超声波局部放电检测及诊断方法

产品简介

 当前电力设备局部放电检测中，基于超声波原理的检测主要分为带电检测和在线监测两种方法。带电检测是当前超声波法在电气设备局部放电检测中应用广泛的一种检测方法；而国内电力系统内已经安装的几套超声波局部放电长期在线监测系统受技术和设备的稳定性所限，性能不稳定，出现高误报率，应用受到很大的限制，相关技术有待进一步的研究和完善。

一般的，超声波局部放电带电检测遵循如图4-9所示的基本流程。在检测开始前，通过对背景和检测点超声波信号有效值、幅值、频率相关性、相位及原始波形的测定，判断是否正常。如果有异常信号，就进一步分析确认所检测的设备是否存在明显缺陷，以确定缺陷的原因和位置；对于疑似缺陷、一些间歇性和不稳定的异常信号，可以利用其它不同检测手段如特高频、红外测温、分解物分析、X射线等进行辅助检测。

超声波局部放电检测对颗粒、悬浮放电、尖端放电、松动、异物杂质等缺陷均有较好的检测效果，对绝缘子内部缺陷灵敏度低。超声波局部放电检测和特高频局部放电检测为互为补充，互为验证的关系，不可偏袒。4-9  超声波局部放电带电检测的原则和基本流程1 带电检测的一般流程

如图4-10所示，超声波局部放电带电检测一般包括检测前的准备、检测点选择、背景检测、信号普测、初步定位、信号详测、信号确诊、分析报告等环节。超声波局部放电带电检测的流程

1）中试控股电力讲解检测前的准备工作

检测前应检查仪器的完备性，设定仪器的试验参数，确保仪器的内部电池电量充足，确认超声硅脂等部件齐全以及传感器性能良好。

2）检测点的选择

根据不同电力设备的内部结构，确定各个检测点。由于超声波信号衰减较快，因此在检测时，两个检测点之间的距离不应大于1米。对于GIS设备，通常应选择的测试点有：①盆式绝缘子两侧，特别似乎水平布置的盆式绝缘子；②隔室下方，如存在异常信号，应在该隔室进行多点检测，查找信号大点；③断路器断口处、隔离刀闸、接地刀闸、电流互感器、电压互感器、避雷器、导体连接部件等处。对于变压器设备，超声波局部放电检测通常用于进行放电源定位，因此可在变压器外壳上选择合适的检测点。对于开关柜设备，通常宜选用非接触式超声波传感器对柜体缝隙进行检测，并辅以接触式超声波传感器对柜体外壳进行检测。

3）背景的检测

检测现场空间干扰小时，将传感器置于空气中，仪器所测得的数值即为背景值；检测现场空间干扰较大时，将传感器置于待测设备基座上，仪器所测得的数值即为背景值；而在信号确诊和准确定位时，宜将传感器置于临近的正常设备上，仪器所测得的数值即为背景值。

4）信号普测

手持超声波传感器，平稳地放在设备外壳的各检测点上，待信号稳定后，观察信号情况10秒以上时间。建议为一人操作。检测中要避免传感器的抖动，避免测试人员的衣物、信号电缆和其他物体与待测电力设备的外壳接触或摩擦。

5）信号定位

超声波法局部放电定位有幅值定位和时差定位两种。幅值定位是根据超声信号的衰减特性，利用峰值或有效值的大小定位，一般离信号源越近，信号越大；时差定位是根据超声波信号达到传感器的时差，通过联立球面方程或双曲面方程组计算空间坐标，进行精确定位，精度可达10cm。在实际应用中，可采用幅值方法进行初步定位，随后根据现场需要决定是否需要进行进一步的精确定位。此外，由于设备内部的结构不同，超声波信号传播存在一定的复杂性，也可采取声电联合等定位方法。

6）中试控股电力讲解信号详测

在发现有可疑超声波信号的部位后，应进行定位后对该部位进行详细检测，此工作必须使用传感器固定装置（如磁铁固定座、固定座和绑扎带等），进行综合分析，必要时增加测点检测。应记录并存储信号时间分辨率与电源周波频率相当的超声波信号的时域波形，以便于准确分析。记录还应包括设备工况、环境条件等内容。

7）信号异常处理与分析

在电力设备检测到超声波局部放电信号异常时，应进行短期的在线监测或其他方法的检测，如特高频检测、绝缘介质的电/热分解的成分分析、温度检测等手段，并加以综合分析。

超声波异常信号分析宜采用典型波形的比较法、横向分析法和趋势分析法。典型波形比较法是综合考虑现场干扰因素后，获得真正代表目标内部异常的超声波信号与典型波形图库进行比较；横向分析法即为目标部位的信号和相邻区域信号或另相相同部位信号进行比较，确定是否有明显异常信号；趋势分析法为目标部位的信号与历史数据相比较是否有明确的增长发展趋势。异常信号分析时应综合考虑工况因素的影响。

8）分析报告

分析报告主要应包括电力设备详细名称、电力设备工况、检测详细位置、使用检测设备名称、检测者、检测时间、检测数据、数据分析情况、建议与结论等内容。

2 带电检测时的注意事项

1）注意检测仪器状态良好。

2）不同的电力设备选择合适的传感器。

3）合理使用超声硅脂，超声波信号大部分在超声波频段范围，在不同介质（如金属与非金属、固体与气体）的交界面，信号会有明显的衰减。使用接触式超声波检测仪器时，在传感器的检测面上涂抹适量的超声耦合剂后，检测时传感器可与壳体接触良好，无气泡或空隙，从而减少信号损失，提高灵敏度。

4）中试控股电力讲解检测时宜使用传感器固定装置，避免操作者的人为因素的影响。

5）选择合适的检测时间，注意外部干扰源。现场干扰将降低局部放电检测的灵敏度，甚至导致误报警和诊断错误。因此，局部放电检测装置应能将干扰抑制到可以接受的水平。

6）提高检出概率，建议使用信号时间分辨率与电源周波频率相当的超声波信号的时域波形的检测设备，并记录连续多工频内的时域波形。

7）检测时，应做好检测数据和环境情况的记录或存储，如数据、波形、工况、测点位置等。

8）每年检测部位应为同一点，除非有异常信号，定位出大点后，改为大点的部位检测。

9）检测者宜熟悉待测设备的内部结构。

3 GIS设备超声波局部放电带电检测的技术要点
GIS内部发生局部放电时，伴随有超声波信号的产生。通过在GIS外部安装超声波传感器，接收GIS内部放电产生的超声波信号，间接判断GIS是否有放电现象。该方法的检测频率一般在100 kHz范围内，对于SF6气体中的颗粒跳动、尖端放电、悬浮电位、异物和连接不良比较灵敏，但对于绝缘件内部空隙、裂缝等缺陷灵敏度较低。对GIS进行超声波检测流程如 GIS超声波局部放电检测流程

1）传感器的选择

一般的，对GIS设备进行超声波局部放电检测选择传感器的频率范围为20kHz-100kHz，谐振频率为40kHz。

2）检测背景信号

检测前，应注意尽量清理现场的干扰声源。检测现场附近的排风扇旋转、施工机械摩擦、物体与GIS壳体摩擦、临近的带电导体电晕等都会带来干扰。推荐的背景检测点是GIS外壳底架，并选择各相测点的小值。对于初步判断超声波信号异常的部位，应在该部位附近重新检测背景信号。

3）测点的选择

由于超声波信号随距离增加而显著衰减，故检测选点不宜太少，否则很可能漏掉异常点。GIS的超声波检测位置示意图如图4-12所示。选择测点的基本原则是：

（1）内部结构易出问题的部位，如筒体下部，开关触头等；

（2）测点间距离不宜大于3米，每两个盆式绝缘子之间至少1个测点；

（3）断路器、隔离开关、接地开关等有活动部件的气室取点应增多；

（4）观察历史趋势时应与前次检测取相同测点；

（5）三相共箱的GIS建议在横截面上每120度至少1个测点；

（6）在GIS转角处和T形连接处前后应各测1点；

（7）对于外壳直径较大的GIS应考虑在横截面上适当增加测点；

（8）在水平安装的盆式绝缘子处，应增加测点，颗粒可能残留在这些绝缘子上并产生局部放电。
GIS中的超声波局部放电定位技术分为频率定位技术和幅值定位技术。频率定位技术是利用SF6气体对超声波信号中的高频信号的吸收作用，通过分析超声波信号高频部分（50kHz-100kHz）的比例来区分缺陷位于中心导体上还是外壳上，具体流程见图4-13。而对于稳定缺陷，可以利用幅值定位与时差定位技术进行精确定位。

5）GIS的异常声响分析

我们偶尔会遇到运行中的GIS出现了可听的异常声响，这种现象可能是由于内部松动、设备动静触头对应不正或设备运行引起振动等因素造成，因此我们不应盲目认为GIS内部出现了明显的放电，而应改变超声波信号频段检测，并加以设备的振动分析和特高频检测等其他检测手段进行综合分析。

此外，由于设备的设计和布局的原因，在设备运行时可能引起设备某段区域存在共振现象。我们应找出共振区域，检测是否有局部放电信号。这种共振现象频率一般比较低，人手能感觉出来，不伴有超声波局部放电信号。

6）特殊部位的分析

在工作状态下，电压互感器和电流互感器的内置绕组和铁芯会产生周期性的交变电磁场，由此可能产生特有的超声波信号。所以我们应对电压互感器气室和电流互感器气室进行特殊分析。该特有的超声波信号一般具有强的单倍频和多倍频信号规律性，波形具有典型对称性特征。所以检测者可以通过检测信号的周期性和对称性等特征来判断信号是否源于局部放电之外的其它原因。

5 变压器超声波局部放电带电检测的技术要点

变压器内部绝缘材质多样，结构复杂，发生局部放电时，超声波信号在不同材质中的衰减速率差异较大，传导到变压器外壳的超声波信号也比较复杂。在变压器局部放电检测中，一般用油色谱和高频等方法进行普测，而超声波法则用于发现缺陷后进行缺陷的定位。在定位过程中，通过在变压器外部安装多个超声波传感器，来接收变压器内部局部放电产生的超声波信号，并利用多通道的超声波信号的幅值和时差变化来判断变压器内部放电部位的三维空间位置。

1）传感器的选择

一般的，对变压器设备进行超声波局部放电检测选择传感器的频率范围为80kHz-200kHz，谐振频率为160kHz。

2）检测背景信号

检测前，应注意尽量清理现场的干扰声源。检测现场附近的排风扇旋转、施工机械摩擦、物体与变压器壳体摩擦、临近的带电导体电晕等都会带来干扰。推荐的背景检测点是变压器外壳基座。此外，电抗器和换流变在运行中有较大的振动，对局部放电超声波检测有一定的干扰，但是该干扰信号特征明显，可以通过观察后进行排除。

3）测点的选择

由于超声波信号随距离增加而显著衰减，且变压器内部结构复杂，超声波信号存在一定的折反射，故检测选点不宜太少，否则很可能漏掉异常点。选择测点的基本原则是：原点应为变压器高电压侧的左下角，传感器位置可根据变压器的设计及详细试验条件而改变。重要的是对于类似的变压器，传感器应布置在相同的坐标位置以利于比较结果。相邻传感器之间的直线距离以2~3米以内为宜，并应准确记录传感器的坐标位置。

4）信号源定位

变压器的超声波局部放电定位技术除了幅值定位技术以外，还需增加时差定位技术来综合实现变压器内部的三维空间定位。时差定位技术是利用局部放电产生的超声波信号传播到不同位置的传感器所需时间的差别来定位的技术，但由于变压器内部结构复杂、信号到达不同传感器路径不同和材料的特性差异等原因，容易造成时差测定不准确，给定位带来较大的误差。在实际定位时，可对超声波形进行分析，确定其属于横波或纵波，通过增加测点和移动传感器，获取有明确时差的纵波信号，即可提高定位精度。

6 开关柜超声波局部放电带电检测的技术要点

高压开关柜内产生局部放电时的超声波信号可以利用非接触式超声波传感器在缝隙处进行检测，也可以利用接触式超声波传感器在壳体上进行检测。由于超声波在开关柜内部的传播存在折反射，使得局部放电定位的精度受到限制，很难利用超声波信号对局部放电进行模式识别和定量判断。

开关柜检测中常见的干扰源有水银灯以及附近走动的人或运行的机器，在检测时应隔离这些干扰噪声。

接触式超声波法检测时，将接触式探头放置在开关柜的主骨架上检测超声波信号。开关柜面板表面包括断路器室、母线通风处的板/盖、开关柜的门、高压电缆端子箱等部位。依此程序，扫描所有的开关柜，每一处扫描应持续10秒，以便检测超声波信号。如有必要，延长检测时间。

    非接触式超声波法检测时，将仪器指向开关柜面板缝隙处，沿着缝隙检测超声波信号。开关柜面板包括断路器和金属封装的缝隙处、电缆或母线窗、母线通风板/盖处的缝隙、开关面板/门处的缝隙、高压电缆接头箱的侧面或底部的通风孔等部位。

对开关柜进行超声波局部放电检测的结果分析原则有如下三个。第一，横向分析法。对同个开关室中开关柜的检测结果做出横向比较，如果其中一个开关柜的检测结果大于现场背景值以及其它开关柜的测试结果，则可以确定该设备可能存在缺陷。第二，趋势分析法。分析同一个开关柜在不同时间的检测结果，进行纵向比较判断开关柜的运行趋势。根据特定的周期检测开关室中的开关柜，保留每次的检测结果，就可以根据检测结果对设备局部放电状态变化的趋势进行分析。第三，定值判别。将判断阈值与开关柜的检测结果做出比较，分析比较结果来判断开关柜的运行状态。典型的开关柜超声波定值判别依据如表4-3所示。表中P为检测中得到的超声波信号幅值，通常以单位dB表示。应当注意，超声波定值判别时应结合声音进行判别，如果未听到放电声音则可认定为正常。

表4-3 开关柜超声波定值判别依据

局部放电是很复杂的物理现象，用单一表征参数很难全面描述，所以在诊断中应尽量对各种放电谱图进行全面分析，以减少误判。局部放电缺陷诊断的主要依据是信号水平、频率相关性、相位分布和特征指数，同时也可以参考时域波形。

根据背景和检测点所测超声波信号的周期峰值、有效值、50Hz相关性、100Hz相关性、相位分布、特征指数分布及时域波形的差异，满足表4-4的所有标准即为正常，任何一项参数不满足均可判定为异常。背景信号通常由频率均匀分布的白噪声构成，表4-5列出了不同检测模式下背景信号的典型谱图与特征。

表4-4 超声波局部放电正常的判定标准

表4-5 不同检测模式下的背景噪声典型谱图

根据背景和检测点所测超声波信号的周期峰值、有效值、50Hz相关性、100Hz相关性、相位分布、特征指数及时域波形的差异，几种不同缺陷类型的判断标准如表4-6所示。

表4-6 超声波局部放电缺陷类型的判定标准

如表4-7所示，在检测过程中，如果观察到一些间歇性的没有规律的异常信号，即可以判断为疑似缺陷。

表4-7 超声波局部放电疑似缺陷的判定标准

超声波局部放电检测技术可以应用于GIS、开关柜、变压器及电缆终端等多种电气设备。不同的设备导致局部放电的原因不一样，在缺陷诊断中具有各自的依据和特点。目前超声波法在GIS设备缺陷诊断中应用为广泛，其诊断的标准也比较完善；而在开关柜、电缆和变压器的应用中，缺陷诊断工作相对较少。本节主要介绍GIS设备典型缺陷诊断的依据和标准。

1 电晕缺陷

当被测设备存在金属尖刺时，在高压电场作用下会产生电晕放电信号。电晕放电信号的产生与施加在其两端的电压幅值具有明显关联性，在放电谱图中则表现出典型的50Hz相关性及100Hz相关性，即存在明显的相位聚集效应。但是，由于电晕放电具有较明显极化效应，其正、负半周内的放电起始电压存在一定差异。因此，电晕放电的50Hz相关性往往较100Hz相关性要大。此外，在特征指数检测模式下，放电次数累积谱图波峰位于整数特征值2处。表4-8为电晕缺陷超声波检测典型图谱。

表4-8 电晕缺陷超声波检测典型图谱

2 悬浮电位缺陷

当被测设备存在悬浮电位缺陷时，在高压电场作用下会产生局部放电信号。局部放电信号的产生与施加在其两端的电压幅值具有明显关联性，在放电谱图中则表现出典型的50Hz相关性及100Hz相关性，即存在明显的相位聚集效应，且100Hz相关性大于50Hz相关性。此外，在特征指数检测模式下，放电次数累积谱图波峰位于整数特征值1处。表4-9为悬浮电位缺陷超声波检测典型图谱。

表4-9 悬浮电位缺陷超声波检测典型图谱

3 自由金属颗粒

当被测设备内部存在自由金属微粒缺陷时，在高压电场作用下，金属微粒因携带电荷会受到电动力的作用，当电动力大于重力时，金属微粒即会在设备内部移动或跳动。但是，与悬浮电位缺陷、电晕缺陷不同，自由金属微粒产生的超声波信号主要由运动过程中与设备外壳的碰撞引起，而与放电关联较小。由于金属微粒与外壳的碰撞取决与金属微粒的跳跃高度，其碰撞时间具有一定随机性，因此在开展局部放电超声波检测时，该类缺陷的相位特征不是很明显，即50Hz、100Hz频率成分较小。但是，由于自由金属微粒通过直接碰撞产生超声波信号，因此其信号有效值及周期峰值往往较大。此外，在时域波形检测模式下，检测谱图中可见明显脉冲信号，但信号的周期性不明显。表4-9为自由金属颗粒缺陷超声波检测典型图谱。虽然自由金属微粒缺陷无明显相位聚集效应。但是，当统计自由金属微粒与设备外壳的碰撞次数与时间的关系时，却可发现明显的谱图特征。该谱图定义为“飞行图”，通过部分局部放电超声波检测仪提供的“脉冲检测模式”即可观察自由金属微粒与外壳碰撞的“飞行图”，进而判断设备内部是否存在自由金属微粒缺陷。图4-14为自由金属微粒缺陷的超声波检测飞行图，由图可见其有明显的“三角驼峰”形状特点。

表4-10 自由金属颗粒缺陷超声波检测典型图谱

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