GIS超高頻局部放電在線監測系統研究

摘要：傳統局部放電檢測方法由于其檢測頻率低，易受外界干擾需停電，難以應用于現場帶電檢測。特高頻（UHF）局部放電檢測技術是目前國際上對氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）設備普遍采用的狀態監測技術，具有靈敏度高、抗干擾性好等特點。重點介紹了GIS特高頻局部放電在線監測技術研究的意義和目的，分析了該技術在全封閉組合電器（GIS）設備上的應用以及國內外研究水平的對比，為掌握電網帶電設備運行狀況提供了一種準確有效的檢測手段。

關鍵詞：局部放電檢測；特高頻；在線監測

作者簡介：李洪凱（1962-），男，遼寧朝陽人，遼寧省電力有限公司朝陽供電公司副總工程師，高級工程師；張靜（1972-），女，遼寧北票人，遼寧省電力有限公司朝陽供電公司運維檢修部副主任，高級工程師。（遼寧 朝陽 122000）

中圖分類號：TM595 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0223-02

GIS 在電力系統中起著重要的作用，它能否正常運行會影響到整個電力系統的安全和穩定，因此有必要研究它的運維對策，提高高壓電氣設備運行的可靠性，確保電力系統的正常穩定工作。

一、研究的意義和目的

GIS設備是電網的關鍵設備，一旦發生故障將帶來巨大經濟損失，例如一個均負荷80MW（2臺主變）的110kV GIS終端站停電7天會造成近835.6萬元的直接經濟損失，其造成的間接經濟損失無法估量。隨著我國經濟發展和城市化進程的加速，GIS設備的需求量急劇增加。由于目前GIS生產廠家眾多，制造水平不一，產品質量分散性很大。而且，我國早期投運的GIS已經進入壽命的中后期，設備運行進入了故障多發期；因現場安裝施工條件所限，新投運GIS設備出故障的概率和風險也很高。這與當前全社會對電網可靠性日益提高的要求之間產生了巨大的矛盾。

為保障這些設備及電網的可靠運行，提高狀態檢修水平，迫切要發展先進的在線檢測技術手段，并對GIS設備運行狀況進行詳細的普查和摸底，建立詳實可靠的設備運行數據，在此基礎上制定完善的狀態檢修策略。

現有UHF局放檢測系統采用的盆子式傳感器靈敏度較低，安裝數量大，成本高，且在屏蔽式盆子的GIS上根本無法使用。目前，我們開發的介質窗傳感器，無論是靈敏度還是屏蔽性能都有了極大提高。傳感器的技術參數如表1所示。

傳統的通過RF同軸電纜將信號引至采集分析單元的方式需要現場大量的走線，也存在查線工作繁瑣、成本高，可靠性低等問題，而且影響GIS設備的美觀。圖1所示的傳感器上嵌入處理板并通過無線方式傳輸數據的檢測系統則屬于新一代更加實用化的架構，可靠性更好。

可見，本課題的開展對于GIS局放在線檢測技術的深入研究和推廣應用，提高狀態檢修和電網的智能化水平無疑都具有重要意義。

二、國內外研究水平對比

目前普遍采用電氣法和振動法來監測局部放電。電氣法主要有外殼電極法、內電極法、脈沖電流法和UHF法。由于GIS通常是多處接地，因此不宜采用從外殼接地線上檢測脈沖電流的方法來測量局部放電。外殼電極法是20世紀80年代由日本研制，在GIS外殼上敷設絕緣薄膜和金屬電極，外殼與金屬電極間構成一個電容，將高頻放電信號耦合至檢測阻抗上，該信號經放大得到GIS局放水平。優點是結構簡單、實用，缺點是易受干擾，最小檢測量約為300pC。

內部電極法于1988年在英國研制出來，將法蘭內部加裝金屬電極，該電極與外殼構成耦合電容，以此提取局部放電的脈沖信號。采用多個電容傳感器，由GIS局放信號到達不同傳感器的時差確定放電點，最小檢測量10pC。英國DMS公司經過15年已在全世界50多個國家安裝了超過400套監測裝置，發現了84個能夠引起GIS停機的故障，避免了大的經濟損失。圖1為DMS公司的盆子式傳感器和內置式傳感器。

另一種內部電極法，是在盆式絕緣子內靠近接地端預先埋設一個電極。此法其實就是內部天線法，其信號也是UHF信號。優點是抗干擾性能好、靈敏度高，可檢測出5pC的局部放電，內電極只能在廠家生產過程中預先埋設，現場安裝往往不易實現。

振動法主要對自由金屬微粒缺陷及外殼接觸不良型放電比較敏感，而對于其他類型的放電由于振動特征不明顯，且信號衰減嚴重，多作為電氣法的補充和輔助定位。

超高頻法（UHF：300MHz～3GHz）就是利用局部放電輻射出的UHF電磁波進行檢測的一種方法。該方法具有抗干擾能力強、靈敏度高等特點，且這種非接觸的測量方式對于二次設備和人員更安全，系統結構簡單，特別適合于在線監測，因而較之其他方法具有明顯的優勢。最早提出并進行研究的是英國Strathclyde大學，第一套GIS的UHF監測裝置于1986年安裝在蘇格蘭的Torness核電站。近年來，UHF檢測已成為廣大研究者關注的熱點，并廣泛應用在GIS、電力變壓器、電纜和發電機等電力設備上。至20世紀90年代中，英國所有新GIS裝置都為UHF監測安裝了內部耦合器。目前英國、德國許多歐洲國家在現場均采用此法，將其普遍應用于工廠試驗、預試和在線監測。我國局部放電UHF檢測技術從20世紀90年代迅速發展。

GIS局部放電UHF在線檢測技術在現場的大量應用實踐表明：設備運行現場往往存在復雜的電磁環境，有較多的隨機性寬帶、窄帶干擾源，導線電暈、高壓出線端部的懸浮放電、臨近設備電等干擾，成為UHF檢測法現場應用的瓶頸。這就要求必須進一步推進傳感器的優化、信號檢測頻帶的合理選擇以及新型抗干擾技術方面的研究，并進行準確的評估和診斷，為及時安排檢修提供可靠信息。

三、理論研究和實踐依據

“介質窗口安裝的無線數據通訊方式的特高頻局放在線監測系統研究”項目（見圖2、圖3）是建立在局部放電特高頻檢測技術基礎之上，對技術的應用水平和實用性進行進一步的提升。

項目關鍵內容之一就是通過嵌入式單元實現UHF檢波信號的處理和無線傳輸。現在高頻電子及軟硬件信號處理技術完全達到了對UHF檢波信號進行調理和嵌入式分析處理的水平，我們此前研發的技術已經對這些方面獨立予以實現，為本項目針對現場應用實用化的需求采用新的框架實現奠定了技術基礎。

對于局部放電信號的特征研究（UHF局部放電定位軟件見圖3），我們通過試驗室的研究已經積累了大量經驗。目前已經對GIS局放UHF信號的輻射和基本組件對信號傳播的影響進行了深入探索，為本項目的開展積累了豐富的理論和實踐經驗。本項目通過對實際GIS的建模，實現傳感器的優化布局，具有技術可行性。

大量研究表明，局部放電的模式識別可通過PRPD譜圖形狀因子和圖像識別技術予以實現。對于UHF局放信號，我們也進行了放電時頻特征和統計特征的試驗研究，目前已經在實驗室實現了典型放電信號特征的提取，為放電類型自動識別做好了準備。

四、結束語

全封閉組合電器（GIS）在我國超高壓變電站中普遍使用，承載著城市電網重要負荷供電安全和可靠運行的重任。隨著我國電力系統的飛速發展，電網新投運GIS設備規模十分巨大，對設備的日常維護提出了很高要求。特高頻（UHF）局放檢測作為一項新的檢測技術，可在全封閉組合電器（GIS）運行中對設備內部各種原因的放電進行有效準確的檢測，為掌握設備的運行狀況提供了一種安全、有效、便捷的檢測手段。

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（責任編輯：劉輝）