一 任务描述

某日，试验人员对220kV某变电站开展GIS局部放电带电检测巡检，发现262间隔超声波放电信号明显。经过干扰信号排除、图谱特征分析，确认该超声波信号来源于GIS内部。为了进一步确定放电缺陷产生部位，需对该缺陷进行精确定位。

二 内容介绍

在进行缺陷超声波定位之前，首先利用一个微课件对GIS缺陷超声波定位原理进行介绍。

超声波定位的必要条件：使用超声波方法对缺陷定位，其必要条件是在GIS表面多个检测点能够检测到来自GIS内部缺陷放电的超声波信号，且外部不存在干扰信号或可采取有效措施屏蔽外部干扰信号。

GIS超声波定位方法分类：根据定位原理的不同，可分为图1中三种方法。

图1

三种方法原理不同，可以根据实际情况单独使用，也可以依次使用。下面介绍三种定位方法的原理及相关内容。

方法一：幅值法

原理：超声波在GIS内部传播具有衰减特性，其信号幅值强度随着传播距离的增加而减小，其主要原因是波在传播过程中发生折反射和介质吸收，如图2、3所示。超声波在介质的传播过程中，其衰减程度会受多方面因素影响，如图4所示。

图2

图3

图4

传播介质的材质不同、GIS中SF6气体的温湿度以及缺陷产生的超声波频率的不同，都会导致超声波在传播过程中衰减程度不同。通常当气体中的温湿度一定时，超声波在气体介质中的衰减与频率f或f2成正比。

小结：1.波的折反射和介质吸收等造成信号衰减，GIS内部局部放电激发的超声波信号传播路径越长，经过的媒介种类越多，衰减越大，传感器检测到幅值就越小。因此，对GIS缺陷可以采用幅值法定位。

2.由于传播路径的不同，经过的介质不同，且超声波频率也会影响衰减程度，几乎不可能建立与信号源距离的定量关系，只能根据对比幅值大小，粗略定位。

判断依据：传感器检测到超声波信号幅值越大，该传感器离放电源距离越近。

方法二：频率法

原理：利用SF6气体对高频信号的吸收作用，超声波信号在气体中传播时频率越高衰减越快。

思考：

1.怎么利用SF6气体对高频信号的吸收作用进行定位？

2.频率法定位的适用范围？

判断方法：通过改变测试仪器检测带宽，根据信号幅值变化来判断电源位置。将检测带宽由10kHz～100kHz改为10kHz～50kHz时，即将测试仪器参数设置上限频率从100kHz调整到50kHz。若检测到信号明显减小，则缺陷一般在壳体上；若信号水平不变，说明高频成分已经被SF6吸收而减弱，则缺陷一般位于导体上。

图5 设置上限频率100kHz

图6 设置上限频率50kHz

图7 上限频率100kHz图谱

图8 上限频率50kHz图谱

适用范围：通过幅值法确定最大信号位置后，固定传感器在该位置，采用频率法只能确定放电源位于导体还是壳体。

方法三：时差法

原理：局部放电激发的超声波信号以一定的速度在GIS中传播，到达不同的检测点时间不同。根据两个传感器检测到的同一超声波信号的时间差，以及超声波在GIS中传播速度和两传感器间的距离，实现缺陷定位。

时差法的关键是准确测试放电源到两个检测点的传播时间之差。传播时间与传播路径息息相关，要准确测试时间差，必须先了解放电源超声波在GIS中的传播路径，如图9所示。

图9

时差读取包括直达波和复合波两种。由于超声波在GIS金属外壳中传播速度快且衰减大，复合波往往先到达传感器，但其幅值却比直达波小得多。鉴于直达波幅值相对较大，易于分辨，因此超声波定位一般读取直达波时差，如图10所示。

图10

GIS属于线性管道结构，时差法定位一般以一维空间内进行定位计算，在理想情况下，仅需放电源两侧2个测点同时检测异常超声波信号，测试两个传感器检测到信号的时间差和两传感器之间的距离，即可计算出放电源的位置，计算方法如图11所示。

图11

以上介绍的是GIS缺陷超声波定位原理，是开展超声波定位的理论基础。在现场的实际定位工作将怎么开展？接下来将具体介绍。

接收到工作任务后，工作负责人需分析本次工作中存在的危险点，并提前做好预控措施。本次工作有如图12所示危险点。(www.daowen.com)

图12 危险点

去现场之前，工作人员还应提前在实验室库房准备好需要的工器具及仪器，具体清单如图13所示。

图13

来到现场后，经运行人员许可工作票，工作负责人核对安全措施，对工作人员进行安全和技术交底后，具体工作按以下步骤进行。

步骤1：试验环境检查

试验环境检查包含三方面内容，分别是检查大气环境、GIS气压表和GIS设备表面（如图14所示），必须全部满足相关规定和要求。

图14

步骤2：测试系统连接

超声波定位测试系统包含超声波传感器、放大器、示波器和连接线等仪器和配件，工作时需工作人员自己连接，同时须搭设检修电源和保护接地，连接流程按图15所示进行。

图15 现场搭设检修电源

步骤3：测试系统检查

超声波定位测试系统连接好后，还需对测试系统检查，测试系统检查包含三方面的内容，特别是示波器连接电缆是否等长度，这是现场工作中容易忽视的点，如果连接电缆长度不等，波传播到示波器采集到的信号时间差会产生误差。测试系统检查如图16所示。

图16 测试系统检查

步骤4：测试系统调试

测试系统检查确认无误后，示波器开机进行调试，调试包含两方面内容：一是示波器开机自检和参数设置，保证示波器能捕捉超声波频段波形且波形纵轴幅值、横轴时间在显示屏上便于观察；二是在相同位置的两个传感器能检测到超声波信号，两个通道都能检测到信号，且无时差。测试系统调试如图17所示。

图17 测试系统调试

步骤5：幅值强度定位

之前介绍了超声波定位有三种方法，首先采用幅值强度法进行粗略定位。幅值法定位根据需要传感器的个数，可分为单传感器法和多传感器法，分别如图18、19所示。

图18 单传感器法

图19 多传感器法

步骤6：时间差精确定位

通过幅值法，可以在轴向进行粗略定位，圆周方向可以确定放电源位于中心导体还是壳体上。频率法也只能确定圆周方向是位于导体还是壳体。如果有相关设备，可以通过频率法对放电源位置与幅值法定位结果进一步验证，本课件对频率法定位不做介绍，在幅值法定位粗略结果的基础上，可采用时间差法进一步精确定位。

时间差测试包含4个操作步骤（如图20所示）：

图20 时间差测试步骤

①传感器布置：根据幅值法粗定位结果，将两个传感器布置在信号源附近，且分别置于两侧。

②抓取波形：选择一个通道作为触发通道，并根据波形幅值大小设置合理的触发电平抓取幅值较大的波形。

③测试时间差Δt：抓取波形后，利用示波器的测试功能，两条测试线x1、x2分别对应波形第一个上升沿波峰（或起点），读取时间差。并多次抓取波形读取时间差，时间差重复性需要保证较好。

④测试距离L：测试两个传感器之间的距离。

通过上述步骤，测试到了放电源信号到达两个传感器的时间差和两个传感器之间距离，按下述方法进行计算和综合分析。

定位计算：

综合分析：

根据定位结果，综合放电图谱识别出的放电类型、设备结构进行分析，进而确定最终的放电位置。

以上内容为GIS超声波定位的方法介绍，图21提炼出了工作步骤以及可迁移知识点。

图21

最后，对本课件的关键内容幅值法和时差法，做了一个简要的流程图总结，如图22所示。

图22

三 经验教训

目前，电网中GIS设备正在逐步增多，带电检测是保障GIS设备正常可靠运行的一种重要手段，而GIS缺陷超声波定位是带电检测诊断缺陷必不可少的方法。在今后的很长时间内，掌握GIS超声波定位技术是对试验人员的基本要求。

要想对一个技术真正掌握并灵活运用，将理论与实践相结合是必不可少的，“先理论，后实践”是常用的一种学习方法，GIS超声波定位技术也不例外，最好的方法是先学习本章理论部分，建立一定的理论基础，再去现场学习。GIS超声波定位技术重点是掌握定位的方法和判断分析方法，准确判断缺陷位置，又要求掌握波的衰减影响因素、正确连接并检测测试系统、正确读取时差等方面内容。其中，时差法中读取时差是本课程的一个难点，如何选择有效波形，如何判断两个波形中对应的第一个波峰，都是需要思考和经验积累。且在较小的范围内，超声波幅值变化较小，幅值法只能粗略定位，当GIS外部存在干扰信号，面对端部、L形或分支结构，信号反射叠加等因素，也会影响幅值法定位的准确性。