气体绝缘金属封闭开关设备，涉及到电流互感器、接地开关、断路器、避雷器等，上述设备封装在金属接地外壳，壳内充SF6气体作为绝缘、灭弧介质，壳子确保高压导体对外壳、断口间绝缘效果。GIS高压电力设备，具备以下应用优势：第一，占地面积小，变电站成本造价低；第二，运行可靠且稳定，能够延长检修周期。第三，GIS具备较强通流能力，且开断容量大。GIS高压电力设备具备显著优势，能够加快GIS发展速度，被广泛应用到电网建设与改造中。长期受到高电压作用，GIS高压电力设备局部放电，是绝缘劣化的重要表现，会加剧绝缘材料劣化，降低设备电气绝缘性能，从而引发安全事故。因此，GIS设备检测工作重要性高。GIS检测有以下几种方法，包括光检测、超声波检测、特高频检测、脉冲电流检测等，其特点如下：脉冲电流法的抗干扰能力不足，不能分辨出混杂信号，必须做好屏蔽处理。特高频检测法具备较强的抗电磁干扰能力、灵敏度，但是无法标定放电量大小。光检测法准确度不足，装置复杂，会增加检测成本。超声波检测法，不会对GIS设备运行造成影响，抗电磁干扰能力强。
1、超声波检测原理
局部放电会产生电磁波，按照光电原理，会产生声波信号。超声波检测局部放电，当声信号频率为20kHz~200kHz时，通过设备外壳超声传感器，可以准确识别和检测GIS局部放电情况，掌握GIS设备局部放电情况。从上述分析可知，超声波技术，分析和处理GIS设备故障时，应用优势显著。当发生放电活动时，该技术可以检测GIS内部悬浮金属颗粒，对颗粒尺寸进行测量，判定缺陷危害程度。
根据超声波反射、折射原理，结合超声波传输特点，通过回波分析，实现超声自动检测。下图为超声波传播示意图。
图1超声波传播示意图
通过图1可知，GIS高压电力设备，探伤超声波划分为横波、纵波、表面波，折射横波与纵波，能够模拟高压电力设备介质。固体介质中，超声波传输性能如下：
按照超声波声场特性，分析介质阻抗特点。在超声波入射介质层，当θ₁、θ₂为0时，则斜入射纵波传输阻抗如下：
当sinθ₁>c₁/c₂，高压电力设备超声探伤加测功率幅值、声速具备比例关系，功率幅值、GIS损伤管道频率具备正比关系。按照超声检测原理，获得高压电力设备损伤反射阻抗，具体如下：
联合GIS高压电力设备工程，两介质特性，能够获得传输阻抗透射系数：
在上式中，θ₁表示入射角，θ₂表示折射角，ρ₁с₁表示折射角，ρ₂с₂表示反射角。关系式如下：
在上式中，GIS高压电力设备超声检测声压，为某时刻压力。通过三层介质反射，能够自动检测设备损伤部位超声波。
通过自动损伤检测技术，能够精确定位信号位置，区分外部放电与内部放电。定位完成之后，再通过超声波技术分析波形特征，明确局部放电类型。当存在疑似局部放电情况时，精确记录放电点位置，分析局部放电现象和成因。
2、GIS高压电力设备故障类型
GIS设备结构如下：导体设备封闭在金属外壳内，利用盆式绝缘子，能够实现导体对地绝缘。盆式绝缘子绝缘性能，与现场安装工艺关系密切，会影响GIS设备运行状态。受到电压作用时，极易出现局部放电问题，从而产生破坏性影响。接地外壳尖端、导体尖端部分，电场分布不均匀，产生电晕放电现象。当接受电场力、重力作用影响时，空腔内非随机性漂移，微粒聚集之后，会影响绝缘结构，导致GIS设备缺陷。
GIS设备内部微小金属粒子，会导致设备绝缘异常。当自由金属粒子靠近高压电场时，就会造成绝缘击穿，危险性较高。由于GIS设备带电导体、避雷器、互感器部件，被密封在金属筒内，肉眼观察无法明确运行状态。传统预防性检测技术，无法明确GIS设备内部状态，且检测效果不理想，应用实效性不强，无法适应GIS设备监造工作及缺陷处理要求，即使GIS设备处于停电状态，也无法有效查明原因。
3、检测算法
计算获得GIS高压电力设备损伤部位振动分量，测试放电频率特征，能够自动检测设备损伤部位超声波。
4、检测装置硬件设计与软件开发
针对GIS高压电力设备损伤部位，优化超声波控伤检测装置硬件设施，联合硬件模块、软件模块方法，包括特征接收、超声发射、ARM系统平台、控制现实等，通过超声探头，测试GIS高压设备有损情况，联合模块化开发设计，深度开发检测装置。下图为总体模型结构：
图2超声波检测装置总体模块设计
按照核心板设计检测装置硬件设施，通过内置A/D采集电路，做好超声波特征信号采样。按照检测装置控制电路，注重检测电流信息、放电回波，获得检测装置硬件设计图，如下图所示。使用最大阻值50kΩ核心板，能够实现大信号检波。
图3 检测装置的硬件设计
信号调理中，使用AD转换电流实现模数转换。为了验证GIS高压电力设备损伤部位，使用超声波自动检测装置实现放电检测，做好仿真测试。试验操作中，输入输电通道综合管廊，模拟电压范围2000V，超声波自动检测转换率可以达到500KSPS，实现检测输出液晶显示器。获得下图。
图4 设备超声波检测输出
根据图4内容分析，应用此种措施，可以准确检测出GIS高压设备损伤部位的放电特征，能够确保超声检测准确性。为了比较分析，需要应用不同方法，将GIS电力设备损伤部位，作为测试指标，获得图5内容。
图5 检测精度对比图
5、结束语
综上所述，GIS在生产制造过程中，难以对其内部进行细致检测，监造工作无法细致深入到设备内部。同时，高压电力设备长期受到高电压影响，极易出现局部放电问题，对设备正常运行影响较大，还会危害电网运行稳定性。因此，自动检测探伤方法的研究至关重要。结合超声波检测优点，提出超声波GIS高压电力设备探伤、无损传输检测。按照超声波声场特性，分析设备损伤部分电流分布、介质阻抗特征。利用斯涅尔定律，计算电力设备损伤振动风量，测试振动分量的放电频率，自动探伤和检测高压电力设备。采用检测算法，优化设计检测装置软件模块、硬件模块，采用精确度对比试验，掌握自动探伤检测装置效果，能够有效作用于超声波自动检测中。
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