胡海敏，陶佳唯，潘麟，朱梁，田廣亮，楊曉彤，韓飛

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海 200080；2.上海格魯布科技有限公司，上海 201210)

超聲波法(Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱(chēng)AE)是指通過(guò)對(duì)電力設(shè)備發(fā)生局部放電(Partial Discharge, 簡(jiǎn)稱(chēng)PD)時(shí)產(chǎn)生頻率介于20～200 kHz區(qū)間的聲波信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析來(lái)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的一種狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)，又稱(chēng)聲發(fā)射法[1-2]。超聲波法由于靈敏度低，易于受到外界干擾等原因，一直沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來(lái)[3]，隨著微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，以及壓電換能元件效率的提高和低噪聲的集成元件放大器的應(yīng)用，超聲波法的靈敏度和抗干擾能力得到了很大提高[4]，其在實(shí)際中的應(yīng)用逐漸得到了重視[5-7]。目前，超聲波法在電力設(shè)備絕緣缺陷PD檢測(cè)的應(yīng)用具有以下特性。

(1)抗電磁干擾能力強(qiáng)[8]。目前采用的超聲波法PD檢測(cè)是利用超聲波傳感器在電力設(shè)備的外殼部分進(jìn)行檢測(cè)。電力設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中存在著較強(qiáng)的電磁干擾，而超聲波檢測(cè)是非電檢測(cè)方法，其檢測(cè)頻段可以有效躲開(kāi)電磁干擾，取得更好的檢測(cè)效果。

(2)便于實(shí)現(xiàn)放電定位[9]。確定PD位置既可以為設(shè)備缺陷的診斷提供有效的數(shù)據(jù)參考，也可以減少檢修時(shí)間。超聲波信號(hào)在傳播過(guò)程中具有很強(qiáng)的方向性，能量集中，因此在檢測(cè)過(guò)程中易于得到定向而集中的波束，從而方便進(jìn)行定位。在實(shí)際應(yīng)用中，GIS等設(shè)備常采用幅值定位法，它是基于超聲波信號(hào)的衰減特性實(shí)現(xiàn)的;變壓器常采用空間定位法，利用信號(hào)到達(dá)不同傳感器的時(shí)差計(jì)算得到放電源的位置，目前已有比較成熟的定位系統(tǒng)。

(3)適應(yīng)范圍廣泛[10]。超聲波法PD檢測(cè)可以廣泛應(yīng)用于變電站內(nèi)各類(lèi)一次設(shè)備。根據(jù)超聲波信號(hào)傳播途徑的不同，超聲波PD檢測(cè)可分為接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)[11]。接觸式超聲波檢測(cè)主要用于檢測(cè)如GIS、變壓器等設(shè)備外殼表面的超聲波信號(hào)[12-13]，而非接觸式超聲波檢測(cè)可用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜、配電線(xiàn)路等設(shè)備[14]。

當(dāng)然，超聲波PD檢測(cè)技術(shù)也存在一定的不足，如對(duì)于內(nèi)部缺陷不敏感、受機(jī)械振動(dòng)干擾較大、進(jìn)行放電類(lèi)型模式識(shí)別難度大以及檢測(cè)范圍小等。與電測(cè)法相比，超聲波的傳播速度較慢，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的速度與精度要求較低，目其空間傳播方向性強(qiáng)，所以超聲波檢測(cè)PD的研究工作主要集中在定位方面。此外，將超聲波法與射頻電磁波法(包括射頻法和特高頻法)聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行PD定位的聲電聯(lián)合法成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，在工程實(shí)際中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

此外，超聲波法在電力設(shè)備帶電檢測(cè)中也進(jìn)行了一段時(shí)間的推廣和應(yīng)用，但在缺陷案例的累計(jì)方面還有所欠缺。本文主要就超聲波法在GIS設(shè)備帶電檢測(cè)中的應(yīng)用和分析方法進(jìn)行介紹，并結(jié)合一起母線(xiàn)接地刀閘異常振動(dòng)案例對(duì)超聲波法在GIS設(shè)備異常振動(dòng)檢測(cè)中的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 GIS超聲波法PD檢測(cè)

超聲波法PD檢測(cè)的基礎(chǔ)是PD源可視作產(chǎn)生聲波的點(diǎn)聲源。GIS設(shè)備內(nèi)部常見(jiàn)缺陷(如毛刺、懸浮電位和金屬顆粒等)作為PD源，會(huì)激發(fā)超聲波信號(hào)。這些聲波通過(guò)GIS設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳播并到達(dá)GIS外表面。不同類(lèi)型的波具有不同的傳播速度，并且邊界處的反射和折射將導(dǎo)致衰減、吸收和散射。通常借助于壓電傳感器(常用的方法見(jiàn)圖1所示)、結(jié)構(gòu)聲學(xué)共振傳感器、加速度傳感器、電容式傳聲器或聲光傳感器來(lái)檢測(cè)聲波并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。通常用dB、mV等單位來(lái)表征超聲波信號(hào)強(qiáng)度。GIS超聲波定位通常使用傳播時(shí)間測(cè)量方法，即使用兩個(gè)傳感器，在示波器上觀察來(lái)自傳感器信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。如果信號(hào)源位于傳感器對(duì)之外，則信號(hào)來(lái)自它首先到達(dá)的一側(cè)。如果信號(hào)源位于傳感器對(duì)之間，則到達(dá)時(shí)間的差值小于傳感器對(duì)之間的傳播時(shí)間。也可以通過(guò)尋找最高幅值，即只使用一個(gè)傳感器，可以簡(jiǎn)單地尋找信號(hào)幅值的變化；當(dāng)傳感器靠近PD源時(shí)，信號(hào)通常會(huì)更強(qiáng)；當(dāng)移動(dòng)至下一個(gè)氣室時(shí)(例如越過(guò)絕緣子或法蘭)，信號(hào)將顯著下降。

圖1 GIS超聲波法檢測(cè)PD示意圖

1.1 PD圖譜顯示

超聲波法PD檢測(cè)圖譜顯示主要分為：①連續(xù)幅值、②相位(PRPD)、③飛行以及④實(shí)時(shí)模式(PRPS)圖[15]。連續(xù)幅值模式圖譜通常包含4個(gè)參數(shù)，為有效值、峰值、頻率成分1、頻率成分2。如圖2(a)所示：有效值和峰值是指一個(gè)工頻周期(20 ms)內(nèi)超聲信號(hào)的有效值和最大峰值，頻率成分1和頻率成分2是對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后得到的對(duì)應(yīng)于幅頻特性曲線(xiàn)上50 Hz和100 Hz頻率處的幅值。頻率成分1和頻率成分2主要用于表征PD與工頻周期的相關(guān)性，由于PD通常發(fā)生在工頻周期峰值附近，故PD信號(hào)與工頻周期具有一定的相關(guān)性，這種相關(guān)性可用于判斷信號(hào)是否為PD信號(hào)以及PD類(lèi)型。

相位(PRPD)模式圖譜是將N個(gè)(N一般為1 000)超聲信號(hào)對(duì)應(yīng)的工頻周期相位和超聲信號(hào)的幅值繪制成散點(diǎn)圖，如圖2(b)所示。其主要用于統(tǒng)計(jì)超聲信號(hào)的相位分布特征，由于PD一般發(fā)生在工頻電壓峰值(90°和270°)附近，故PRPD譜圖可以區(qū)別超聲信號(hào)是否由于PD造成的。并可用于區(qū)分PD類(lèi)型。雖然PRPD譜圖與連續(xù)幅值譜圖中的50 Hz分量、100 Hz分量都可用于表征PD信號(hào)與工頻周期的相關(guān)性，但PRPD譜圖包含的信息更豐富。

飛行模式圖譜通常包含2個(gè)參數(shù)，分別為相鄰脈沖發(fā)生的時(shí)間間隔和脈沖信號(hào)的幅度，它是專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)自由金屬顆粒的圖譜，如圖2(c)所示。

實(shí)時(shí)(PRPS)模式圖譜為三維圖譜，將脈沖信號(hào)按照工頻相位—幅值—工頻周期三個(gè)維度進(jìn)行繪制。該圖譜記錄了最近若干個(gè)周期脈沖信號(hào)的工頻相位-幅度分布情況。根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模式(PRPS)圖譜顯示功能，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)可以幫助用戶(hù)快速判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在疑似放電信號(hào)，如圖2(d)所示。

圖2 GIS超聲波法檢測(cè)PD譜圖顯示四類(lèi)模式

綜合4類(lèi)模式譜圖特征，可判斷PD類(lèi)型，并結(jié)合電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征及超聲定位結(jié)果推斷PD部位及嚴(yán)重程度。

1.2 圖譜診斷

根據(jù)圖譜的統(tǒng)計(jì)形狀判斷是否存在PD，并診斷PD的類(lèi)型。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，樣本數(shù)越多，統(tǒng)計(jì)結(jié)果越準(zhǔn)確。因此現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)對(duì)于疑似放電信號(hào)必須盡可能多地累積PRPD圖譜，以達(dá)到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。目前，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)積累以及驗(yàn)證，超聲波PD檢測(cè)的典型圖譜如表1所示。

表1 超聲波典型圖譜

1.3 缺陷類(lèi)型判斷

缺陷類(lèi)型判斷的主要依據(jù)如下。對(duì)于運(yùn)行中的GIS 設(shè)備，顆粒信號(hào)的幅值：背景噪聲峰值Vpeak<1.78 mV可不進(jìn)行處理，1.78 mV3.16 mV應(yīng)進(jìn)行檢查。由于各地因設(shè)備狀況、運(yùn)行條件和檢測(cè)儀器等因素的不同，推薦參考值可能不同。各地可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍v史檢測(cè)數(shù)據(jù)、自身所能承受的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，定期修訂完善推薦參考值。

毛刺一般在殼體上，但導(dǎo)體上的手刺危害更大。只要信號(hào)高于背景值，都是有害的，應(yīng)根據(jù)工況酌情處理。在耐壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)毛刺放電現(xiàn)象，即便低于標(biāo)準(zhǔn)值，也應(yīng)進(jìn)行處理。

電位懸浮一般由斷路器氣室的屏蔽松動(dòng)、PT/CT氣室以及母線(xiàn)氣室的絕緣支撐松動(dòng)或偏移、氣室連接部位接插件偏離或螺栓松動(dòng)等導(dǎo)致。GIS內(nèi)部的懸浮電位應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，有條件及時(shí)處理。對(duì)于126 kV GIS，如果100 Hz信號(hào)幅值遠(yuǎn)大于50 Hz信號(hào)幅值，且Vpeak>10 mV，應(yīng)縮短檢測(cè)周期并密切監(jiān)測(cè)其增長(zhǎng)量,如果Vpeak>20 mV，應(yīng)停電處理。對(duì)于363 kV和550 kV及以上GIS 設(shè)備，應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)。

電磁力、電動(dòng)力、磁致伸縮引起的振動(dòng)。電磁力引起的振動(dòng)：當(dāng)鐵磁共振時(shí)，3倍的磁密度的增加將導(dǎo)致勵(lì)磁電流電壓互感器的正常值過(guò)大，正常電流可能達(dá)到數(shù)百甚至數(shù)千倍，由于過(guò)度勵(lì)磁，PT會(huì)引起不正常的嗡嗡聲，從而引起GIS外殼的劇烈振動(dòng)。電動(dòng)力引起的振動(dòng);當(dāng)電流通過(guò)母線(xiàn)時(shí)，在電動(dòng)力的激勵(lì)下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)并產(chǎn)生噪音，由于管狀母線(xiàn)套管的放大效應(yīng)，便產(chǎn)生異常響聲及振動(dòng)。

2 母線(xiàn)接地刀閘異常振動(dòng)案例

2021年6月14日對(duì)揚(yáng)州站110 kVGIS進(jìn)行帶電檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)出 “籃楊1A021開(kāi)關(guān)處的母線(xiàn)接地刀閘氣室”存在超聲波異常信號(hào)。同時(shí)在相應(yīng)氣室均未檢到特高頻PD異常信號(hào)。

選擇GIS金屬支架的超聲測(cè)量值為本次超聲檢測(cè)的背景值。測(cè)試時(shí)相位同步方式為內(nèi)同步自動(dòng)同步，檢測(cè)背景值圖譜如圖3所示?；@楊1A021開(kāi)關(guān)處的母線(xiàn)接地閘刀氣室超聲波檢測(cè)位置如圖4所示，其中測(cè)點(diǎn)1為相鄰設(shè)備測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)2為母線(xiàn)接地刀閘最大點(diǎn)位置。

圖3 籃楊1A021開(kāi)關(guān)處的母線(xiàn)接地閘刀氣室超聲波檢測(cè)背景值

圖4 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布點(diǎn)

籃楊1A021開(kāi)關(guān)處的母線(xiàn)接地閘刀氣室整體存在振動(dòng)信號(hào)，與相鄰設(shè)備及背景幅值存在明顯的差異，且在測(cè)試中可明顯聽(tīng)到設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的聲音，最大時(shí)超聲波幅值可達(dá)到7.6 mV左右，最小時(shí)為1.9 mV左右?；@楊1A021開(kāi)關(guān)處的母線(xiàn)接地閘刀氣室超聲波檢測(cè)典型圖譜進(jìn)行分析，如圖5所示。連續(xù)模式下，50 Hz/100 Hz頻率相關(guān)性較低；對(duì)比背景信號(hào)，幅值有所降低，相位模式下波形相同，分布呈現(xiàn)豎條狀，具備振動(dòng)特征。

圖5 籃楊1A021開(kāi)關(guān)處的母線(xiàn)接地閘刀氣室超聲波典型圖譜

依據(jù)Q/GDW 11059.1—2013《超聲波法PD帶電檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則及國(guó)家電網(wǎng)公司變電檢測(cè)管理規(guī)定(試行) 第4分冊(cè) 超聲波PD檢測(cè)細(xì)則3》，對(duì)籃楊1A021開(kāi)關(guān)處的母線(xiàn)接地閘刀氣室振動(dòng)信號(hào)連續(xù)模式及相位模式圖譜綜合分析，連續(xù)模式下50 Hz/100 Hz頻率相關(guān)性較低，相位模式下，分布呈現(xiàn)豎條狀，具備機(jī)械振動(dòng)特征，故判斷此信號(hào)為機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。

對(duì)存在異常信號(hào)的氣室進(jìn)行了X射線(xiàn)探傷檢測(cè)，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙發(fā)現(xiàn)氣室內(nèi)部連桿處缺失一枚墊片，從而產(chǎn)生了異常振動(dòng)信號(hào)，墊片位置和超聲波法定位結(jié)果相吻合。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)超聲波法在GIS設(shè)備帶電檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，包括基于接觸式壓電傳感器檢測(cè)時(shí)獲取超聲信號(hào)的四類(lèi)圖譜，即連續(xù)幅值、相位(PRPD)模式、飛行模式和實(shí)時(shí)(PRPS)模式圖譜，以及圖譜診斷和相應(yīng)的缺陷類(lèi)型判據(jù)。并通過(guò)揚(yáng)州站110 kV GIS “籃楊1A021開(kāi)關(guān)處的母線(xiàn)接地刀閘氣室”異常振動(dòng)信號(hào)分析驗(yàn)證了超聲波法在GSI設(shè)備帶電檢測(cè)中的有效性。證明了超聲波法不但可以發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的絕緣放電缺陷，對(duì)機(jī)械振動(dòng)缺陷也有一定的檢測(cè)能力。