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摘要：传统GIS局部放电声电联合定位方法中认为超声信号在GIS腔体内沿直线传播，忽略了其他可能传播路径，从而导致了错误定位。本文基于模拟信号源及实体GIS，超声信号在GIS中的传播路径进行了研究。结果表明：GIS外壳附近缺陷产生的超声信号不是简单的沿直线传播，而是沿GIS外壳固体传播。
关键词：GIS，局部放电定位，传播路径
0 引言
局部放电既是GIS设备内部绝缘裂化的原因，也是表征GIS内部绝缘状况的特征量。对GIS内部局部放电进行监测和定位对保证GIS安全可靠运行具有重要意义。
用于GIS局部放电定位的方法主要有UHF法，超声波法以及声电联合法[1]。声电联合法综合了UHF法以及超声波法的优势，以UHF信号作为检测信号起点，利用超声信号的时延可计算出GIS内部故障距超声传感器的距离，从而实现定位。超声信号属于机械波，其传播需要介质且在不同介质中具有不同的传播速度。传统的声电联合定位方法中多数认为GIS内部故障所产生的超声信号沿直线到达超声传感器，并未考虑其他的传播路径，可能导致错误的定位。为此，本文基于模拟信号源及实体GIS，对超声信号在GIS中的传播路径进行了研究。
1 传统GIS故障定位方法
1.1 UHF法
局部放电特高频（Ultra High Frequency—UHF）检测法由英国Strathclyde大学提出，目前已经被广泛应用到GIS生产和运行中，它是一种利用特高频频段电磁波进行局部放电在线监测的方法。
UHF法实现局部放电定位主要方法有时差法和幅值法[2]。
UHF方法实现局部放电定位的优点是原理简单、运用方便，且抗干扰能力强，具有较高的灵敏度。但由于UHF方法测量信号为ns量级，需要测量设备具有很高的采样率和频宽，更重要的是要求被测信号的起始脉冲清晰，以方便确定信号的起始时间。
1.2 超声波定位法
超声波法定位局部放电信号源的基本原理是利用多个超声波传感器，根据多个传感器接收信号的时延和超声波的传输速度，可以计算得到放电位置的距离[3]。
超声波法本身属于非电类检测方法，且检测回路与GIS设备的电气回路无任何联系。因此，超声波法用于GIS局部放电的抗电磁干扰性能特别强。但由于超声信号在不同气体以及GIS外壳等位置传播速度不同，且其高频信号衰减很快，因此超声信号变得很复杂，需要操作人员具有丰富的操作经验。而且一旦设备产生机械振动，或者现场存在其他环境噪声，超声波法会产生较大误差。
1.3 声电联合定位法
利用声电联合方法定位过程中，将特高频传感器放置在GIS盆式绝缘子处，同时将超声传感器利用有机硅脂作为耦合剂放置在GIS外壳处。由于电磁波信号以光速传播，且传播距离极短，因此可忽略电磁波信号在GIS腔体内传播所需时间，即认为示波器所检测的电磁波信号为GIS内部故障发生时间。根据示波器中所检测到的超声信号与电磁波信号的时间差，并根据超声信号的传播速度即可得到GIS内部故障源于超声传感器的直线距离[4]。
2 超声信号的传播路径
超声波在不同的介质中的传播速度也不同，其在固体中的传播速度远大于空气中的传播速度。超声信号在GIS腔体内部的传播途径可分为两种：
1）在SF6气体中直线传播；
2）先传播到GIS腔体外壳，进而沿GIS外壳传至超声传感器。
传播路径示意如图1所示。图中A为超声信号由GIS内部故障源直接传至超声传感器；B为故障源处超声信号先到达GIS外壳，然后将会以固体中的传播速度传至超声传感器。
图1 超声波传播路径
传统声电联合定位方法中认为超声信号直接由故障源传至超声传感器所在位置，只考虑了超声信号穿过GIS外壳厚度所需要的时间，并未考虑超声信号可能存在的第二种传输路径。对于一些GIS外壳缺陷，或非常靠近GIS外壳的GIS内部空间放电，很有可能是第二种传播路径。
3 实验验证
3.1 超声信号在GIS外壳传播速度
由于GIS外壳属于钢铁，没有可靠的超声信号传播速度的属于，本文利用两个距离为35cm的超声传感器测试了超声信号在GIS外壳中的传播速度。结果表明：两个超声传感器检测信号的时间差为108us，由此可得出超声信号在GIS外壳的传播速度为3240m/s。
3.2 GIS内部故障模拟
利用实验室条件下进行了GIS内部故障的模拟实验。使用的实验装置包括特高频传感器、超声传感器、GIS装置以及示波器。特高频传感器采用等角双螺旋天线，超声传感器采用有机硅脂作为耦合剂以保证超声信号的传输。GIS模型外壳内径50cm，内导体外径10cm，且每个气室均保留操作手孔以方便人为设置各种模拟故障。
采用模拟放电源作为GIS内部故障模拟设备，为模拟GIS外壳缺陷，将放电源通过操作手孔放置在GIS底部，放电源放电端与GIS外壳相距约1cm。实验模型以及检测方案示意图如图2所示。
图2 实验方案示意图
3.3超声信号的传播路径
首先根据特高频传感器在不同绝缘子处测得的电磁波信号确定GIS故障所在气室，之后根据超声传感器检测到的超声波信号时延计算GIS内部故障距离超声传感器的距离，得到超声信号的时延情况如图3所示。
图3 超声信号时延
超声信号时延为0.288ms，若依照A传播路径，即超声信号由故障点直接传至超声传感器所在位置，根据空气中超声信号传播速度为332m/s可得距离约为9.5cm，该数值远小于实际距离。
而如果根据B方案，即超声信号先传至GIS外壳，进而由外壳传至超声传感器所在位置，根据之前测试的超声信号在GIS外壳的传播速度计算可得距离约为93cm。而GIS腔体外壳内径为50cm，即其半径约为78.5cm。由于超声传感器与故障源并不在同一横截面，综合横向距离，超声传感器与故障源在GIS外壳的最短距离约为90cm，与测试结果相差不大。因此，可认为，由GIS外壳缺陷所造成的GIS内部局部放电故障的超声信号先传递至GIS外壳，而后沿GIS外壳传至超声传感器。
4 结论
GIS内部故障的超声信号传播路径复杂，根据GIS内部局部放电类型以及放电源距GIS外壳的距离不同，超声信号的传播路径可能不同，并不仅仅是简单的直线传播，存在沿GIS外壳固体传播的情况。
参考文献
[1]郭俊,吴广宁,张血琴,舒雯.局部放电检测技术的现状和发展[J].电工技术学报,2005,02:29-35.
[2]刘卫东,黄瑜珑,王剑锋,钱家骊.GIS局部放电特高频在线检测和定位[J].高压电器,1999,01:11-15.
[3]黎大健,梁基重,步科伟,杨景刚,李彦明.GIS中典型缺陷局部放电的超声波检测[J].高压电器,2009,01:72-75.
[4]刘君华,姚明,黄成军,郭灿新,姚林朋,江秀臣.采用声电联合法的GIS局部放电定位试验研究[J].高电压技术,2009,10:2458-246.
论文作者:王超,孙冬,赵晓冰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：超声论文; 信号论文; 外壳论文; 传感器论文; 局部论文; 故障论文; 路径论文; 《电力设备》2017年第30期论文;