。
2.2.2. 脉冲测量方式
当电场的库仑力超过重力，颗粒将会上下跳动。颗粒每碰撞壳体一次，就发射一个宽带瞬态声脉冲，它在壳体内来回传播。来自这种颗粒的声音信号是颗粒端部的局部放电和颗粒碰撞壳体的混合信号。
在识别到信号是由颗粒引起以后，应进行脉冲测量测量方式分析。如果信号是单个颗粒，则可得到如下图所示的特征模式图，“飞行时间”是颗粒每次在壳体上碰撞之间的时间间隔。下图所示的模式和颗粒的特性密切相关，颗粒以抛物线方式跳动。
2.2.3. 相位测量方式
超声波局部放电测试仪的相位测量方式是通过同步单元实现的，同步单元由仪器电源（230VAC/110VDC）适配器供电工作，通过同时采集工频电源的相位和内部故障的超声波信号，得到一个与工频电源有关的幅值与相位关系图。
相位图主要用于判断局部放电和工频周期存在的关系。下图表示在电气悬浮屏蔽放电与工频周期的相关性。
3. 测试方法
为了保证传感器和壳体良好接触，需要使用专用润滑剂，主要目的是为了避免在传感器和壳体之间产生气泡。
固定传感器并开始检测，首先调节增益，使信号在连续测量方式中的显示大小适当，同时又保证信号不溢出。观察有效值和周期峰值，如果这两个信号稳定，则说明不存在颗粒，如果这两个信号波动，则可能有颗粒在壳体上跳动，可以通过在脉冲方式下接通扬声器对信号进行辨别。在绝缘子上存有凸起物时也可观察到波动的有效值和峰值，在这种情况下信号会短时消失。当存在局部放电信号时，有效值和峰值基本相同，当存在一个或多个颗粒跳动时，观测到的峰值/有效值之比较大。
3.1.1. 脉冲测量方法
脉冲测量方式记录碰撞信号的峰值，同时计时器开始记录时间和碰撞次数（1000次）。所记录的这些数据以黑点的方式显示在显示屏上。
进入脉冲测试菜单，启动测量，此时屏幕显示测量状态（“M”表示测量继续进行）、碰撞次数等信息，当测量次数已经达到设定值，则测量停止（“M”消失），并储存数据。
测试过程中应注意防止数据溢出，当数据溢出时（Y轴或X轴上出现一个*号），通过调整增益或时间范围，重新进行测量。如果测试获取信息不明显，可调整触发线路的参数设置。
3.1.2. 连续测量方法
连续测量方式用来检测和识别GIS（GIL）中的局部放电和颗粒，识别颗粒需要采用脉冲测量方式（根据图a的流程图1），识别局部放电强弱的方法如图c的流程图3所示。
通过此流程图可识别GIS（GIL）中的局放
1） 观察连续测量方式中的频率成分1和频率成分2，如果存在这两种频率成分，则说明有局放。
2） 如果频率2的水平高于频率1，则存在着松动屏蔽或较强局放。这是因为较强局放以及电气上松动的屏蔽放电出现在工频电压的两个半波上，可用相位测量方式观察幅值与相位的关系图可进一步验证。 3） 如果频率1的水平大于频率2，则说明局部放电出现在工频电压的一个半波上，即弱局放，可用相位测量方式观察幅值与相位的关系图可进一步验证。
3.1.3. 故障定位
1） 首先用移动传感器并观察信号水平的方法，在GIS（GIL）的轴线方向对故障源进行定位。如果信号水平的最大值在GIS（GIL）的较大范围出现，则故障源一般在中心导体上。如果最大值在一个特定点出现，则故障一般在壳体上。
2） 由于SF6气体的特性，高频比低频衰减严重。这个特性可以用来识别故障源在中心导体上还是壳体上。局放信号由于位置不同而具有不同的频谱。宽带声信号通过SF6气体传播时，高频范围比低频范围衰减大。检测局放和电晕时，信号大约在10 kHz到100 kHz的频谱范围。壳体上的局放因未受到气体的衰减而反映出宽带声信号。从中心导体传播来信号的高频成分被气体衰减。所以改变滤波器的频率设置可以进行定位。定位的方法是把设置菜单中的上限频率从100 kHz减小到50 kHz，如果频率成分1和频率成分2都明显减小，则缺陷一般在壳体上，这是因为滤波器截去了信号中50 kHz以上的成分，说明声信号是宽带的。如果信号水平不变，则缺陷一般在中心导体上。因为高频成分已经由于气体的衰减而减弱。中心导体上的局放（高场强）比壳体上的局放（低场强）对绝缘系统的危害更严重。
4. 测试点选择
测试点选点基本原则是所有独立的气室至少必须有一个测试点，这是因为绝缘子和法兰使声信号明显衰减。在每两个法兰之间有一个测试点也是必须的。
测试点密度：法兰之间最少1-2个点，一般选择气室的侧下方作为选点位置，母线筒选择靠近绝缘支撑部件的位置，在GIS（GIL）拐臂、断路器断口处、隔离刀闸、接地刀闸、CT、PT、避雷器等处均应设置测试点。
5. GIS（GIL）设备内部故障诊断
在GIS（GIL）组合电器内部常见故障如下图所示：
GIS（GIL）系统中的缺陷可能是工厂制造或现场安装过程中产生的，也有可能是正常运行中产生的（如快速接地开关或短路器的操作产生的颗粒）。
表面电晕放电：接地或带电部分上的凸起，这类缺陷使局部电场增高，将使雷电冲击耐受电压水平大大降低，依据相关研究，通常导体上超过1—2mm的凸起是明显有害的，由于壳体上的电场强度较低，所以壳体上的类似凸起危害较小。
导电微粒放电：自由移动的颗粒对雷电冲击耐受电压水平影响较小，但他们的存在可能使交流耐受电压水平明显降低，降低的多少取决于颗粒的形状及位置，颗粒越长而且越接近高压导体，危险性越大，如果他们移动到绝缘子上，则变得更危险。绝缘子上的颗粒随着时间的推移也可能使绝缘子表面劣化，从而引起闪络。
悬浮电位放电：如果电场屏蔽机械松动，则可能形成电位悬浮，如果松动的屏蔽正好在带电的电极上，则会引起屏蔽和电极之间的放电，此类放电将产生较大的声信号。
作者简介：朱月青（1964-），江苏人，助理工程师，长期从事大坝生产经营管理工作。
关键词： 局部放电 超声波法
1 概述
GIS（GIL）进行现场超声波局部放电测试的目的是检查装配的各气室是否有局部放电产生，绝缘性能是否完好，防止意外因素（如安装错误，包装运输、贮存和安装调试中的损坏，存在异物等）导致内部故障，或者长期运行过程中产生的松动、接触不良等故障。
对于投运满一年（质量保证期将满时），应进行超声波局部放电测量，与交接试验数据相比，以便对GIS（GIL）设备健康状况进行评估。
1.1. 对于运行中的GIS（GIL）设备，建议：330千伏及以上GIS（GIL）设备至少每半年进行一次超声波局部放电测量，330千伏以下GIS（GIL）设备至少每一年进行一次超声波局部放电测量。
1.2. 经检修的GIS（GIL）设备在零起升压时应进行检修部位的超声波法局部放电测试。
1.3. 对一些检测到有疑问的间隔部位，应缩短周期进行测量，其测量周期应根据该点的测试数据决定。
1.4. 对于一些运行年限超过25年的GIS（GIL）测试周期应适当缩短，其测量周期取决于GIS（GIL）设备的重要性，以及同类GIS（GIL）设备过去的运行业绩。
2. 测量仪器及测量方式
2.1. 超声波局部放电测试仪（AIA-1）
超声波局部放电测试仪（AIA-1）基本原理：采用超声波的原理，工作频段为10kHz-500kHz。当有放电发生或颗粒跳动时产生的声信号通过行波的形式传输到壳体上，将超声传感器贴在金属壳体外接收信号，可检测放电信号的大小、频率等特性，以判断故障。
2.2. 测量方式
2.2.1. 连续测量方式
连续测量方式下图象为四个水平柱信息，由上到下分别表示：（其尺寸与信号成分成正比）
——一个工频周期中的RMS（有效值）信号，
——一个工频周期中的峰值信号，
——用工频周期的调制程度，
——用二倍工频周期的调制程度。
下图表示连续测量方式时显示的一个实例
根据以下基本规则初步判断故障：
——跳动颗粒信号具有以下特征：幅值高、周期性峰值与有效值之比大、峰值发散性大，它与50/100Hz的相关性很小，可使用脉冲测量方式进一步分析和识别。
——毛刺、凸起等产生的弱局放含有较高的50Hz成分，可使用相位测量方式进一步分析和识别。
——松动屏蔽或大局放的放电信号有相当高的100Hz成分，但也有一些50Hz成分，可使用相位测量方式进一步分析和识别。。
2.2.2. 脉冲测量方式
当电场的库仑力超过重力，颗粒将会上下跳动。颗粒每碰撞壳体一次，就发射一个宽带瞬态声脉冲，它在壳体内来回传播。来自这种颗粒的声音信号是颗粒端部的局部放电和颗粒碰撞壳体的混合信号。
在识别到信号是由颗粒引起以后，应进行脉冲测量测量方式分析。如果信号是单个颗粒，则可得到如下图所示的特征模式图，“飞行时间”是颗粒每次在壳体上碰撞之间的时间间隔。下图所示的模式和颗粒的特性密切相关，颗粒以抛物线方式跳动。
2.2.3. 相位测量方式
超声波局部放电测试仪的相位测量方式是通过同步单元实现的，同步单元由仪器电源（230VAC/110VDC）适配器供电工作，通过同时采集工频电源的相位和内部故障的超声波信号，得到一个与工频电源有关的幅值与相位关系图。
相位图主要用于判断局部放电和工频周期存在的关系。下图表示在电气悬浮屏蔽放电与工频周期的相关性。
3. 测试方法
为了保证传感器和壳体良好接触，需要使用专用润滑剂，主要目的是为了避免在传感器和壳体之间产生气泡。
固定传感器并开始检测，首先调节增益，使信号在连续测量方式中的显示大小适当，同时又保证信号不溢出。观察有效值和周期峰值，如果这两个信号稳定，则说明不存在颗粒，如果这两个信号波动，则可能有颗粒在壳体上跳动，可以通过在脉冲方式下接通扬声器对信号进行辨别。在绝缘子上存有凸起物时也可观察到波动的有效值和峰值，在这种情况下信号会短时消失。当存在局部放电信号时，有效值和峰值基本相同，当存在一个或多个颗粒跳动时，观测到的峰值/有效值之比较大。
3.1.1. 脉冲测量方法
脉冲测量方式记录碰撞信号的峰值，同时计时器开始记录时间和碰撞次数（1000次）。所记录的这些数据以黑点的方式显示在显示屏上。
进入脉冲测试菜单，启动测量，此时屏幕显示测量状态（“M”表示测量继续进行）、碰撞次数等信息，当测量次数已经达到设定值，则测量停止（“M”消失），并储存数据。
测试过程中应注意防止数据溢出，当数据溢出时（Y轴或X轴上出现一个*号），通过调整增益或时间范围，重新进行测量。如果测试获取信息不明显，可调整触发线路的参数设置。
3.1.2. 连续测量方法
连续测量方式用来检测和识别GIS（GIL）中的局部放电和颗粒，识别颗粒需要采用脉冲测量方式（根据图a的流程图1），识别局部放电强弱的方法如图c的流程图3所示。
通过此流程图可识别GIS（GIL）中的局放
1） 观察连续测量方式中的频率成分1和频率成分2，如果存在这两种频率成分，则说明有局放。
2） 如果频率2的水平高于频率1，则存在着松动屏蔽或较强局放。这是因为较强局放以及电气上松动的屏蔽放电出现在工频电压的两个半波上，可用相位测量方式观察幅值与相位的关系图可进一步验证。 3） 如果频率1的水平大于频率2，则说明局部放电出现在工频电压的一个半波上，即弱局放，可用相位测量方式观察幅值与相位的关系图可进一步验证。
3.1.3. 故障定位
1） 首先用移动传感器并观察信号水平的方法，在GIS（GIL）的轴线方向对故障源进行定位。如果信号水平的最大值在GIS（GIL）的较大范围出现，则故障源一般在中心导体上。如果最大值在一个特定点出现，则故障一般在壳体上。
2） 由于SF6气体的特性，高频比低频衰减严重。这个特性可以用来识别故障源在中心导体上还是壳体上。局放信号由于位置不同而具有不同的频谱。宽带声信号通过SF6气体传播时，高频范围比低频范围衰减大。检测局放和电晕时，信号大约在10 kHz到100 kHz的频谱范围。壳体上的局放因未受到气体的衰减而反映出宽带声信号。从中心导体传播来信号的高频成分被气体衰减。所以改变滤波器的频率设置可以进行定位。定位的方法是把设置菜单中的上限频率从100 kHz减小到50 kHz，如果频率成分1和频率成分2都明显减小，则缺陷一般在壳体上，这是因为滤波器截去了信号中50 kHz以上的成分，说明声信号是宽带的。如果信号水平不变，则缺陷一般在中心导体上。因为高频成分已经由于气体的衰减而减弱。中心导体上的局放（高场强）比壳体上的局放（低场强）对绝缘系统的危害更严重。
4. 测试点选择
测试点选点基本原则是所有独立的气室至少必须有一个测试点，这是因为绝缘子和法兰使声信号明显衰减。在每两个法兰之间有一个测试点也是必须的。
测试点密度：法兰之间最少1-2个点，一般选择气室的侧下方作为选点位置，母线筒选择靠近绝缘支撑部件的位置，在GIS（GIL）拐臂、断路器断口处、隔离刀闸、接地刀闸、CT、PT、避雷器等处均应设置测试点。
5. GIS（GIL）设备内部故障诊断
在GIS（GIL）组合电器内部常见故障如下图所示：
GIS（GIL）系统中的缺陷可能是工厂制造或现场安装过程中产生的，也有可能是正常运行中产生的（如快速接地开关或短路器的操作产生的颗粒）。
表面电晕放电：接地或带电部分上的凸起，这类缺陷使局部电场增高，将使雷电冲击耐受电压水平大大降低，依据相关研究，通常导体上超过1—2mm的凸起是明显有害的，由于壳体上的电场强度较低，所以壳体上的类似凸起危害较小。
导电微粒放电：自由移动的颗粒对雷电冲击耐受电压水平影响较小，但他们的存在可能使交流耐受电压水平明显降低，降低的多少取决于颗粒的形状及位置，颗粒越长而且越接近高压导体，危险性越大，如果他们移动到绝缘子上，则变得更危险。绝缘子上的颗粒随着时间的推移也可能使绝缘子表面劣化，从而引起闪络。
悬浮电位放电：如果电场屏蔽机械松动，则可能形成电位悬浮，如果松动的屏蔽正好在带电的电极上，则会引起屏蔽和电极之间的放电，此类放电将产生较大的声信号。
作者简介：朱月青（1964-），江苏人，助理工程师，长期从事大坝生产经营管理工作。