东莞市输变电工程建设有限责任公司 吴柱荣
GIS有占地面积小、运行可靠、使用寿命长和免维护等优点，已广泛应用于电力行业中。但在GIS加工、运输和现场安装的过程中，受加工工艺、运输和安装条件及安装人员的装备技术水平限制，其腔体内经常出现一些小的缺陷，如：绝缘子内部有气泡或是裂纹、内部紧固件松动、金属导体毛刺、安装时带入灰尘或异物、清扫不洁净壳体上附着有灰尘或颗粒等缺陷。因此GIS在进行交接时进行雷电冲击试验或交流耐压试验（大多数情况下交接试验以交流耐压试验为主），在投运前有效发现上述这些问题。
无论是雷电冲击试验还是交流耐压试验，就设备本身而言都属于破坏性试验，如发生击穿反复加压会造成设备的整体绝缘性能下降，从而影响使用寿命和带来安全隐患。因此在耐压试验过程中对击穿点进行精准定位显得尤为重要。最早期传统的方法靠人耳感知，安排若干人员站立在GIS设备周围，凭耳朵感知哪里的声响最大来进行定位，此方法发生错误的概率为90%以上，解决手段就是分间隔多次加压，直至找出击穿点。
随着技术进步，采用分解产物对击穿进行定位，SF6在高压场强的作用下发生分解，分解的成份有SO2、H2S等气体，若击穿点刚好发生在取气口附近、并及时进行测量，能有效找到击穿部位。但是由于现阶段通常采用整体加压方式，每次耐压所带的间隔都是几个或二十多个，此时用测量分解产物的方法显得力不从心。原因一：SF6具有极强稳定性和电负性，击穿时可能不发生分解或分解后能快速修复；
原因二：耐压时所带间隔多、需测量的气室数量多，当测量到击穿点时SF6已完成自我修复，而且通常是多个气室共用一个取气口，测量的数据是取气口附近气体的数据。所以该方法也不能准确定位击穿点。
再后来发展到采用超声波幅值的定位，但由于受传感器一致性的影响和超声信号在传输的过程中会产生反射叠加，经常会出现最大值不是击穿部位的情形，从而导致定位不准。
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。金属突起通常是制造不良和安装损坏擦划时造成的，导致毛刺且较尖，使得场强分布不均匀。在稳定的工频状态下形成电晕保护球不容易发生引击穿，但在快速电压如雷电冲击情况下容易击穿；
GIS腔体内可移动的自由金属微粒。金属微粒是最普遍的微粒，在制造、装配和运行中均有可能产生，它有积累电荷的能力。在交流电压场的影响下能够移动，在很大程度上运动与放电的可能性是随机的。当靠近高压导体且并未接触时可能发生放电，随电压等级的升高可能发生击穿。
传导部分接触不良。如静电屏蔽和其它浮动部件，由松动或浮动部件产生电位差，随电压不断上升而最终可能发生击穿；
绝缘子制造时造成的内部空隙和实验闪络引起的表面痕迹，还包括或是因电极的表面粗糙或是来自制造时嵌入的金属微粒。此外因环氧树脂与金属电极的收缩系数不同，也会形成气泡或空隙。这些GIS的绝缘缺陷类型极有可能会在GIS中产生局部放电，在绝缘体中的局部放电甚至会腐蚀绝缘材料，进一步发展成为树枝并最后导致绝缘击穿。
在GIS发生击穿时伴随有声、光、热等现象，通过对某一种或几种现象进行监测，达到定位的目的。此文重点阐述对击穿时产生的超声波进行监测，实现击穿定位的目的。
2.1 系统简介
本系统采用全金属一体化设计，抗电磁辐射等级满足国标四级标准。内置信号高速采集，采样率高达1MHz，具备同步处理、包括滤波、放大、触发设置等功能；
采样时北斗或GPS实时同步授时，或采用后台笔记本无线授时，授时精度达到纳秒级，内置恒温晶振，授时后计时精度达到50us/12h。
本系统考虑到传感器个体差异，专门增设参数校准，针对单个传感器在谐振频率上响应差异进行系数修正，修正精度高达1%；
且充分考虑现场若发生击穿会产生高频信号、对无线通讯会产生一定的影响，可能导致无线信号中断、后台无法显示的情形，本系统采用了最可靠的显示方式：最稳定可靠的信号指示灯强弱显示；
直观的液晶显示，可直接显示击穿时的峰值和击穿起始脉冲时间；
采用后台笔记本显示。
图1 系统组成示意（最多可299个单元同时使用）
2.2 幅值定位介绍
由于环氧树脂对超声波信号有极强的吸收作用，当击穿点在击穿时产生的超声波信号在通过绝缘盆子时被盆子吸收，使得信号的强度发生大幅衰减。通过实验室对比发现，超声波信号的强度每经过一个盆式绝缘子能量衰减比率高达40%~60%之间。依据这种情况，就可通过击穿时每个定位单元的幅值大小进行定位，理论上幅值越大离击穿点越近。此方法对传感器的一致性要求较高，需所有定位单元的一致性不超过20%的误差。
2.3 时差定位介绍
若GIS内部发生击穿，超声波在沿壳体进行传播过程中，遇到较大的障碍物时一部分被障碍物吸收、一部分穿过障碍物沿壳体继续向前传播、一部分会发生反射，此时可能发生波形的叠加，会出现叠加后的波峰高于击穿点的波峰，从而产生误判的情况。遇到此情形需根据起始脉冲的时差来判断击穿点的位置。在GIS内部发生击穿时，超声波信号在SF6气体中先主要以纵波的形式传到壳体表面，再主要以横波的形式沿壳体传播，根据定位单元离击穿点的距离不同，超声波信号到达定位单元的时间先后也不一样，因此理论上越早到达的定位单元离击穿点越近。
超声波沿壳体传播时的速度，以铝合金为例约为6300m/s、在铁中的传播速度约为5900m/s，所以定位单元的授时精度要达到纳秒级，在工作中的所有传感器误差要小于100us才能确保时差法定位的准确性。但由于GIS紧凑的结构，比如在发生击穿时超声波信号还会沿空气传播，通过空气传播到不是击穿点上的定位单元时间更短，此时也容易发生误判。如图2中，黑点代表定位单元安装位置、红点代表击穿位置，此时可能先接受到信号的单元是上方的单元。所以对GIS耐压过程中击穿定位的方法，最好是时差法和幅值法相结合进行综合判断，才能确保定位的准确。
图2 时差定位误判断情形举例
3.1 工装注意事项
超声波传感器作为定位单元的核心元器件之一，它采用压电陶瓷片制作而成，接收到击穿时产生的压力波，通过转换把压力波转变为电信号，再通过A/D转换呈现信号的强弱。因此测量前的安装情况显得尤为重要，在安装时一定要使传感器的中心点和GIS壳体完全耦合；
如果在安装时不是传感器的中心点与壳体接触会导致幅值的误差高达50%或以上，从而导致定位不准的结果。固定安装时选用专门的紧固带将定位单元紧固在GIS壳体表面，使得传感器承受一定的压力并尽量使所有定位单元压力的大小一致。
超声波的传递需要介质，在一种介质进入另外一种介质中时传播速度和衰减都会有明显的变化，所以安装时要尽量多的将耦合剂涂抹在传感器的表面，使得传感器和壳体之间不留间隙；
如果耦合不够紧密，测量时导致幅值的误差高达30%甚至更多，从而导致定位出现错误的情况。对于耦合剂最好是选用绝缘硅脂为首选。
3.2 布点选择
依据超声波经过盆式绝缘子的衰减，在条件允许的情况下，每隔一个盆子都要安装一个定位单元；
安装在离盆子左右（或上下）30cm处，尽量安装在壳体的侧下方；
注意不要把定位单元紧挨盆子安装，因为如果离得太近可能会出现波形叠加的情况而产生误判断。很多时候受定位单元数量的限制，在安装时要优先选择现场安装部分，再根据结构不同选择安装，优先级为：现场安装部分→断路器处→刀闸处→T型或者L型接头处。安装时尽量避开互感器（图3）。
图3 定位单元安装（黄色代表定位单元的安装位置）
3.3 开始前检测确认
开始前先开启所有定位单元，对定位单元进行授时，授时完成点击开始测量，然后在每个定位单元所在的气室用金属轻轻敲击壳体，看定位单元能否接收到信号。检查完毕后将这些数据全部清除，点击停止和屏保，待确认开始升压后再全部开启测量。
4.1 某电网公司220kV GIS现场交流耐压试验中成功定位
图4 实测定位解题验证图片
本次对220kV新某某变电站220kV GIS进行耐压击穿定位测试过程中：A、C相整体耐压及断口通过；
B相整体耐压通过后，调整刀闸状态后进行断口耐压时，电压到460kV时95706刀闸处传感器先发生了击穿，根据现场测量数据对发生击穿相邻的3个传感器进行峰值比较，由于95706刀闸处最先发生击穿且峰值最大、断路器峰值最小，#6母线的传感器布置在B相的正前方位置但峰值比95706刀闸处峰值小，根据声音的传播方向判断越接近放电源峰值越大，击穿点应在95706刀闸气室内；
各方到场后对95706刀闸气室进行抽真空开检修门，利用内窥镜在95706刀闸气室下部靠A相面发现明显的放电痕迹。
4.2 广东电网公司220kVGIS耐压时击穿成功定位
本次对220kV某变电站220kV GIS进行耐压击穿定位测试过程中：第一次对#4主变变高间隔A相加压时，当电压等级完成第二阶段向第三阶段加压至420kV时发生击穿，对地保护后检查传感器在#4主变变高间隔1m侧22041刀闸气室处的传感器峰值到达了3248mV，断路器处传感器为99mV，根据峰值比较该放电源在#4主变变高间隔1m侧22041刀闸气室概率较大；
各方到场后对#4主变变高间隔1m侧22041刀闸气室进行抽真空开检修门，利用内窥镜在#4主变变高间隔1m侧22041刀闸气室A相发现内部绝缘材料破损。
综上，通过实验室和现场测试情况来看，在GIS工频耐压或者雷电冲击实验过程中，对发生击穿时的定位利用超声波幅值和时差法能准确定位出击穿点的位置，在定位过程中需做好如下工作：现场安装时一定要认真仔细检查安装是否正确，确保传感器的中心点和GIS壳体充分接触；
保每个定位单元与壳体的完全耦合，尽量多的涂抹耦合剂；
开始前要确保每个定位单元处于正常工作状态并统一授时；
条件允许的情况下每隔一个盆子至少安装一个定位单元；
对定位单元的一致性要求较高，建议所有定位单元的一致性在20%以内；
时间精度至少到达100us，并能准确记录起始脉冲时间。