UHF檢測方法在GIS局放帶電檢測中的應用分析

【摘要】本文主要介紹了GIS內部局部放電的常見類型，并對GIS常見的幾種分析方法進行比較，同時重點介紹了特高頻檢測方法及幾種放電類型的典型放電圖譜，并介紹如何利用UHF方法進行系統的監測應用。

【關鍵詞】GIS局放;帶電檢測;UHF;放電類型特征

1.GIS概述

GIS具有空間體積小、占地面積少、不受外界環境影響、運行安全可靠、有利于環境保護、配置靈活和維護簡單、檢修周期長等優點，而且在技術上的先進性和經濟上的優越性，現在已經廣泛應用于各個高壓輸變電系統中。但GIS的內部存在局部放電缺陷時，隨著運行時間，缺陷導致老化，直到事故的發生。因此GIS能否正常運行已經影響到整個電力系統的安全和穩定，且因GIS的結構特點和變電站現場的電磁環境經常限制常規局部放電檢測試驗，造成在現場條件下的GIS局部放電檢測和定位難以有效進行。而且目前不斷有GIS達到規定的免維護運行年限，如何進行這些設備的維護已是實際面臨的迫切問題。

目前針對局部放電的檢測方法主要有：光學檢測法、化學檢測法、聲學檢測法、耦合電容法等。本文主要介紹目前應用較廣泛的UHF檢測方法，該技術能夠在GIS正常運行和無需拆動GIS任何部件的條件下，檢測和定位其內部的局部放電，能夠屏蔽變電站環境中的主要電磁干擾，包括空氣中電暈放電的干擾，同時通過相關的圖譜判斷GIS中可能的主要局部放電類型。該技術的應用能夠幫助及時發現GIS的絕緣缺陷，避免絕緣故障;能夠彌補常規局部放電檢測的不足，為GIS局部放電檢測和定位提供新的手段;能夠幫助實現GIS絕緣狀態維修，減少停電時間和節省維修費用，具有重大的經濟意義。

2.檢測原理介紹

2.1 局部放電概述

局部放電為導體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電，一般是由于絕緣體內部或絕緣表面局部電場特別集中而引起的。局部放電是一種復雜的物理過程，除了伴隨著電荷的轉移和電能的損耗之外，還會產生電磁輻射、聲音、超聲波、光、熱、氣體以及新的生成物等。從電性方面分析，產生放電時，在放電處有電荷交換、有電磁波輻射、有能量損耗。

局部放電對電氣設備絕緣會產生嚴重的危害，主要表現在由于放電產生的局部發熱、帶電粒子的撞擊、化學活性生成物以及射線等因素對絕緣材料的損害。這種對絕緣的破壞作用是一個緩慢發展的過程，對運行中的高壓電氣設備是一種隱患。

圖1 樹脂絕緣中的氣隙

2.2 GIS局部放電常見的原因

GIS是封閉式氣體絕緣組合電器的簡稱。其絕緣系統的特點是在一個金屬封閉體內充滿SF6氣體，用絕緣子把載流導體支撐在外殼上。由于GIS內工作場強很高，就可能產生下述幾種局部放電。

（1）GIS設備中固體絕緣材料內部的缺陷：如生產工藝過程中殘存在樹脂絕緣內部的氣隙，如圖1所示。

（2）GIS設備內殘留自由導電微粒：如由于生產制造過程中遺留在SF6中金屬碎屑、金屬顆粒等導電微粒在強電場下產生移動的局部放電，這是較為普遍存在的一種缺陷。如圖2所示。

圖2 自由導電顆粒

（3）GIS設備中的導體表面存在突出物：如毛刺、尖角、設計不合理等，這種缺陷易發生電暈放電，在穩定的運行電壓下一般不會引發絕緣擊穿，但在沖擊電壓下可能導致絕緣擊穿。如圖3所示。

圖3 電暈

（4）GIS設備內的導體接觸不良等。如圖3所示。

圖4 高壓導體接觸不良

（5）絕緣體表面的導電顆粒引起的局部放電。如圖5所示。

圖5 表面導體顆粒的放電

2.3 UHF檢測方法

GIS內部發生局部放電時，其產生的放電脈沖上升時間和持續時間相當短暫，一般只有幾個ns，其對應的信號頻域十分寬廣。在傳播時，不僅會以橫向電磁波（TEM）形式傳播還會建立高次橫向電波（TE）和橫向磁波（TM）。橫向電磁波為非色散波，可以以任何頻率在GIS中傳播，但頻率越高TEM衰減一般越快。高次橫向電波（TE）和橫向磁波（TM）則具有各自的截止頻率，當且僅當信號頻率高于截止頻率時才能進行有效的傳播。

由于GIS的同軸結構本身是一個良好的波導，電磁波信號在內部的衰減很小，一般300MHz～3GHz的電磁波信號可以在內部有效傳播，但又可以從GIS的盆式絕緣子連接處泄露出來。因此通過接收這些電磁波信號并進行分析，從而判斷有無局部放電和可能的局部放電類型。目前主要是采用內置式UHF傳感器（internal sensor）或外置UHF傳感器（external sensor）檢測GIS內部的局部放電。

圖6 UHF檢測示意圖

目前發達國家經過多年的運行，為應用超高頻法研究GIS局部放電提供大量可靠的數據和經驗，如在英國所有新投入運行的GIS都被指定安裝用于超高頻監測的內部傳感器。但對于早期或已經投運的GIS設備安裝內置式傳感器是不可行的，只能采用外置式傳感器。相比內置式，外置式傳感器的靈敏度相對較低一些，但安裝靈活、不影響系統的運行、安全性高，因而目前也得到了廣泛的應用。

2.4 其他的檢測方法

研究表明，GIS中的局部放電會產生電磁波信號，而且接地線上有放電脈沖電流流過，捅死在GIS氣體中產生縱波或超聲波，也可導致六氟化硫氣體分解或發光。放電過程中的這些物理和化學變化特征都可作為局部放電檢測信號的傳感對象。除了上述介紹的UHF檢測方法外，目前還有以下幾種常見的檢測方法。

（1）耦合電容法又稱脈沖電流法

一般在GIS外殼上敷設絕緣薄和金屬電極，外殼與金屬電極間構成一個電容，可將高頻放電信號耦合至檢測阻抗上。該法結構簡單，便于實現。但在現場測試時，容易受各種噪聲干擾。此外還有內部電極法和外接電流傳感器兩種方式。

（2）超聲波監測法

由于GIS內部產生局放時會產生沖擊振動及聲音，因此可用腔體外壁上安裝的超聲波傳感器測量局放量。這種方法抗電磁干擾性能好，但由于聲音信號在SF6 氣體中的傳輸速率很低（約140m/s），信號通過不同物質時傳播速率不同，不同材料的邊界處還會產生反射，因此信號模式很復雜，且其高頻部分衰減很快。它要求操作人員須有豐富經驗或受過良好的培訓，另外長期監測時需要的傳感器較多，現場使用很不方便。

（3）化學監測法

通過分析GIS中局放所引起的氣體生成物的含量來確定局放的程度，但GIS中的吸附劑和干燥劑會影響化學方法的測量;斷路器正常開斷時產生的電弧的氣體生成物也會產生影響;脈沖放電產生的分解物被大量的SF6 氣體稀釋，因此用化學方法監測PD的靈敏度很差。另外，該方法不能作為長期監測的方法來使用。

（4）光學監測法

局部放電過程中產生光子，因此利用安裝在GIS中的光電傳感器進行光測量來評價局部放電的強弱，這也稱為光電法。光電傳感器可監測到甚至一個光子的發射，但由于射線被SF6 氣體和玻璃強烈地吸收，且隨著氣體密度的增大而吸收能力越高，因此容易有“死角”出現，所以一般需要大量的傳感器。該法監測已知位置的放電源較有效，不具備定位故障能力，且由于GIS內壁光滑而引起反射帶來的影響使靈敏度不高，但這種方法不存在電磁干擾問題。

將以上4中檢測方法和UHF檢測方法進行對比，可以得到表1的信息。

表1 不同檢測方法比較情況

監測方法 優點 缺點 適用性 精確定位 故障識別 應用范圍

UHF法 靈敏度高 價格高 各種類型局放 能 能 較廣

耦合電容法 結構簡單

靈敏度高 信噪比低 固定微粒、懸浮物、氣隙和裂紋 不能 能 早期應用較廣

超聲波法 靈敏高，抗電磁干擾能力強 結構復雜 自由移動的微粒、懸浮物 能，但傳感器數量要求較多 能 較廣

化學法 不受電磁干擾 靈敏度差 嚴重放電缺陷 定位到氣室 不能 較少

光測法 不受電磁干擾 靈敏度差 固定微粒、針狀突出物 粗略定位 不能 較少

表2 典型缺陷類型的圖譜特征

缺陷類型 放電圖譜特征規律

帶電導體上的尖端 信號幅值不高，放電集中于外加電壓的峰值附近，負半周局放幅值明顯高于正半周，局放首先發生在負半周峰值處，隨著電壓的增加，正半周峰值出也出現局放，同時局放的相位帶也隨之變寬，放電量也會略有增加。

殼體上的尖端 信號幅值不高，放電量集中在外加電壓的峰值附近，正半周局放幅值明顯高于負半周，局放首先發生在外加電壓正半周幅值處，隨著電壓的增加，負半周峰值處也出現局放，出現局放的相位帶也隨著電壓的增加而變寬。

自由金屬顆粒 信號幅值高，外加電壓瞬時值高時，局放幅值也高，局放可發生在任何相位，局放圖譜呈現與外加電壓相對應的兩個正弦半波，局放的發生分布也較均勻。

懸浮電位 信號幅值高，幅值分布較分散，局放主要發生在外加電壓幅值附件。

粘在絕緣子上的顆粒 信號幅值不高，局放在電壓零點前出現，電壓上升段局放發生率明顯高于下下降段，局放相位與外加電壓相位會出現偏移。

盆式絕緣子中的缺陷 信號幅值高，局放相位與外加電壓相位有偏移，電壓上升段局放發生率明顯高于下降段。

2.5 定位方法研究

另外通過采用UHF傳感器檢測時，一般還可以進一步進行局部放電的初步定位，具體的主要方法包括以下幾種：

（1）信號幅值衰減定位

UHF信號傳播過程中衰減比較快，離開放電源的距離不同，放電信號的幅值顯著不同。通過比較UHF放電信號的幅值可以進行放電定位。但這種方式的定位比較粗略。

（2）平分面法

如果在很大的空間范圍內都能夠檢測到放電信號，則首先可以通過信號幅值衰減定位對放電源進行粗略的定位。定位的平分面法一般是首先選擇一個方位，調整傳感器和的位置，直到兩傳感器信號的時差為零，即兩信號同時到達。此時表明放電源處在、兩點的平分面上。以此類推換一個方位進行同樣的測量，可得另一個平分面。依此方法，，可得若干個平分面。從理論上分析，三個平分面交于一點，該點即可確定為放電源的位置。

（3）信號時差定位

UHF局部放電脈沖電磁波信號具有ns時間量級的起始沿，采用多個UHF傳感器同時測量，能夠測得ns量級的脈沖時差，由此可實現m量級準確度的放電源定位。

2.6 UHF抗干擾的主要方式

由于外置式UHF傳感器檢測的是電磁信號，因此實際應用時主要需考慮如何對變電站的電磁干擾進行處理問題。目前主要采用的抗干擾基于以下原理：

（1）電力系統中的干擾信號，包括空氣中電暈放電的干擾，其頻譜范圍較GIS設備內的局部放電信號要窄得多，一般認為頻率在150MHz以下，信號在傳播過程中衰減很快，幾乎對GIS設備局部放電測量裝置不構成影響。如在距局部放電測量裝置10m左右（直線距離）處的GIS設備交流耐壓試驗裝置，其加壓裝置本身及接線均會產生明顯的電暈干擾，甚至火花，但通過GIS設備局部放電測量裝置觀察基本上無反應。

（2）UHF信號傳播過程中衰減比較快，一處的UHF干擾信號只能局限在比較小的范圍，不會產生大范圍的影響。因此，采用局部放電UHF傳感，可以減小電力設備之間相互的放電干擾。

（3）基于局部放電UHF脈沖電磁的時差可以進行局部放電定位，有效區分設備內部的局部放電和設備附近的放電型干擾。

（4）在盆式絕緣子外層包裝屏蔽橡膠等對外界的電磁信號進行屏蔽，保證測試到的信號主要為GIS內部局放產生的信號。

簡而言之，采用UHF檢測方法能夠與空氣中電暈放電的頻帶完全錯開，有利于降低干擾的影響，可以獲取故障信號的特征，容易實現故障類型鑒別，整個系統應用簡單。

3.不同絕緣缺陷類型的特征

如表2所示，GIS可能出現不同類型的局部放電，如浮電位部件放電、金屬顆粒放電、尖端放電、固體絕緣內部缺陷放電等。局部放電類型識別主要依據放電信號的波形特征，這些波形來自于實驗室模擬試驗和已被驗證了的現場檢測。在局部放電在線檢測中，如果檢測到放電信號，并確定為GIS內部的局部放電，則可以把所測波形和給定的局部放電波形進行比較，確定其局部放電的類型。以下為GIS局部放電典型故障圖譜特征。

4.實際應用方法

針對以上的分析，在線式GIS局部放電監測系統可以基于UHF檢測方法進行GIS局放的長期在線監測應用。系統應由外置式UHF傳感器、采集前端和專家系統服務器組成，多個采集前端可以構成分布式監測系統，同時對多個設備進行在線監測，且可以根據現場需要進行擴展，可以適合不同規模的變電站的GIS設備的在線監測。整個系統的主要結構如下圖所示。

圖7 實際應用系統結構圖

現場使用外置式UHF傳感器進行GIS局部放電的實時在線監測時，一般應對每個GIS間隔安裝1個UHF傳感器，如有條件則可以在所有的盆式絕緣子法蘭盤處均安裝UHF傳感器。同時應在安裝的法蘭盤上加裝屏蔽橡膠，以盡可能減少外界的電磁干擾，如圖8所示。

圖8 UHF傳感器安裝示意圖

數據采集應將傳感器送來的實時信號進行適當的預處理，將信號幅度調整到合適的電平;對混疊的干擾采用濾波器、極性鑒別器等硬件電路進行抑制，以提高信噪比，該過程的實現一般是在計算機的程序控制下進行的。為了滿足測量精度，系統應配有很高采樣速度和轉換精度位數的采集裝置，以及適當的通道數，傳感器與采集通道的連接一般可以通過同軸電纜進行連接。如圖9所示，為現場使用時系統使用的采集前端示意圖，該前端可以同時連接8個UHF傳感器。

圖9 數據采集前端示意圖

數據處理時系統采用快速傅立葉變換及小波變換等方法，能夠更有效地從復雜的干擾雜波中提取微弱的不規則被測信號。當把采集的數據進行傅立葉變換，將時域函數變為頻域函數后，就可以得到更多的特征量，如幅值、頻率、諧波等等，以利于對被測信號進行分析與判斷。總之，從本質講，上述變換都是一種濾波技術。通過濾波抑制干擾信號，分離出被處理與分析的監測信號，進而提高信噪比。獲取反映設備狀態的特征值，為診斷提供有效的依據。最終在線式GIS局部放電監測系統的數據診斷軟件通過收集和分析來自傳感器節點的數據，采用友好的人際界面，可以提供脈沖識別、特征譜圖分析等多種抗噪手段;并結合后臺專家系統結合SQL數據庫，保存所有局部放電的特征數據，同時使用數據統計和智能診斷技術，對所有歷史信號進行分析，給出高置信度的診斷結論并給出相關維護建議。如圖10所示，為現場應用的系統主屏柜和軟件的指紋庫示意圖。

圖10 現場應用的系統主屏柜和軟件的指紋庫示意圖

5.總結

電氣設備絕緣在線監測技術是電氣設備由傳統的“計劃檢修”向先進的“狀態維修”過渡的技術手段，具有巨大的社會經濟效益和廣闊的發展前景。而GIS的狀態檢修對提高電力系統的供電可靠性具有重要的現實意義，基于UHF檢測方法的GIS局部放電在線監測系統采集性能穩定可靠，檢測靈敏度高，可以全天候自動監測GIS變電站多點局部放電信號的變化，并對信號的進行多種分析同時可以判斷放電類型，現場應用方便。同時通過現場運行，GIS局部放電的UHF檢測方法為狀態檢修提供大量的可靠數據，取得了良好的監測效果，且適合在GIS變電站應用，在整個電網安全的維護中具有廣泛的推廣價值，對于電網的安全運行具有無比重要的作用，是未來“狀態檢修”的必然趨勢。

參考文獻

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[4]錢勇.基于超高頻法的GIS局部放電在線監測研究現狀及展望[J].2005（1），40-43.

作者簡介：

汪滔（1976—），男，貴州遵義人，學士，工程師，現供職于云南電網公司楚雄供電局，從事變電運行生產技術管理工作。

張爾健（1972—），男，云南武定人，學士，工程師，現供職于云南電網公司楚雄供電局，從事變電運行生產技術管理工作。

杞海燕（1973—），女，云南武定人，學士，工程師，現供職于云南電網公司楚雄供電局，從事變電運行生產技術管理工作。

趙思明（1973—），男，云南楚雄人，工程師，現供職于云南電網公司楚雄供電局，從事變電運行生產技術管理工作。