GIS超高頻局部放電試驗研究

史恒超 李小葉 聶海全 李紀強

（平高集團有限公司，河南 平頂山467001）

0 引言

近年來由于GIS的優越性能，其在電力系統中得到了越來越多的應用。運行經驗表明，GIS可靠性非常高，但其內部不可避免的缺陷仍會引起事故并逐步擴大。在GIS制造過程中，導體表面光潔度不良可能出現金屬毛刺、絕緣件在澆筑過程中存在氣隙、螺栓未緊固到位造成安裝運輸時的松動或接觸不良、氣室內部電極處理不良產生的金屬自由微粒、以及絕緣介質在GIS運行中的老化等各種缺陷，都可能導致程度不同的局部放電。在局部放電長期存在的情況下，GIS的電氣絕緣性能會逐漸劣化，從而導致GIS內部的絕緣擊穿或絕緣件的沿面閃絡，使設備出現運行故障而引起系統停電。

傳統測量GIS內部局部放電的方法是脈沖電流法，也稱為耦合電容法[1-2]，測量頻率在10MHz以內。其優點是可對局部放電進行定量測量，試驗前一般會通過校準系統對試驗回路進行電荷量的校準，通過調整耦合電容與試品等值電容的比值，可以改變局放電荷量測量的靈敏度，工廠內常采用此方法測量GIS局部放電。如果試驗工裝本身產生超過試品的局放水平，則應對試驗回路進行優化，一般工廠內的電磁干擾較小，試驗背景值可小于2pC。超高頻法（UHF）是利用裝在GIS上的局放傳感器捕捉超高頻電磁波來對局放信號進行分析。UHF法的主要優點有：根據所測信號的頻譜，可以區分不同的缺陷類型，從而便于對GIS絕緣強度進行分析；抗干擾能力強，可以屏蔽運行現場的電磁干擾，對GIS內局放信號進行甄別；可以對局部放電源進行定位，從而快速找出缺陷位置；運行時可以進行在線監測。由于GIS現場交接試驗及投入運行后，現場會有大量的干擾，傳統的電測法往往無法消除背景干擾的影響，因此近十年發展起來的超高頻法是目前GIS中局部放電在線監測技術中具有很好應用前景的方法。

本文結合GIS中電磁波傳播特性及內置圓板傳感器的分析，介紹了一種超高頻局放測量系統的調試、試驗方法。

1 GIS中電磁波傳播特性

GIS中發生局部放電時，局放脈沖電流持續時間很短，僅為納秒級，其等值頻率可大于1GHz，屬于微波波段。當高壓導體上有針狀突出物時，正極性下通常發生局部放電，因為SF6氣體中負離子能夠釋放電子產生自持放電，而不需要依靠場致發射電子。GIS內高壓導體和筒體構成同軸波導，局部放電脈沖激發的超高頻電磁波在其中傳播時，不僅以橫向電磁波(TEM)形式傳播，而且還會建立橫電波(TE)和橫磁波(TM)。GIS裝置內發生局部放電時所存在的電磁波形式，主要是橫波TEM及縱波TE11、TE01和TM01。局放傳感器分為內置式和外置式，外置式傳感器的優點是不影響GIS內部的電場，但它容易受外部電場的干擾。內置式傳感器可以有效屏蔽外部電磁信號的影響，通過優化設計可以將對內部電場的影響降到較低的水平。內置傳感器將金屬電極置于GIS內部，用金屬電極耦合局放脈沖激發的電磁波信息，包括沿高壓電極傳輸的橫電磁波電場、以及沿波導傳輸的縱波。從天線原理分析，內置傳感器相當于接收天線[3]，GIS內部局部放電源就是一個發射天線。

2 傳感器模型

圓板電極對內導體和金屬接地外殼都具有耦合電容，用C1、C2來表示。耦合電容大小與GIS模擬裝置的尺寸、結構及傳感器的尺寸、結構有關。圓板傳感器對地耦合電容C2為傳感器電極與凹形底面和傳感器安裝孔側壁之間的耦合電容。

圖1 超高頻局部放電傳感器模型

3 超高頻測試試驗系統

3.1 試驗儀器

高頻信號發生器（美國Agilent N9310A）；任意波形函數發生器（美國Agilent 33250A，美國HP 33120A）；脈沖調制器（日本Anritsu MA1610A）；衰減器（美國Agilent 8496B，8494B）；同軸電纜及N型接頭。

3.2 試驗過程及方法

圖2 超高頻局放傳感器測試系統

測試系統如圖所示，主要包括：高頻信號發生器、脈沖調制器、函數發生器、衰減器、局放檢出系統及試驗用PC。試驗時將頻率為700MHz的高頻信號，及50Hz的脈沖信號輸入脈沖調制器中，信號經調制后，輸出時間間隔為20ms的高頻信號，再經過衰減器輸入到局放檢出系統。高頻信號在局放檢出系統內經過處理后，通過網線傳入電腦進行分析、計算輸出的局部放電的電荷量。

3.3 測試結果

表1 超高頻局放測試結果

在此試驗前已通過GIS試驗裝置，對高頻脈沖模擬信號大小和局部放電電荷量進行了比對，表1中給出了局放檢出系統輸入電壓和局放電荷量換算值的關系，從表1中可以看出，輸入電壓和放電電荷量不成正比。測試結果可以看出，局放測試系統能夠很好地反映輸入的模擬脈沖信號量。

4 結論

利用模擬高頻脈沖信號，對GIS超高頻測試系統的性能進行了試驗驗證，結果表明超高頻測試系統能夠很好地反映模擬的局部放電電荷量。然而，就超高頻測試而言，檢測信號的大小不僅和局部放電的真實放電量有關，還與放電源的類型和形狀、信號的傳播路徑等因素有關，因此為了實現真實可靠的GIS局部放電在線監測，需要積累大量的實驗室試驗數據和現場數據，這方面有待進一步的工作。

［1］邱昌容,王乃慶,等.電工設備局部放電及其測試技術[M].北京:機械工業出版社,1994.

［2］IEC 62270.Partial discharge measurements[S].1981.

［3］Wanninger G.Antennas as coupling devices for UHF diagnostics in GIS[C]//Proc.9thISH.1995:5625.