超声局部放电特征研究及应用

超声局部放电特征研究及应用
彭晶;沈国富;甘星;王科;谭向宇;彭兆裕;项恩新;杨明昆;程志万;马宏明
【摘要】Different types of insulation defects in GIS show different acoustic features. These features are guiding for judging the location and risk of partial discharge. In this paper, ifve kind of typical insulation defects model was established in an 252 kV GIS test section in order to study acoustic partial discharge characteristics of different types of insulation defects, include free metal particles, lfoating potential body, metal tip, insulator with dirty surface, insulator with inner air gap. Further, we used the research result in the ifeld and found a GIS insulation defect. The GIS was disintegrated after planned outage. The defect was conifrmed. The partial discharge type and predict results are consistent. A GIS breakdown accident was effectively avoided.%GIS内部不同类型绝缘缺陷呈现出不同的超声特征，这些特征对于判断局部放电部位及危险性具有指导意义。

本文通过在252 kV GIS试验段内分别布置自由金属颗粒、悬浮电位体、金属尖端、绝缘件表面脏污、绝缘件内部气隙等5类典型绝缘缺陷模型，对不同类型绝缘缺陷局部放电超声特征进行了研究。

将研究结果应用于现场，发现一起GIS绝缘缺陷，对存在绝缘缺陷的GIS通过计划停电后进行解体，故障得到了确认，局部放电类型与预判结果一致，有效避免了一起GIS击穿事故的发生。

【期刊名称】《云南电力技术》
【年(卷),期】2016(044)005
【总页数】5页(P31-35)
【关键词】GIS;超声;局部放电;图谱特征;现场应用
【作者】彭晶;沈国富;甘星;王科;谭向宇;彭兆裕;项恩新;杨明昆;程志万;马宏明
【作者单位】云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217;云南电网有
限责任公司昆明供电局，昆明 650011;永州电力勘测设计院有限公司，湖南永州425000;云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆
明 650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217;云南电网有限
责任公司电力科学研究院，昆明650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217
【正文语种】中文
【中图分类】TM85
局部放电检测对保证GIS正常运行具有重要意义。

局部放电信号包含了丰富的绝
缘状态信息，局部放电检测不仅能发现GIS在制造、安装、运输、操作过程中的
缺陷，而且还能预测绝缘故障的发生及严重程度，在事故的早期阶段提出预警，以便有计划地安排维修，减少设备的损坏，避免事故发生所带来的巨大损失。

因而局部放电的检测也就成为GIS绝缘状况监测的重要手段[1]。

GIS局部放电检测主要方法为超声法、特高频法、SF6气体分解产物分析法等。

其中，超声法由于对局部放电检测能力较好、检测设备价格较低、广泛适用于各类GIS、HGIS、罐式断路器、GIL的局部放电检测等优点，在各电网企业和发电企业中得到应用，特别是随着近年来带金属屏蔽环的GIS数量的不断增多，导致特高
频法难以有效开展GIS局部放电带电检测，进一步使得超声法成为目前最为主流
的GIS局部放电检测方法。

GIS内部不同类型绝缘缺陷呈现出不同的超声特征，这些特征对于判断局部放电部位及危险性具有指导意义。

本文通过在252 kV GIS试验段内分别布置自由金属颗粒、悬浮电位体、金属尖端、绝缘件表面脏污、绝缘件内部气隙等5类典型绝缘缺陷模型，对不同类型绝缘缺陷局部放电超声特性进行了研究。

进一步的，将研究结果应用于现场，发现一起GIS绝缘缺陷，对存在绝缘缺陷的GIS通过计划停电后进行解体，故障得到了确认，局部放电类型与预判结果一致，有效避免了一起GIS击穿事故的发生。

1.1 检测原理
在GIS内部发生局部放电时，产生的电荷在中和过程会激发较陡的电流脉冲，使得放电局部区域瞬间受热而膨胀，放电结束后膨胀区域会缩回原来体积。

这种由于局部放电产生的体积变化引起了介质的疏密瞬间变化，形成超声。

超声通过SF6和外壳传播，被安装于GIS外壳上的超声传感器检测到。

通过对超声信号进行分析判断可以诊断出GIS内部是否发生了局部放电，以及局部放电类型，并能对放电缺陷进行精确定位[2]。

1.2 表征图谱
常用于表征局部放电超声信号特征的图谱主要有3种，分别为：幅值直方图、飞行时间-幅值散点图、相位-幅值散点图。

其中：
幅值直方图中通常包含4个参量，分别为：有效值、峰值、50 Hz分量、100 Hz 分量。

有效值和峰值是指一个工频周期（20 ms）内超声信号的有效值和最大峰值。

50 Hz分量和100 Hz分量是对超声信号进行傅立叶变换后得到的，对应于幅频特性曲线上50 Hz和100 Hz频率处的幅值。

50 Hz分量和100 Hz分量主要用于表征局部放电与工频周期的相关性，由于局部放电通常发生在工频周期峰值附近，故
局部放电信号与工频周期具有一定的相关性，这种相关性可用于判断信号是否为局部放电信号以及局部放电类型。

飞行时间-幅值散点图主要用于发现GIS内部自由金属颗粒放电缺陷。

当GIS内部存在自由金属颗粒时，自由金属颗粒在电场中会在颗粒两端感应不同极性的电荷，因此会受到库仑力的作用，当库仑力大于颗粒自身的重力时，颗粒会从腔体内壁浮起，受到交变电磁场的作用，自由金属颗粒会在GIS内部沿电场方向上下跳跃[3]。

飞行时间-幅值散点图是将N个（N一般为1 000）超声信号的飞行时间Δt和幅
值A绘制成散点图。

其中，超声信号的飞行时间Δt是指两个超声信号的时间差（即自由金属颗粒每次撞击GIS壳体的时间间隔），如图2所示。

飞行时间Δt
表征了自由金属颗粒的跳跃高度，幅值A表征了自由金属颗粒的大小。

显然，飞
行时间越长，幅值越高，代表着自由金属颗粒从GIS电场和磁场中获得的能量越大，其危险性也越高[3]。

相位-幅值散点图是将N个（N一般为1 000）超声信号对应的工频周期相位和超声信号的幅值绘制成散点图。

相位-幅值散点图主要用于统计超声信号的相位分布
特征，由于局部放电一般发生在工频电压峰值（90°、270°）附近，故相位-幅值
散点图可以区别超声信号是否由于局部放电造成的，并可用于区分局部放电类型。

虽然相位-幅值散点图与幅值直方图中的50 Hz分量、100 Hz分量都可用于表征
局部放电信号与工频周期的相关性，但相位-幅值散点图显然还包含更多的信息。

GIS内部不同类型绝缘缺陷呈现出不同的超声特征，这些特征对于判断局部放电部位及危险性具有指导意义。

通过在252 kV GIS试验段内分别布置5类典型绝缘缺陷模型，对不同类型绝缘缺陷局部放电超声特性进行了研究。

2.1 缺陷模型搭建
为了研究不同类型绝缘缺陷的超声特征，基于252 kV GIS试验段搭建了超声局部
放电试验平台，如图5所示。

220V电源通过隔离变压器实现高压试验回路和低
压电源回路的电气隔离。

隔离变压器的输出连接到调压器，经调压器调压后输出到试验变压器。

试验变压器输出的高压连接到分压器，通过分压器实现高电压的测量，此外，试验变压器输出的高压还通过保护电阻输出到220 kV GIS试验段上。

220 kV GIS试验段包含套管气室、隔离开关气室、试验气室。

在试验气室中布置局部
放电缺陷模型。

使用超声局部放电检测设备对试验气室中局部放电缺陷模型产生的局部放电进行检测。

试验气室中分别布置自由金属颗粒、悬浮电位体、金属尖端、绝缘件表面脏污、绝缘件内部气隙等5类典型绝缘缺陷模型。

这5类典型绝缘缺陷是根据实际GIS中
缺陷的不同部位及不同性质分类的[4-5]。

2.2 超声特征研究
2.2.1 自由金属颗粒放电
GIS在制造、安装、运输、操作过程中可能产生自由金属颗粒缺陷，这些颗粒由于重力的作用集中在GIS罐体底部，或水平的盆式绝缘子上[6]。

当电场强度足够大时，颗粒开始跳动，颗粒每与壳体碰撞一次，便发射一个宽带瞬时超声脉冲。

在飞行时间-幅值散点图中，可以看到颗粒的运行轨迹，很明显地观察颗粒的飞行高度
和飞行时间[7]。

位于水平的盆式绝缘子上的自由金属颗粒危险度较高（远高于位
于GIS罐体底部的自由金属颗粒），容易引起对地短路或相间短路故障。

自由金
属颗粒对工频耐压水平影响较为明显，对冲击耐压水平影响较小，这是由于冲击电压时间较短导致自由金属颗粒来不及跳跃。

典型的自由金属颗粒放电图谱如图7所示，从图中可以看出，自由金属颗粒放电
的特征是：
1）有效值和峰值均较大（通常大于几十mV，有时甚至大于几百mV），且峰值
波动范围较大；
2）无50 Hz分量和100 Hz分量，或均较小；
3）飞行时间-幅值散点图中可明显观察到以20 ms为周期的三角形序列。

2.2.2 悬浮电位体放电
GIS在制造、安装、运输、操作过程中可能存在机械松动，如均压或屏蔽层松动、导电杆支撑部位顶丝松动等，悬浮电位体放电往往是由这些机械松动发展而来的。

悬浮电位体放电的放电量很大，较大的放电能量往往会烧蚀悬浮放电部位并导致悬浮放电面积进一步增大，大大降低GIS的雷电耐受水平。

有的悬浮电位体放电还
会引起金属部件脱落并引起GIS击穿事故[8]。

典型的悬浮电位体放电图谱如图8所示，从图中可以看出，悬浮电位体放电的特
征是：
1）有效值和峰值均较大（通常大于几十mV，有时甚至大于几百mV），但一般
均较为稳定，波动性较小；
2）同时存在50 Hz分量和100 Hz分量，其中，100 Hz分量大于50 Hz分量；3）相位-幅值散点图中呈现双峰形状。

2.2.3 金属尖端放电
金属尖端的存在会导致GIS局部电场强度增加，从而产生金属尖端放电。

金属尖
端放电主要表现为电晕放电。

金属尖端对GIS的工频电压耐受能力影响不大，然而，对冲击电压耐受能力的影响很大。

这是由于在工频电压的作用下，金属尖端发生电晕放电，电晕放电形成的空间电荷改善了金属尖端附近的电场分布，使得金属尖端附近电场的畸变程度不大，故工频击穿电压几乎不受影响。

然而，雷电、操作、VFTO等冲击电压由于持续时间过短，还来不及建立空间电荷，金属尖端附近电场畸变程度较大，较容易发生击穿，故冲击电压耐受能力大大下降[8]。

典型的金属尖端放电图谱如图9所示，从图中可以看出，金属尖端放电的特征是：1）同时存在50 Hz分量和100 Hz分量，其中，50 Hz分量大于100 Hz分量；
2）相位-幅值散点图中主要呈现单峰的形状。

金属尖端使得电场局部增高，当交
流场强超过某一水平时，首先在负峰值处发生放电。

当电压继续升高，放电次数增加，在正峰值时也可能发生放电。

2.2.4 绝缘件表面脏污放电
盆式绝缘子、支撑绝缘子等绝缘件上的污秽、固定的颗粒等在GIS中高电场强度
的作用下感应出大量电荷，当污秽、固定的颗粒等与高压导体间的电场强度大于击穿场强时，就会发生绝缘件表面脏污放电。

大量的实验研究表明：超声局部放电检测对绝缘件表面脏污放电不敏感[9-11]，原因是由于盆式绝缘子、支撑绝缘子等绝缘件对超声的衰减较大。

2.2.5 绝缘件内部气隙放电
绝缘件内部气隙放电一般是由于盆式绝缘子、支撑绝缘子等绝缘件在烧制、浇注过程中的质量原因造成的。

典型的绝缘件内部气隙放电超声局部放电特征如图10所示：
1）有效值和峰值均较低。

这是由于绝缘材料对超声的衰减较大；
2）50 Hz分量和100 Hz分量较为明显；
3）相位-幅值散点图中呈现双峰的形状，当局部放电明显时，呈现“兔耳”形状[12]。

“兔耳”形状出现的原因是由于在电压过零点附近气隙外加电场极性的反转，与气隙内部对偶极子场强同一方向，两个场强的叠加导致气隙内部场强剧增，而使得放电剧烈，所以出现“兔耳”形状这样信号较强的特征[13-14]。

技术人员将研究结果应用于现场，发现某126 kV GIS超声局部放电检测结果存在明显的异常现象，如图11所示。

但特高频局部放电检测及SF6气体组分分析均
未发现任何异常。

技术人员判断该GIS内部存在悬浮电位体放电。

对存在绝缘缺陷的GIS通过计划停电后进行解体，解体结果表明：支撑绝缘子金
属窝头与导电杆连接部位烧蚀。

可以说：故障得到了确认，局部放电类型与预判结
果一致，有效避免了一起GIS击穿事故的发生。

经分析，认为故障原因在于：该型GIS支撑绝缘子金属窝头通过单个M8顶丝螺栓来与导电杆固定连接，导致紧固力不足而使得连接部位发生放电烧蚀，存在家族性缺陷。

在252 kV GIS试验段内分别布置自由金属颗粒、悬浮电位体、金属尖端、绝缘件表面脏污、绝缘件内部气隙等5类典型绝缘缺陷模型，对不同类型绝缘缺陷局部放电超声特征进行了研究；现场应用表明，超声不是GIS局部放电辅助检测和分析手段，而是与SF6气体组分分析、特高频局部放电检测同等重要，同为GIS局部放电重要检测和分析手段。

莫斯科钢铁与合金学院的科学家研发了一款混合发电装置，能将太阳能和风能转化为电能，可广泛应用于各种气候条件，对于交通不便、电力供应困难的边远地区居民点的供电更具重要意义。

该装置的主发电装置为混合式垂直轴流式涡轮机，其内测的叶片上装备了太阳能电池。

太阳能电池发出的电能在风力发电轮机转速较低时可以增强其转速，也可直接输出到储能装置或并网外送。

据称，该发电装置的多项参数优于国际同类产品，风力发电加太阳能发电使得其发电效率超过现有风力发电装置15-20%。

此外，由于内部结构简单，发生故障时很容易修理。

在光线和风力足够时，其发电效率能达到300-500瓦，即年发电可达4兆瓦时。

其理论运行寿命预计不少于20年。

（来源:科技部）
彭晶（1985），男，硕士，工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，从事高电压绝缘技术、高压电器方面研究工作（e-mail）****************。

甘星（1987），男，工程师，永州电力勘测设计院有限公司，从事电气设计工作
（e-mail）****************。

王科（1982），男，高级工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，从事高电压绝缘技术、高压电器方面研究工作（e-mail）***************。

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