GIS设备局部放电检测技术初探

GIS设备局部放电检测技术初探

徐臻荣

（身份证号码：32092219790711xxxx江苏淮安223001）

摘要：如今，GIS设备由于结构紧凑、噪声低、可靠性高等特点，已经越来越多的运用到水利工程的变电站中，如何准确掌握设备的运行状态，如何分年限、分状态对设备开展运行检测与维护，这些问题逐步引起管理单位的高度重视。作为诊断绝缘故障的主要方法――局部放电检测技术，被广大GIS设备制造商以及使用者所青睐。本文就结合局部放电检测技术原理，对GIS局部放电检测进行简单分析与讨论。

关键词：GIS设备；局部放电；检测技术

1GIS局部放电检测发展现状、研究的目的

如今，GIS设备由于结构紧凑、噪声低、可靠性高等特点，已经越来越多的运用到水利工程的变电站中，仅江苏省属水利工程中，就运行着10多套GIS设备。这些设备自本世界初陆续投运以来，有的已运行了十多年时间，如何准确掌握设备的运行状态，GIS设备是否真的免维护，是否需要分年限、分状态对设备开展运行检测与维护，这些问题逐步引起管理单位的高度重视。

由于GIS内的场强很高，当设备内部存在一些缺陷时，就会发生局部放电。局部放电是导致GIS设备绝缘劣化的主要原因之一。根据国家电网《输变电设备状态检修试验规程》（Q/GDW1168-2013）要求，GIS设备日常应开展巡检项目和例行试验项目，其中包括特高频局部放电检测（110kV1次/2年）和超声波局部放电检测（110kV1次/2年）。现就GIS设备的局部放电检测技术进行初步探讨。

2对于GIS设备局部放电的机理

GIS设备发生绝缘早期故障的形式主要就是局部放电，引起局部放电的原因包括：

对于GIS局部放电的起因有如下几种：

（1）导体上的毛刺或颗粒（4）自由移动的带电颗粒

（2）壳体上的毛刺或颗粒（5）盆式绝缘子上的颗粒

（3）悬浮屏蔽（接触不良）（6）盆式绝缘子内部缺陷

2.1载流导体表面存在一定的缺陷。导体表面存在一些毛刺、尖角等都会导致表面电场出现强度不均匀情况，并且这些因素通常都是在制造或者安装的时候出现的。如果是在稳定的工频电压下，通常是不会出现击穿的，但是如果是在冲击电压或者操作的时候，击穿就非常容易发生。

2.2绝缘子表面存在一定的缺陷。这种缺陷的引起主要是因为制造质量不良，导致绝缘子中存在气泡或者裂纹引起的或者是在安装的时候留下了一些尘埃、污迹等引起的。

2.3在进行GIS设备制造或者安装的时候，留下了一些自由导电微粒。

2.4导电部分存在一些接触不良。

目前局部放电的检测手段主要有如下4种：

传统检测法（试验室常用，不适合在线）

超高频（UHF）检测法（检测灵敏度高，适合现场）

超声波（AE）检测法（检测灵敏度高，适合现场）

气体分析法（检测灵敏度低，反应速度慢）

UHF检测法和AE检测法适合现场检测应用，可以相互补充。在变电站现场，由于受电磁环境、检测设备和试验电源等条件的限制，通常难以对GIS进行常规的脉冲电流法检测。

其中GIS设备的局部放电，可以看成是绝缘系统在电场的作用下，部分区域出现了放电情况，但是并没有贯穿施加在电压的导体之间，这就是局部放电。这一现象主要发生在流注的起始阶段，不管是哪种电压种类都是一样的，并且都要比最小先导起始电压和击穿电压小。这一现象有可能是在导体上发生，也有可能是在绝缘体表面或者内部发生。

实践经验表明，局部放电超高频检测方法具有检测灵敏高和抗干扰能力强的特点，适用于发电厂和变电站现场条件下的变压器及GIS局部放电测量。目前电力行业内已经认可此方法，并且有相应的技术规范。

3GIS设备局部放电检测原理

GIS设备一旦出现局部放电情况，就会伴随着电脉冲、光、热、超声波以及化学变化等物理现象而出现。针对局部放电产生的声、光、电、化学效应，可采用电学、声学、光学、化学等方法来检测。只要GIS设备内部出现局部放电现象，就会导致高频电气扰动的产生，并且还会把所有和其相连的电气回路进行传播，放电信号只要通过对连接到设备端子上的超高频测试测试装置即可接到。另外在其局部放电发生过程中，还会伴随着爆裂状声发射，从而出现超声波，并且迅速地向四周介质进行传播，然后通过GIS外壳上所安装的超声波传感器，把这些超声波转化成电信号，从而测试GIS内部局部放电水平。

4传统检测GIS设备局部放电的方法

传统检测GIS的局部放电方法主要可以划分为两种类型：电测法和非电测法，具体来说有以下几种检测GIS局部放电的方法。

4.1非电气检测局部放电法

4.1.1光学检测GIS局部放电法

在现有的检测技术当中，光学检测法来检测放电产生的光是现有最灵敏的方法。采用光学检测有时都可以检测到一个光子的发射。玻璃和SF6气体都有很强的吸光能力，所以在检测时一般要采用透过石英透镜。光学检测GIS局部放电法在检测已知点的局部放电比较有效。但将光学检测GIS局部放电法用于检测未知的放电源时，其灵敏度会受到很大影响。

4.1.2化学检测GIS局部放电法

化学检测GIS局部放电法是检测击穿SF6后分解生产的其他物质来间接检测局部放电的方法。通常电解SF6生成的气体有SOF2和SO2F2，一般检测这两种气体采用气相色谱仪和质谱分析对气体进行检测，其灵敏度高。但化学检测GIS局部放电法容易受到电气的干扰，并且化学检测GIS局部放电法所需时间较长，一般都需要几个小时或者几天的时间，这对其广泛应用产生了影响。

4.1.3声学检测GIS局部放电法

GIS中局部放电涉及到的声音信号的带宽一般在20～250kHz之间，带宽较长，声学检测局部放电一般对其局部放电时产生的声带常采用加速度传感器和声发射传感器等进行检测。

4.2电气检测局部放电法

4.2.1常规电测法

常规电测法是在二十世纪八十年代提出的，后来常规电测法在对GIS局部放电检测中得到了广泛的应用。采用常规电测法对GIS局部放电进行测量时，一般通过对传感器和GIS等值电容进行调节来提高检测的灵敏度。但是采用常规电测法对GIS局部放电检测时容易受到外部的电磁干扰。

4.2.2超高频法（如下图）

超高频法在20世纪80年代初期由英国提出。一般来说，超高频法抗噪声干扰能力较强，并且有很好的局放源定位能力。但当检测与局放源距离较远时，采集信号衰减会衰减的很快，所以采用超高频法对GIS局部放电进行检测时会需要较多的传感器。

原理：GIS发生绝缘故障的原因是其内部电场的畸变，往往伴随着局部放电现象，产生脉冲电流，电流脉冲上升时间及持续时间仅为纳秒（nS）级，该电流脉冲将激发出高频电磁波，其主要频段为0.3—3GHz，该电磁波可以从GIS上的盘式绝缘子处泄露出来，采用超高频传感器（频段为0.3—3GHz）测量绝缘缝隙处的电磁波，然后根据接收的信号强度来分析局部放电的严重程度。

优点：可以带电测量，测量方法不改变设备的运行方式，并且可以实现在线续监测。可有效地抑制背景噪声，如空气电晕等产生的电磁干扰频率一般均较低，超高频方法可对其进行有效抑制。抗干扰能力强。

缺点：仅仅能知道发生了故障，但不能对发生故障的点进行准确的定位。而且目前没有相应的国际及国内标准，不能给出一个放电量大小的结果。

目前难点：主要问题在于如何进一步提高灵敏度，解决各种干扰问题，进一步实现准确的定位。

4.3电气法

（1）外复电极法。20世纪80年代由日本研制出来，其结构是在GIS外壳上敷设绝缘薄膜和金属电极，外壳于金属电极形成的小电容耦合到检测阻抗上，经放大后被检测出来。小电容和检测阻抗对低频信号还起到隔离作用。另一种观点认为GIS内的局部放电将在导电杆及外壳上产生流动波，由于趋肤效应，在开始阶段流动波只能在外壳内流动，只有当流动波达到外壳不连续处（如盆式绝缘子）时，才能泄漏到外壳表面。通过电容测量到的信号是泄漏出的流动波产生的电压差。这种方法的优点是结构简单、较为实用，缺点是易受外界干扰，最小检测量约为300pC。

（2）内部电极法。共有两种内部电极法。其一是将GIS法兰稍加改造，在法兰内部加装金属电极与外壳形成电容，以此电容传感器提取局部放电的脉冲信号。这种方法的优点是结构简单、较为实用，其缺点是易受外界干扰。其二是日本于1983年研制成的在盆式绝缘子内靠近接地端预先埋设一个电极。其优点是抗干扰性能好、灵敏度高，可检测出5pC的局部放电。缺点是内电极只能在厂家生产过程中预先埋设，现场安装往往不易实现。

（3）脉冲电流法。当GIS内部产生局部放电时，接地线上有高频电流通过，因此可利用带有铁钛氧等磁心材料的罗可夫斯基线圈作为传感器测量此高频信号。此方法的优点是可以在很宽的频率范围内保持很好的传输特性，灵敏度高，放电量可以标定，缺点是地线需穿过线圈，给现场使用带来不便，最小检测量为100pC。

（4）特高频（UHF）法。该方法通过天线传感器接收局部放电过程辐射的UHF电磁波，实现局部放电的检测。在20世纪80年代，该方法开始在GIS设备的检测中逐步开始应用。该技术的特点在于：检测频段高，可以有效地避开常规局部放电检测中的电晕、开关操作等多种电气干扰；检测频带宽，所以检测灵敏度很高；而且可以识别故障类型和进行定位；UHF传感器相对于超声波检测法而言，其局部放电有效检测范围大，需要安装传感器的检测点少。UHF检测的特点使其在局部放电检测领域具有其他检测方法无可比拟的优点，近几年取得了迅速的发展和广泛的应用。

4.4基于超声波检测局部放电的方法

在GIS局部放电中，不同的绝缘缺陷类型产生的局部放电会有不同的特征，要想研制出合适的检测GIS局部放电的方法，要对不同类型的局部放电的波形放电相位等信号特征进行采集和分析。找出不同类型信号之间分别的依据。为了采集到不同类型信号的数据的真实性，为了试验装置能更好的对GIS局部放电进行检测，要保证试验装置满足以下条件：

①要保证试验装置内应含有真实的GIS模型，GIS模型应该有和真实的GIS有相同的绝缘性能和绝缘结构，并且要保证GIS模型和真实的GIS一样，有相同的SF6绝缘环境。

②试验装置中应包含充气装置，这样方便了打开气室来模拟各种绝缘缺陷和对各种局部放电进行模拟试验。

③要求试验装置有较好的高压试验环境，这样能够减小自电晕放电的影响和电源的干扰。

④要求试验装置有一套对局部放电测量的系统，这样能够方便对信号比较和放电量的测量。

⑤具有一套超高频测量系统，超高频测量结果是在现场条件下希望用来进行放电类型判别和放电量估计的重要数据之一。

⑥试验装置应有必要的保护措施，包括高电压保护和SF6排放，以保证人员及设备的安全。

超声波检测装置主要包括超声传感器、前置放大器、DSP高速数据采集系统、基于ARM的高性能嵌入式控制平台和后台具有强大数据分析能力的服务器等，首先将传感器采集到的数字信号进行处理，本方法的主要内容是用超声波法对绝缘缺陷类型确认和识别。处理之后通过网络将处理之后的信号预处理后的信号传送到远程服务器，在收集到处理之后的信号后进行抗干扰处理并提取信号的特征参数，之后将收集到的成果存储到信号特征数据库。最后相关学者和专家对特征数据库中的数据做出GIS绝缘状态的相关诊断。

5结语

总之，随着水利现代化建设步伐的逐步加快，水利工程对供电稳定性、安全性要求越来越高，这就使得管理单位对电力设备的稳定性、安全性提出了更高要求，因此GIS的局放检测对保证GIS的安全可靠运行具有重要的现实意义。通过相关研究表明，GIS设备局部放电会导致其外壳产生较大流动的电磁波，从而使得接地线上有放电脉冲电流流过。此外，设备局部放电还会导致通道内部压力瞬间增大，致使GIS气体产生超声波或者纵波，另外也会在其外壳上形成各种声波，像表面波、横波，而这些研究成果或都将成为未来局部放电检测技术发展的方向。

参考文献：

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作者简介：

徐臻荣，身份证号：320922197907114238