摘要：气体绝缘开关设备（Gas insulated switchgear，以下简称GIS），是指将除了变压器以外的其它一次设备按照一定的方式优化组合，并且封装在充有SF6气体的密闭圆筒中。GIS设备的特点是：检修周期长、运行安全可靠，维护工作量小，GIS设备在现代电力系统中得到了广泛的应用，其运行安全性和可靠性也得到了国内外广泛的关注。GIS设备的故障检测一直是GIS设备应用中的重点也是难点；通过GIS耐压试验可以有效的检测GIS的绝缘状态，放电过程中产生的超声是检测放电的重要手段，本文针对传统GIS设备耐压试验中故障检测技术的不足，根据GIS设备中局部放电发生、发展的特点，开发了多通道超声波GIS故障检测设备，基于多通道超声的GIS击穿定位方法对GIS设备的绝缘故障进行了分析。
关键词：超声波：局部放电检测；气体绝缘开关设备；耐压试验；故障分析
中图分类号：TM855 文献标识码：A
1 引言
六氟化硫气体绝缘组合电器（GIS）是指将变压器设备之外的其它一次设备按照优化组合的方式封装在充有SF6气体的密闭圆筒中，以减少占用空间，内部三相导体之间以及端口间维持特定绝缘强度的一种设备。这种紧凑且封闭的结构决定其占地面积小而且基本不受外界大气影响，从上世纪60年代起，应用日益广泛。介于此GIS近年来在现代电力网络中许多变电站中得到了非常广泛的应用。
2 GIS设备故障和缺陷类型研究现状
2.1 金属突起类缺陷
根据金属尖刺位置的不同，可分为高压导体尖刺和外壳尖刺，由于金属尖刺的曲率半径小，容易在其周围形成强场分布，从而造成电晕放电。在工频电压下，金属尖刺在电晕放电的过程中，一般会随着放电而慢慢烧蚀纯化，最终放电逐渐减弱甚至消失，故此类绝缘缺陷在工频运行电压下造成内部击穿的概率较小，但是在快速暂态过电压下，其造成的危害较为严重。
2.2 异物及自由微粒缺陷
该类缺陷较为常见，主要包括在生产过程中由于清扫不干净等原因而遗留在GIS腔体内的金属碎屑以及GIS开关动作过程中产生的金属碎屑。在工频运行电压作用下，金属微粒可能产生跳动、移位等动作，自由金属颗粒在跳动后下落的过程中，局部放电较易发生，另外还可能形成导电通道，严重时会导致GIS内部击穿。通过GIS模型内部安置金属颖粒来模拟GIS中外来颗粒放电情况，探索典型局部放电量的大小、放电波形特征以及影响因素等，研究结果表明：局部放电的初始电压以及放电量与充气压力及金属颗粒大小和气压密切相关。
2.3 绝缘子类缺陷
绝缘子类缺陷一般有两种，绝缘子内部缺陷和绝缘子表面的赃污缺陷。绝缘子内部缺陷主要是在生产过程中渗入的杂质等原因造成的，而且这种内部缺陷通常都比较微小，出厂时很难被检测到，另外，由于环氧树脂在固化阶段的收缩以及环氧树脂和电极是不同的材料，由相异的热膨胀系数等因素最终也可能在绝缘子内部形成微小空隙，除此之外，由装配误差以及GIS运行中的机械振动也可能导致绝缘子损伤，从而产生气隙及裂纹缺陷。绝缘子表面脏污缺陷主要来源于生产及运输过程，如果绝缘子表面将这些污染物吸附住，微粒附近可能引起电荷积累，长期的放电会导致绝缘子劣化，出现电树枝，从而破坏盆式绝缘子本体，最终导致其损坏。
3 超声波局部放电检测原理
当GIS中发生局部放电，在放电的过程中，分子间产生碰撞，在宏观上的表现形式就是压为。因为局部放电脉冲是连续的，对应产生的压力波也就是脉冲声波。产生的脉冲声波频带宽大约是10-107Hz。频率大于20kHz的部分称为超声波。因为局部放电仅在很小的区域内发生，为了简化分析，局部放电源通常可认为是点声源。电力设备内部发生局部放电时，会产生振动并且发出声音。超声波法（AE）是通过在设备腔体外壁上安装超声探头来检测局部放电信号。
4 超声波局部放电现场检测流程
4.1 测量前准备工作
超声波局部放电检测仪主要包括声发射传感器和测量主机。其中声发射传感器通常是压电陶瓷，将超声波信号转换成电信号，测量主机在作用是对电信号的采集和分析等。此外，由于现场测量环境复杂，干扰较大，局部放电超声测量设备还包括前置放大器、绝缘支撑杆、耳机等配件。测量前的准备工作主要是超声波传感器的连接工作，当传感器信号传输线较长时应对传感器串接外部信号放大器并进行参数整定。
4.2 背景测量
超声波传感器一般放置在空气中或者贴在GIS支架上，以采集背景噪音信号。对于空间较大的开关室或者测量环境比较复杂的地方，可就近选择合适地方进行背景采集。
4.3 测量点的选择
测量点的选择主要考虑两点：一是超声波的局放信号接收范围，一般在2米内具有较好的接收灵敏度；二是盆式绝缘子会吸收声波信号。因此，一般一个独立的气室至少需要一个测量点，测量点选在气室的中下部为宜。对于长度超过２米的气室应相应增加测量点。
4.4 检测步骤
首先选择合适的检测量程，然后将适量超声波稱合剂涂抹在超声波传感器的传感面上，最后将传感器贴在GIS外壳上接收信号。需要注意的是，应尽量让接触面和传感器是相对静止的。如发现异常传感器王作异常，应综合利用其他测量模式进行检测。
4.5 定位
超声波传感器发现异常后，应对GIS设各进行干扰排除和缺陷定位工作。定位方法为：依据声波信号幅值随传播距离增加而减小的特点，逐步逼近声源点。或者是沿壳体360度观察信号是在局部区域出现还是平均分布。信号平均分布的，声源出在中央区域的可能性较大。
4.6 超声波局部放电检测谱图
（1）连续检测模式典型谱图。连续检测模式是对被测信号在一个工频周期内有效值、峰值，以及被测超声信号与50Hz和100Hz的频率相关性，可以判断是否存在局部放电，以及局部放电的类型。（2）相位检测模式典型谱图。由于局部放电信号的产生与工频电场是密切相关的，那么可以将工频电圧作为参考量，通过观察被测信号和工频电压的对比，根据发生相位是否具有聚集效应来判断被测信号是否因设备内部放电引起。（3）脉冲检测模式典型谱图。当连续检测模式中有效值或周期峰值幅值偏大，但频率成分较小时，可进入脉冲检测模式。该模式主要用于对自由微粒缺陷的进一步确认。
5 结束语
随着社会经济的快速发展，社会各个行业对电能的需求、电能质量和供电可靠性要求相应的不断提高，传统的检修体制已经不再能满足时代的发展，在检修体制领域需要推陈出新。本章介绍了多通道超声GIS故障检测系统的软、硬件平台以及相关的安装、固定卡具设计，为GIS击穿定位方法与绝缘故障分析打下基础。
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