GIS局部放电超声波检测技术

一、GIS局部放电超声波检测原理

SF6气体绝缘组合电气设备（GIS）因其具有故障低、免维护等特点而在电力系统中被广泛使用。但是GIS具有全封闭的特殊性，使得除了进行微水检测等少数试验项目外，现行的高压电气设备例行试验的大多数项目无法采用GIS，长期以来它几乎处于无维护状态。GIS设备内部出现的缺陷，不容易进行排查。随着GIS电压等级的提高和体积的缩小，GIS内部电场越来越高。GIS内部主要绝缘介质有SF6气体和环氧绝缘构件等。当绝缘存在缺陷时，内部场强分布便会发生畸变，导致局部放电而使内部绝缘受到破坏，同时往往伴随着超声信号的产生。因此目前国内外广泛采用局部放电超声波检测技术等非电量测量法来检测GIS故障。通过收集这些声信号，并根据实际经验加以分析，可以对GIS的运行状况进行评估。局部放电超声波检测原理如下图

在GIS的各类故障中，绝缘故障占有较大比例。实际运行情况表明，故障发生时常常并没有进行系统操作，也不存在过电压。导致这些绝缘故障的主要是一些晓得绝缘缺陷，如内部故障缺陷、自由颗粒、毛刺、接触不良、固体绝缘表面脏污等。随着这些微小缺陷的逐渐扩大，会使放电所产生的电荷在固体绝缘表面逐渐积累，导致电场分布的严重畸变。要及时发现这些潜在的绝缘缺陷，必须依靠局部放电超声波检测。

GIS可分为三相共体式和分相式两种。尽管GIS在结构设计上不尽相同，但内部结构基本一致，主要有SF6气体、绝缘支座、拉杆、盘式绝缘子、导电体、气室外壳等。GIS绝缘故障的发生，可能是在产品产生、现场安装以及运行操作等过程中。如下图，导致GIS产生局部放电的原因具体分为以下几种：

（1）气室内导体上和金属外壳上的异常凸起。GIS在装配过程中留下的焊疤或较大的毛刺等，往往在老炼试验中无法清除，便在运行的气室内留下异常凸起点。此类缺陷危害较大，会造成气室内局部场强不均匀。当局部场强达到某一水平时，凸起点将出现尖端闪络。对于雷电或操作的快速暂态冲击，凸起点闪络将会导致绝缘击穿。一般超过1~2mm的凸起点被认为是有害的缺陷。

（2）气室内自由金属颗粒在电场作用下获得电荷，并受到静电力的作用，如果这种力超过其重力，颗粒就会从外壳上升，并在气室内运动而造成间隙性电晕放电。颗粒的形状及其位置直接影响到气室的耐压水平。颗粒越长，越接近高压导体，其危险程度就越大。如果吸附于绝缘子上，可能会导致绝缘子表面闪络受损，可能造成更大的危害。

（3）电动和机械力造成气室内零配件松动。如果屏蔽罩松脱，将直接导致电位浮悬，电气绝缘距离缩短，交流耐压水平大幅度下降。如该悬浮屏蔽接近电极，将导致屏蔽与电极见大规模放电。

（4）固体绝缘内部的空隙和缺陷。在电场作用下，固体绝缘内部的空隙和缺陷会产生局部放电或固体表面树枝状放电，长期累积效应使固体绝缘老话直接击穿，此类缺陷直接影响到GIS的使用寿命。

当GIS中的缺陷在电压作用下发生局部放电时，局放产生的能量是周围SF6气体的温度骤然升高，从而形成局部过热，所产生的扰动以压力波的形式传播，其类型包括纵波、横波和表面波。不同的电气设备、环境条件和绝缘状况产生的声波频谱都不相同。GIS中沿SF6气体传播的只有纵波，这种超声纵波以球面波的形式向周围传播。由于超声波的波长较短、方向性将强，所以它的能量也较为集中，因而可以通过设置在外壁的压敏传感器收集超声放电信号并对信号进行分析。

GIS发生局部放电时，传感器检测频率较低，易受到环境噪声的影响；传感器检测频率较高，则信号衰减严重。GIS中的超声波信号频率集中在20~200kHz。由于声音信号在SF6气体中的传输速度很低（约140m/s,

约为在油中传播速度的

1/10，在空气中传播速度的1/2）,在传播时衰减很大（26dB/m，约为空气或油中的20倍），且衰减量随着频率的1~2次方增加，顾超声波诊断方法在对局部放电放电量大小的分析上受到电源距离影响很大，一般不用于定量分析。如果传感器接近缺陷，可达到检测5pC放电信号的灵敏度水平，但在测量点远离缺陷的情况下，灵敏度大为降低。但正是由于超声波在SF6气体中具体衰减快这一点，使得利用超声波技术检测GIS时具有定位的特性。

二、GIS局部放电超声波检测诊断方法

1、GIS各类缺陷局部放电的特点

（1）毛刺缺陷

金属外壳和带电导体上的凸起部分，即毛刺，会引起局部电场升高，这种缺陷对工频耐压水平影响较小，因为工频电压变化缓慢，毛刺等缺陷有时间形成与外加电场方向相反的空间电荷，使其局部放电其实放电电压升高。对于雷电冲击或者隔离开关操作产生的快上升沿的瞬态过电压，由于持续时间短，来不及形成与外加电场方向相反的空间电荷，因此这种类型缺陷将使雷电冲击耐受水平大大降低。通常导体上超过1~2mm的凸起是明显有害的，由于壳体上的电场强度降低，所以壳体上的类似凸起危害较小。

如下图，虽然导体上的毛刺与壳体上的毛刺的放电特征是一样的，都属于电晕放电，但是由于导体上的毛刺位于气室中心，其产生的压力波会呈扇形在整个气室传递，在壳体外能在较广的范围内接收到信号，而壳体上的毛刺信号较集中，在放电处信号最强。也可以根据SF6气体对高频信号的衰减特性，调整带通滤波器的上限频率，然后根据接收到信号的强度来判断是亮体还是导体上的毛刺放电。如果信号强度明显降低，表明是壳体上的毛刺放电；如果信号变化不大，表明导体上的毛刺放电。

导体和壳体毛刺放电（电晕放电）的信号特征：

●具有50Hz和100Hz的频率相关性，50Hz相关性更强；

●峰值与有效值的比值低；

●信号的频率分成比较窄，一般小于80kHz。

（2）自由颗粒缺陷

如图所示，自由颗粒在GIS中受到电力场和重力场作用，如果电力场超过重力，颗粒将会上下跳动。颗粒每碰撞壳体一次，就发射一个宽带瞬态声脉冲，在壳体内来回传播。来自这种自由颗粒的声信号是颗粒端部的局部放电和颗粒碰撞壳体产生的声信号的混合。

自由颗粒的超声波信号特征：

●信号水平高；

●信号表征不重复，随机性强；

●信号幅值波动范围大；

●峰值系数大；

●50Hz、100Hz信号含量少。

自由移动颗粒对雷电冲击耐受电压水平影响较小，但它们的存在可能使工频耐受电压水平明显降低。降低的多少取决于颗粒的形状和位置，颗粒越长且越接近高压导体，危险性越大；如果颗粒移动到绝缘子上，则变得更危险。绝缘子上的颗粒随着时间的推移也可能使绝缘子表面劣化，从而引起闪络。

自由颗粒危险性评估：

●颗粒的危险性与颗粒的长度、跳跃高度以及飞行时间有关。颗粒越大，跳跃高度越高，飞行时间越长，越危险。

●颗粒碰撞到导体可能导致击穿。

●盆式绝缘子上的颗粒是非常危险的，可能造成盆式绝缘子表面损坏。

（3）悬浮屏蔽缺陷

机械振动或接触不良会引起电位悬浮，悬浮金属体可能导致电气绝缘距离缩短，交流耐压水平大幅度下降，当悬浮屏蔽与导体之间的电压超出耐受电压时就会发生大规模放电或电弧产生，如下图

其信号特征为：

●工频耐压水平降低；

●信号稳定，重复性强；

●100Hz的相关性强烈。

电位悬浮一般发生在开关气室的屏蔽松动、PT/CT气室绝缘支撑松动或偏离、母线气室绝缘支撑松动或偏离，或者气室连接部位接插件偏离或螺母松动时。

2、各类缺陷的诊断方法

不同的缺陷会产生不同的放电现象，所检测到的放电信号也有所不同，见下表。局部放电测试装置利用超声波原理采集到GIS内的局部放电信号，根据不

确认。脉冲测量方式反映了颗粒的大小与飞行时间的关系。

如果在连续测量中，初步判断可能存在毛刺或者悬浮屏蔽缺陷，可采用相位测量方式确认。相位测量方式可用来判断测量信号是否与工频周期存在关系。

三、影响GIS局部放电超声波检测的因素

1、背景噪声的影响

在测试GIS局部放电的时候，测试结果往往会受到背景噪声的影响。由于变电站的情况一般都很复杂，电晕放电、机械振动等都会产生声波，可能会对GIS局部放电的测试结果带来一定的影响，所以滤除背景噪声是非常必要的。

2、传感器的影响

传感器的测试精度以及检测频段会给测试结果带来一定的影响。另外，由于GIS的筒壁是圆弧形的，所以传感器必须紧贴GIS筒壁，否则会引入外来干扰，影响测试结果。

3、测试人员的影响

由于目前GIS局部放电测试没有统一的标准，现场状况也各不相同，所以测试时需要测试人员具有一定的判断经验。

四、典型实例分析

应用超声波检测技术对某次某次地震后某电站GIS设备进行局部放电检测。如下图左侧所示为无缺陷设备测试图谱，右侧所示为GIS C相某分支出线的测试图谱。（a）为连续测量方式，（b）为脉冲测量方式，（c）为相位测量方式。

从两图对比可以看出，C相某分支出线有较明显的放电信号，且局部放电信号与100Hz相关性很强。根据分析和判断，该部位可能因地震而产生松动，形成悬浮电位。打开后紧固，设备恢复正常。

利用超声波检测技术队某变电站GIS进行局部放电检测。母线气室手孔附近检测时发现检测信号超过100mV，而50Hz和100Hz相关性都出现，且数值相差不多。根据结构分析，此处没有绝缘支撑，只能是壳体上的杂志或尖峰放电。打开后发现手孔和壳体底部都有杂质，是由于固体吸附壳体干燥过热所产生的氧化物碎屑。该实例中的相关测试图谱及实物照片如下图。

五、总结

超声波检测技术对高压电气设备的检测具有易于实现带电检测、便于空间定位、抗干扰能力较强等特点。目前采样超声波检测技术测量局部放电信号是将超声波传感器贴在接地的高压电气设备外壳进行检测，对设备的运行和操作没有任何影响，从而减少了设备停电检查的时间，提高了设备的供电可靠性。高压电气设备局部放电产生的声波频率分布范围很广，包括了超声波频率，而现场的环境干扰（如运行中变压器的励磁噪声、散热器风扇、冷却器噪声、潜油泵噪声、循环油噪声等）的频率大多属于可听声音频段，因此，选择局部放电产生的超声频段进行检测容易避开背景噪声干扰的影响。

目前利用超声波法测量局部放电的主要局限性是不能进行定量分析，检测灵敏度不是很高。对于检测来自绝缘材料内部的缺陷，虽然绝缘体内部缺陷将使放电上升、产生电树枝，并可能引起击穿，但由于绝缘固体中超声波信号衰减很大，故超声波检测法很难检测到绝缘材料中的缺陷等。并且由于声波在传播途径中衰减、畸变严重，声测法基本上不能反映放电量的大小。

在今后的高压电气设备局部放电检测方法中，超声波与其他电量信号的联合检测方法将成为在线检测的主要发展方向。在对电气设备进行巡检时，可首先利用超高频或甚高频等电量信号检测手段快速确认被测设备是否存在局部放电缺陷，然后利用超声波法确定电气设备的缺陷部位及特征。两种方法联合使用能取长补短，为确认被测信号来源、彻底消除误判提供了保证。

参考文献：

[1]朱德恒，严璋.电气设备状态监测与故障诊断技术[M].1版.北京：中国电力出版社，2009.

[2]孟玉婵，朱芳菲.电气设备用六氟化硫的检测与监督[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3]胡灿，刘平.输变电设备状态检修非电量测试技术.成都：西南交通大学出版社，2011.3

 

第二篇：GPS技术测量总结

GPS技术测量总结

GPS定为特点：

1. 定位精度高

2. 观测时间短

3. 测站间无需通视

4. 仪器操作简便

5. 全天候作业

6. 提供三维坐标

7. 可全球布网

8. 应用广泛

GPS定位的坐标系统与时间系统

子情境1 坐标系统的类型

由GPS定位的基本原理可知，GPS定位是以GPS卫星为动态已知点，根据GPS接收机观测的星站距离来确定接收机或测站的位置的。GPS定位中所采用的坐标系比较复杂。便于读者学习掌握，可将GPS定位中所采用的坐标进行如下分类：

1. 空固坐标系与地固坐标系

2. 地心坐标系与参心坐标系

3. 空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系及平面直角坐标系

4. 国家统一坐标系与地方独立坐标系

子情境2 天球坐标系

一、天球的概念

天轴与天极：地球自转的延伸直线为天轴，天轴与天球面的交点称为天极，交点Pn为北天极，位于北极星附近，Ps为南天极。位于地球北半球的观测者，因地球遮挡不能看到南天极。

天球赤道面与天球赤道：通过地球质心M且垂直于天轴发的平面称为天球赤道面，与地球赤道面重合。天球赤道面与天球面的交线称为天球赤道。

天球子午面与天球子午圈：包含天轴的平面称为天球子午面，与地球子午面重合。天球子午面与天球的交线为一大圆，称为天球子午圈。天球子午圈被天轴截成的两个半圆称为时圈。

子情境3 协议地球坐标系

一、地球的形状和大小

1. 水准面也称重力等位面，就是重力位相等的曲面。重力位是引力位与离心力位之

和。

水准面有以下特征：

1. 因重力位是由点位唯一确定的，因此，在同一点上不可能出现两个以上的重力位

值，故水准面不相交、不相切。

2. 水准面是连续的，不间断的封闭曲面。

3. 水准面是光滑的、无棱角的曲面。

4. 重力位的数值不仅取决于地球总质量M和被吸引点的位置，而且还取决于地球

内部物质分布地面起伏。由于地球内部物质分布不均及地面起伏的不规则性，据顶了水准是不规则曲面。

5. 将物体沿水准面移动时，重力不做功，故水准面与重力线即铅垂线正交。

6. 两水准线面间不平行。

2. 大地水准面：

如前所述，水准面有无穷多个，其中通过平均海水面的水准面称为大地水准面。由于大地水准面所包围的形体称为大地体。因为大地水准面是水准面之一，故大地水准面具有水准面的所有特性。

卫星运动与GPS卫星的坐标计算

子情境2 卫星的受摄运动

一、卫星运动的摄动力

1. 地球体的非球性及其质量分布不均匀而引起的作用力，即地球的非中心引力FDC

2. 太阳的引力Fs和月球的引力Fn。

3. 太阳的直接与间接辐射压力Fr。

4. 大气的阻力Fa。

5. 地球潮汐的作用力。

6. 磁力等。

子情境3 GPS卫星的测量距码信号

一、GPS卫星信号概述

GPS卫星信号时GPS卫星向广大用户所发播的用于导航定位的调制波，它包含

载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据（或称D码）等多种信号分量，其中

的P码和C/A码，统称为测距码。主要考虑了以下4个方面的要求：

1. 适应多用户系统的要求

2. 满足实时定位的要求

3. 满足高精度定位的要求

4. 满足军事保密的要求

GPS卫星信号的构成

在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，一般均将频率较高的载波上，

而这时频率较低的信号称为调制信号。

子情境4 GPS违心的导航电文

导航电文机器格式

GPS卫星的导航电文使用户用来定位和导航的数据基础。它主要包括卫星星

历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及C/A码转换到捕捉P

码的信息。

导航电文的内容

1. 遥测码

2. 转换码

3. 数据块I

4. 数据块II

5. 数据块III

GPS定位原理

GPS 定位的方法与观测量

由于卫星信号好友多种定位信息，根据不同的要求和方法，可获得不同的观测

量：

1. 测量码伪距观测量

2. 测相伪距观测量

3. 多普勒积分计数伪距差

4. 干涉法测量时间延迟

子情境3 动态绝对定位原理

GPS绝对定位又称单点定位，即以GPS卫星和用户接收机之间的距离观测

值为基础，并根据卫星星历确定的卫星瞬时坐标，直接确定用户接收机天线在

WGS-84坐标系中相对于坐标原点的绝对位置。

相对定位原理

基本观测量及其线性组合

1. 单差：可在不同卫星间、不同历元间求差或者不同观测站求取观测量之差，

所得求差结果当作虚拟观测值。

2. 双差：对单差观测值继续求差，所得求差结果仍可以当作虚拟观测值。

3. 三差：对双差观测值继续求差。

动态相对定位

1. 测码伪距动态相对定位

2. 关于测相伪距动态相对定位

差分定位

差分GPS定位技术，就是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，其

坐标是已知的。另一台接收机安置在运动的载体上，载体在运动过程中，其上

的GPS接收机与基准站上的接收机同步观测GPS卫星，以实时确定载体在每

个观测历元的瞬时位置。

网络RTK

多基准站RTK技术也称网络RTK技术，是普通RTK方法的改进。

多基准站RTK系统基本构成，若干个连续运行的GPS基准站、计算中心、

数据发布中心、用户站。

广域差分

广域差分GPS的基本思想时候对GPS观测的误差源加以区分，并单独对

每一种误差源分别加以模型化，然后将计算出的每种误差源的数值，通过数据

链传输给用户，以对用户GPS定位的误差加以改正，达到消弱这些误差源，

改善用户GPS定位精度的目的。

LEICA RTK 接收机的安置

1. 参考站接收机的连接于安置

2. 流动站接收机的连接与安置

建立坐标系统

GPS接收机测量的坐标为WGS-84坐标，而需要的坐标为地方平面坐标，因此，必须建立一个转换关系，即建立一个坐标系，把GPS坐标转换成所需的坐标。

GPS定位的误差分类

影响观测量精度的来源

1. 与GPS卫星有关的误差

2. 与信号传播有关的误差

3. 与接收设备有关的误差

一般根据系统误差产生的原因而采取不同的措施。其中包括：

1. 引入相应的未知参数，在数据处理中与其他参数一并解算

2. 建立系统误差模型，对观测量加以改正

3. 将不同观测站对相同的卫星的同步观测只求差，以减弱或消除系统误差的影响

4. 简单的忽略某些系统误差的影响

卫星轨道的偏差

1. 忽略轨道误差

2. 采用轨道改进法处理观测数据

3. 同步观测值求差

总 结

GPS测量概论：GPS的组成概况、GPS的重大发展、其他卫星定位系统

GPS定位的坐标系统与时间系统：坐标系统的类型、天球坐标系、协议地球坐标系、大地测量基准及转换、时间系统。

卫星运动与GPS卫星的坐标计算：卫星的无摄及受摄运动、卫星的星历及坐标计算 电磁波的传播与GPS卫星的信号：大气层对电磁波的传播的影响、GPS卫星的测距码信号、GPS卫星的导航电文

GPS定位原理：观测方程及线性化、静态与动态的定位原理、相对定位原理、差分定位 GPs误差分析：GPS定位的误差分类、与卫星及卫星信号的传播及接收设备的有关的误差

GPS施测与数据处理：GPS网的技术设计、GPS网的选点与标石埋设、静态GPS接收机

GPS测量技术的应用：GPS在大地测量机控制测量、工程测量、变形检测、地形测量及其他方面的应用