超声波局部放电检测仪校验方法研究及应用_杨宁

收稿日期：2015-05-04作者简介：穆强（1991-），男，助理工程师，从事高压试验工作。

超声波用于GIS 局部放电检测探讨穆强，喻勇丽（湖南五凌电力工程有限公司，湖南长沙410004）摘要：随着GIS 变电站数量的增多，GIS 设备发生故障的几率也在增加。

研究表明，GIS 设备内部故障以绝缘性故障为多。

GIS 设备的局部放电往往是绝缘性故障的先兆和表现形式，GIS 设备中放电使SF 6气体分解，严重影响电场分布，导致电场畸变，绝缘材料腐蚀，最终引发绝缘击穿。

实践证明，开展局部放电检测可以有效避免GIS 事故的发生，本文介绍了基于超声波法对GIS 局部放电的检测。

关键词：局部放电；GIS；超声波法中图分类号：TM595文献标识码：A文章编号：1672-5387（2015）08-0027-05DOI：10.13599/ki.11-5130.2015.08.0080引言SF 6气体绝缘组合电气设备（GIS）因其故障率低、免维护等特点而在电力系统中被广泛使用。

但是，GIS 具有全封闭的特殊性，使得除了进行微水检测等少数试验项目外，现行的高压试验的大多数项目无法应用于GIS，长期以来，它几乎处于无维护状态。

因此，目前国内外广泛采用局部放电超声波检测技术等非电量测量法来检测GIS 故障，为提前发现可能出现的异常和故障提供预警，及时进行处理。

1GIS 局部放电的原因在GIS 的各类故障中，绝缘故障占有较大比例。

导致这些绝缘故障的主要是一些绝缘缺陷，如内部故障缺陷、自由颗粒、毛刺、接触不良、固体绝缘表面脏污等。

在高电压作用下，随着这些微小缺陷的逐渐扩大，会使放电所产生的电荷在固体绝缘表面逐渐积累，导致电场分布的严重畸变。

造成绝缘击穿和沿面闪络。

局部放电是GIS 发生绝缘故障的先兆和表现形式。

GIS 局部放电产生的原因有以下几种（如图1所示）。

（1）固定缺陷。

其中包括导体和外壳内表面上的金属突起，以及固体绝缘表面上的微粒。

第59卷第6期变M Vol.59 No.6 2022 ^ 6 ^TRANSFOm/ER__________________________________June2022基于局频及超声联合的换流变压器局部放电检测研究段昊、程林2,3,江翼2,3,周正饮2,3,陈德志4(1.国家电网有限公司，北京1〇〇〇31;2.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏南京211106;3.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉430074;4_沈阳工业大学，辽宁沈阳110870)主商要：为解决换流变压器局部放电检测不准确、定位误差大等问题，提出采用超声联合高频协同检测与定位的方法对换流变压器的局部放电进行在线监测。

首先，对超声-高频电流联合检测的原理进行了论述；其次介绍了换流变压器超声-高频电流局部放电检测系统的硬件及软件系统；同时，建立了增广矩阵约束法的超声波信号估计;最后，对换流变压器的局部放电进行了试验研究，验证了所提方案的正确性。

关键词：换流变压器；局部放电；超声波；高频电流中图分类号:TM406 文献标识码:B 文章编号：1001-8425(2022)06-0048-05Research on Partial Discharge of Change TransmissionTransformers Based on High Frequency and UltrasoundJoint DetectionDUAN Hao1,CHENG Lina3,JIANG Y P, ZHOU Zheng-qin^3,CHEN De-zhi4(1.State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China; 2.NARI Group (State GridElectric Power Research Institute) Co., Ltd., Nanjing 211106, China; 3.State Grid Electric Power Research Institute Wuhan Nanrui Co., Ltd., Wuhan 430074, China; 4.ShenyangUniversity of Technology, Shenyang 110870, China)Abstract：In order to solve the problem of inaccurate local discharge detection of con­verter transformers, the positioning error is large, and the method of using the ultra­sound combined high frequency condensation and positioning is proposed to monitor the local discharge of the converter transformer. First, the principle of ultrasound-high frequency current joint testing is discussed; secondly the hardware and software system of ultrasonic -high frequency current partial discharge detection system of converter transformer are introduced; at the same time, ultrasonic signals of a wide matrix con­straint method are established. Estimation; Finally, the local discharge of the converter transformer has been carried out to verify the correctness of the proposed plan.Key words：Convertertransformer; Partial discharge; Ultrasonic; High frequency currenti弓丨言换流变压器是特高压直流输电系统中的重要运 行设备之一，其安全稳定运行直接关系到整个电力 系统的可靠性。

（ １ ．Ｃｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ Ｃｈ ｉ ｎ ａ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｄｉ ｓ ｐ ａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ Ｂ ｒ ａ ｎ ｃ ｈ Ｃｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ，Ｓ ＧＣＣ，Ｗ ｕ ｈ ａ ｎ，Ｈｕ ｂ ｅ ｉ ４ ３ ０ ０ ７ ７，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ；２ ．Ｈｅ ｂ ｅ ｉ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｉ ａ ｌ Ｋｅ ｙ Ｌａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｅｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｓ ｅ ｃ ｕ ｒ ｉ ｔ ｙ Ｄｅ ｎ ｆ ｅ ｎ ｓ ｅ ，Ｎｏ ｒ ｔ ｈ Ｃｈ ｉ ｎ ａ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｂａ ｏ ｄ ｉ ｎ ｇ，
Ａｐ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｕｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｎ ＧＩ Ｓ Ｐａ ｒ ｔ ｉ ａ ｌ Ｄｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
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超 声 波 法在 Ｇ Ｉ Ｓ局 部 放 电检 测 中 的 应 用

述沿面放电发展 的过程 。 真实的局部放 电信号信息 。 ５ ． １前置放大电路 目 前超声波检测局部放 电的研究工作主要 沿面放 电是 一种特殊 的气 体放 电现象 ， 沿 集 中在定位方面 ， 原因是与 电测法相 比， 超声波 面闪络电压 比气体或者 固体单独作为绝缘介质 压 电晶体输 出信号 的电压有时低至微伏数 这 的传播速度较慢 ，对检测系统的速度与精度要 时的击穿电压都低 。影响沿面放 电电压的主要 量级 ， 样微弱的信号若经过长距离传输必须 求较低 。在利用超声波进行局部放电的放 电量 因素有 ： 电场分 布情况 、 电压波 形 、 质表 面状 经放大后 传输 ， 能减 弱干扰信 号对它 的影响 ， 介 才 的大小确 定和模式识 别方面 的工作相对 较少 ， 态 、 空气污秽程度 、 气候条件等等 。 并提高信 噪比。 因为压 电晶体 的输出阻抗较高 ， ３超声 波检测常见的干扰信号及其特性 带 负载能力差 ， 则要求 前置放 大电路 不仅要有 提 出了利 用频谱识别局 部放 电模 式 的新 方法 ， 现场的干扰信号是多种多样 的，按频带可 较 大的输入阻抗 ， 而且噪音要低 ， 足检测频 并满 其研究也取得 了一些新成果。 近几年以来 ， 出 还 现了一种把 超声波法与射频电磁波法（ 包括射频 分为窄带干扰和宽带干扰 ，而按 其时域波形特 带宽度 和具有一定的放大倍数。 脉 ５ ２后 置主放 大电路 法和超高频法） 联合起来进行 局放定位 的趋势 。 征可分为连续 的周 期性干扰 、 冲型干扰和 白 本 系统后 置放 大 电路 由 Ｔ ０４ 片 和一 Ｌ８ 芯 在澳大利业 的西 门子研究机构使用局部放电产 噪 ３ 。 类 生的超声 波和射频 电磁 波联合检测技术监测变 ３ ． １连续的周期性 干扰包括 个精密 可调电位器组成 ， 电路 如下图所示 ， 过 通 ３． ．１电力系统 载波 通信 和高频 保护信 号 该 精密 可调 电位器 可对 后置 放大 增益 进行微 １ 压器中的局部放电活动。其关键依据是： 超声波 和电磁波在变压器介质中的传播速度是不一致 引起 的干扰 。 调， 以减少偏 差。 的 ，因而可 以测量两种波 到达传感器 的时间间 ３． ． １ ２无线电干扰 。 此类干扰 的波形通常是 有固定 的谐振频率和频带宽度。 隔。 国内方面 ， 西安交通 大学提 出了一种基于超 高频正弦波 ， 高频和超声 波的相控接 收阵的局放 电定位 法 ， ３ ． ２脉冲型干扰信号包括 ： 电线路或 高压 供 利用分别检测超高频和超声波信 号的相控接收 端 的电晕放 电 ； 电网中的开关 、 晶闸管整流设备 阵构成平 面传感器 ， 接收到 的超 高频信号 为时 闭合或开断 引起 的脉 冲干扰 ；电力 系统 中其它 间基准 ， 进而得到超声波的传输时延 ， 可计 非检测设备放电引起 的干扰 。 这样 ３ 白噪包括各种随机噪声 ， 电气设备 的 ３ 如 算 出局放 电点与超声波传感器 间的距 离 ， 再根 据相控 阵扫描 的方位角和仰角就 得出放 电的空 热噪声 、配电线路及变压器继 电保护信号线路 间几何位置 。 中由于藕合进入 的各种噪声 以及监测线路 中的 ２局部放电的种类及特 点 半导体器件的散粒噪声等 。 后 置 放 大 电路 ２ ． １电晕放 电 ４超声波 检测系统结构 电晕放电是极不均匀 电场所特有 的一种 自 从 硬件结构组成上 ，超声检测系统主要包 ６电源设计 持放 电形式 ， 是极不均匀电场的特征之一。 电力 括四个部 分 ： ａ传感器部分： 由压 电传感器及屏 在检测系统 的电路板上 ，需要各种电压等 传感 根据 系统 中所 遇到的绝缘结 构大多 是不均匀 的 ， 不 蔽导线组成 ， 器可随时拆 卸 ， 实验现场 级 的电源。模拟 电路部 分主要 是各种 集成放大 均匀 电场的形式很多 ， 绝大多数是不对称 电场 。 具体要求选择更换不 同型号 ． 电源模块： ｂ ． 为实 器 ， 一使用正负 ｓ 统 Ｖ的直 流电源供 电 ， 数字 电 在 电场极不均匀时 ， 随间隙上所加电压的升高 ， 现便携检测 ， 电池供 电 ， 采用 电路包 括对各种芯 路 部分使用 ３ Ｖ 流 电压 。针对 以上需 求 ， ． 直 ３ 考 在大曲率电极附近很小范围内的电场足 以使空 片所需 电压 等级的转换 ； 模拟信 号预处理 电 虑 到检测 系统 的体积要 小以及便 于携带移 动 ， ｃ ． 气发生游离 ，而间隙中大部分区域的电场仍然 路 由前置放大器 ， 带通滤波 ， 后置主放大电路等 选用 ９ Ｖ的干 电池作为系统 的总 电源 ， 通过不同 很小。于是在 大曲率 电极 附近很 薄一层 空气 中 组成 ， 可通过数字示波器得 到清 晰的模 拟信号 ； 的电源转换芯 片得至各种 等级 的所 需电压 ， Ｈ 并 将具备 自持放 电（ 即外界 游离因素不存 在 ， 间隙 ｄ 数字 电路 ： 片机及其外 围电路组成 ， 由单 电路 且在 电源芯片的输 出端 采用 Ｉ型滤波电路和对 Ｉ 中的放电仅靠 电场作用继续 进行下去）的条件 。 已设计 完成 ， 眭能通过测试 ， 目 的工 作 地 电容进行处理 ， 部分 但 前 减小纹波 ， 提高电源质量 。 放电仅局 限在 大曲率 电极 周围很小 的范 围内 ， 对 ＡＤ转换之后数 字信号 的处 理上存 在 困难 ， ／ ５ 直 流 电 压 采 用 德 州 仪 器 公 司 的 Ｖ 而整个 间隙 尚未击穿。 不能像数字示波器一样得到有较高价值 的实 验 Ｔ Ｓ６ ５ 稳压器 ，通过于 电池 ９ Ｐ７ ８０ Ｖ电压直接得 易产生电晕放 电的电气设备是 高压输 电线 数据 ， 需要进行 后续 的深入研究。 到。Ｐ ７ ８０ Ｔ Ｓ６５ 的输入 电压为 ２ Ｖ Ｏ ， 干 ． —ｌｖ适合 ７ 路。 通常均将空气视 为非导体 ， 但空气中含有少 为了检测不 同位置传感器接收 同一局部放 电池 ９ Ｖ的输 入 电压 ， 最大的优点 在于低压 其 数 南宇宙线照射而产生 的离子 ，带正 电的导体 电源所产生 的超声波信号 的的传播时 间，需要 差 ，在输 出电 流 ｌ 的时 候 ，电 压下 降仅 为 Ａ 会吸 引周同空气 中的负离子 而 自行徐 徐 中和 。 设计两套 洼能尽可能接近的检测系统来作为对 ２ ０ Ｖ ３ｍ 。由于使用 ５ Ｖ电压 的模拟器件较 多， 其 若带 电导体有尖端 ，该处附近空气 中的 电场强 比。系统结构如下图所示： 输 出电流很大 ，较低的电压下降对稳 定输 出电 度它与其他形式的放 电有本质 的区别 ，电晕放 压 ， 高测量精度有 很大的意义。此外 ， 提 其静态 电时 的电流强度并不取 决于 电路 中 的阻抗 ， 而 电流仅为 ８ｕ 具有关断保护功能。 ５Ａ， 取决于电极外气体空间的电导 。这就取决于外 ７总结 加电压 、 电极形 状 、 极间距 离 、 的性质 和密 气体 对电气设备进行局部放电试验是电气设备 度（ 天气湿度 以及空气的流动速度） 。 等 制造 和运行 中的一项 重要预防性试验。局部 放 ２ ． ２沿面放电 电如果长期存在 ， 会加速设备 老化 ， 在一定 条件 电气设备 中 来固定支撑带 电部分 的固体 用 系统硬件 结构流程 图 下甚至会造成绝缘破坏 ， 严重影 响设备 正常运 介质 ， 多数是在空气 中。当电压超过一定 限制 ５放大 电路 的设计 行。 超声波检测法作为一种非 电量测量法 ， 有着 时，常在 周体介质和空气 的分界 面上 出现 沿着 局部放电超声波传感器输 出的信号一般很 独特的优点 。本文 的主要 内容是基于压 电传感 固体 介质表面的放 电现象 ， 为沿面放电 称 微弱 ， 称 戈 因此要求放大电路具有高增益 、 低噪声 的 器的高压电气设备局部放 电信号 的超声波检测�