GIS设备局部放电检测技术的研究

GIS设备局部放电检测技术的研究

陈江添

广东电网有限责任公司东莞供电局广东东莞523000

摘要：气体绝缘组合开关设备（GasInsulatedSwitchgear，GIS）是电力系统重要的电气设备，在电力系统中得到越来越广泛的应用。由于GIS结构的封闭性，当设备内部发生局部放电时往往难以发现，对这些设备常有状态监测和故障诊断的要求。本文对当前存在的GIS局部放电检测技术进行了分析和总结，对比了多种检测技术和检测方式共通和互补的地方，认为只有综合采用多种检测技术和检测方法才能更有效的对GIS进行状态评估和故障诊断。

关键词：GIS；局部放电；检测技术；

0引言

气体绝缘组合开关设备（GasInsulatedSwitchgear，简称GIS）是一种成套高压电气设备，它将断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、套管等多种电气元件封闭组合在接地的金属外壳中，充以0.3MPa~0.4MPa的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。GIS以其结构紧凑、占地面积少、受环境影响小、不会产生噪音、运行安全可靠且维护工作量少等突出特点，在电力系统中得到越来越广泛的应用。

GIS可靠性高，不少厂商认为停电检修周期为10年以上。虽然如此，GIS还是存在若干缺点。如充SF6气体的设备绝缘距离小，电场强度高，在介质或电极小有缺陷时会对绝缘强度有重要影响因此，对这些设备常有状态监测和故障诊断的要求。

GIS的绝缘故障常常伴有局部放电（PartialDischarge，缩写为PD）现象的发生。局部放电是指发生在电极之间的非贯通性放电。引起GIS内部放电的物质通常有金属颗粒、浮电位导体、绝缘子内部杂质或空穴、导体或接地电极上的突起或毛刺等。一般认为约有60%的绝缘故障可以通过局部放电监测立即或经过一段发展时期后发现。研究运行中GIS绝缘状况的评估方法，日益受到国内外的广泛关注。

1GIS局部放电常见检测技术

GIS局放信号包含了丰富的绝缘状态信息。当GIS内部发生局部放电时，会产生电磁辐射、超声波、发光、发热以及出现新的生成物等物理化学现象。根据不同的物理化学现象，国内外开展了很多局部放电检测方法的研究，目前较为实用的主要有非电气测量法（化学检测法、光学检测法）和电气测量法（脉冲电流法、超声波法、超高频法）。

1.1化学检测法

在GIS发生局部放电时，SF6气体会发生分解并生成不同的气体，不同绝缘缺陷导致的气体生成物的组成和浓度不相同。化学检测法通过分析气体生成物的含量来确定局部放电的严重程度。该方法可以避免受到电气机械噪声干扰，但检测耗时较长，且只是一种定性的检测方法。另外，GIS中的吸附剂和干燥剂可能会影响化学方法的测量，脉冲放电产生的分解物会被大量的SF6气体所稀释，因此，化学检测法的灵敏度较差，且不适用于长期监测。

1.2光学检测法

局部放电会产生光辐射，且不同放电发出的光波长是不同的。光学检测法的原理是借助安装在GIS内的光传感器进行光测量，在进行光电转化后，通过检测光电流的特性实现局部放电的模式识别。但是由于射线会被SF6气体和玻璃强烈地吸收，会出现“死角”。因此，光学法对已知放电源位置的检测比较有效，但不具备对故障的定位能力。光学检测法灵敏度不高，实际应用的较少。

1.3脉冲电流法

脉冲电流法是局部放电检测中研究最早的一种方法。脉冲电流法借助检测阻抗来检测局部放电引起的脉冲电流信号，并在GIS外壳上安装耦合电容传感器，用于检测GIS发生局部放电时的放电量。脉冲电流法检测的频率范围为40kHz~1MHz。该方法具有较高的灵敏度，容易对测量系统进行标定，并可以测量视在放电量，但该方法容易受电磁干扰，不能用于对局部放电源进行定位，同时该方法需要高质量的无局部放电电压源和耦合电容器等设备，对于现场处于运行状态的GIS设备，难以将局部放电信号从噪声中提取出来，必需从运行系统中切除GIS进行离线测量，影响系统稳定运行。因此，该方法主要用于实验室试验或工厂对GIS进行出厂检测。

1.4超声波检测法

当GIS内部产生局部放电信号时，会因分子间的剧烈碰撞在宏观瞬间形成一种压力而产生频带较宽（20~250kHz）的超声波脉冲，因此可以利用安装在GIS外壳上的超声波传感器来检测内部发生的放电信号。对放大后的超声波信号进行频谱分析，即可根据频谱特性判断绝缘缺陷类型。除此以外，超声波法还可以用于对放电源进行定位。由于传感器与GIS设备的电气回路无任何直接连接，超声波法具有受GIS外部电磁噪声源影响较小、安全性较高，且在线检测与离线检测的结果相同等优点，适用于周期性运行检查。但超声波检测的灵敏度不仅取决于局部放电产生的能量，而且与信号传播的路径有很大关系。由于超声信号在SF6气体中传播速率很低（约140m/s），信号通过气体和绝缘子时衰减严重，且信号中的高频部分随距离增加衰减很快，到达传感器的超声信号很微弱，在某些情况下很难检测到信号，系统灵敏度难以令人满意，能检测到的放电种类有限，一般仅用于现场测试。

1.5超高频（UHF）检测法

该方法是目前局部放电检测的主流方法之一。GIS设备内充有一定压力的绝缘性能和灭弧能力良好的SF6气体，因而发生在GIS内部的局部放电与空气中的电晕放电有所不同。空气中的电晕放电，频率一般在200MHz以下，而发生在GIS内的放电脉冲信号上升时间和持续时间都极短仅几个纳秒，相对应的频域十分宽广。一般采用频率范围300MHZ~3GHZ的特高频传感器来接收该局放信号，这样就避免了空气中电晕放电的干扰。该方法的原理是根据局部放电所激发的电磁波的上述特性，使用特高频传感器来接收特高频信号，同时对接收到的信号进行分析以确定绝缘缺陷类型。该检测方法的优点是抗电磁干扰能力强，灵敏度高；其缺点是与传统脉冲电流法相比，无法对局部放电进行放电量大小的标定，同时由于信号衰减较小，传播范围较广，不能实现准确定位。

GIS局部放电状态检测技术对比如表1所示：

表1各种局部放电检测技术对比

通过对上面检测技术的比较，各种检测技术在GIS状态检测的故障诊断中都存在优劣势，各检测技术之间存在着共通和互补的地方。

2定期检测和全时检测

GIS局部放电的检测可以有不同的检测方式，即定期检测和全时检测。

定期检测即周期性检查，是试验人员根据设备的试验周期，采用便携式仪器对运行中的GIS设备进行的带电测试。定期对设备进行预防性试验对减少和防止事故的发生起到了很好的作用，可以综合采用前面介绍的多种检测技术对设备的运行状况进行评估。但定期检测是离线进行的，不能对GIS进行连续随时监测，绝缘可能在试验间隔期内发生故障。

全时检测即在线监测，是利用传感器技术、计算机技术和信息处理技术等对设备运行状态特征量进行连续实时监测，从而评估设备的运行状态。目前，越来越多的变电站安装了局放在线监测装置，特别是一些重要的设备。全时检测可以随时掌握设备的运行状态，及时反映绝缘的劣化程度，对缺陷的发展规律进行跟踪，避免了定期检测的试验盲区。但是成套在线监测装置投资成本大，同时运行条件下现场存在强烈的电磁干扰，在线监测系统因干扰信号发生“误报警”的事件时有发生。

在发现绝缘缺陷的及时性和检测的自动化方面，在线监测系统要优于便携式仪器，但是便携式仪器可以大大节省投资，并且可以多个GIS共用。在大部分情况下，局部放电从开始出现到绝缘击穿有一个发展的过程，这个时间通常不会很短，使得定期检测在大部分情况下是满足要求的。[10]另外，定期检测和全时检测也不是对立的，是相辅相成的，对于在线监测系统发生的报警必要时可以在离线状态下进行更彻底的全面检查。

3结论

由于各种检测技术和检测方式都存在优劣势，相互之间存在共通和互补的地方，为了更好地进行故障诊断，应综合采用各种检测技术和检测方式。笔者结合自己多年的工作经验，得出如下结论：

（1）对安装了局放在线监测系统的GIS设备，日常工作中应加强对系统的每日监视和定期维护。对监测到的报警信号，应结合信号图谱和智能专家系统对信号进行判断，排除干扰信号的影响。如果报警信号几天内连续出现或者无法判断是否为干扰信号，应使用便携式仪器对该GIS设备进行现场检测或定期检测。

（2）对不具备全时检测的GIS设备，应按照预防性试验的要求进行定期检测。根据GIS运行的不同阶段，特别是GIS设备刚投运不久或定期检测怀疑存在局放时，应合理安排检测的频度，适当缩小检测周期，这样定期检测是有可能获得满意的检测效果的。

（3）定期检测应综合采用多种检测技术进行故障诊断。现场经验表明，联合采用超高频检测技术和超声波定位技术对发现GIS内部绝缘缺陷是有效的，而化学检测法不受电磁干扰，通过气体生成物含量和浓度的变化可以确定局部放电的严重程度和绝缘缺陷的劣化趋势。

参考文献:

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