GIS特高頻局部放電檢測與診斷技術的研究進展

邵先軍， 何文林，李 晨， 徐 華， 詹江楊

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.國網浙江省電力公司，杭州 310008）

GIS特高頻局部放電檢測與診斷技術的研究進展

邵先軍1， 何文林1，李 晨1， 徐 華2， 詹江楊1

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.國網浙江省電力公司，杭州 310008）

UHF法作為一種抗干擾性能佳、靈敏度高、易識別缺陷類型以及可實現放電源定位的局部放電檢測方法，在GIS絕緣缺陷和故障診斷中有著良好的應用前景。通過介紹近年來GIS局部放電電流特性、UHF信號傳播特性、UHF傳感器設計與測試、診斷與評估技術等方面的重要研究成果，討論了UHF檢測盲區、幅值量化標定、危險度評估等目前在研究和實踐中存在的問題，提出了今后GIS UHF技術的研究與應用發展方向。

GIS；局部放電；特高頻法；絕緣診斷

0 引言

局部放電是一種在電場作用下，絕緣系統中只有部分區域發生放電而尚未整體擊穿的現象，其最早發現可追溯到1777年Lichtenberg發表的實驗論文。近年來，隨著設備小型化和高電壓化，絕緣系統承受的工作場強愈來愈高，為了在第一時間發現可能存在的絕緣缺陷，保證設備安全可靠運行，對設備局部放電（以下簡稱局放）的檢測與分析已逐漸成為電力部門和制造廠商最為關注的問題之一。

GIS（氣體絕緣組合電器）因其突出優勢近年來被廣泛應用于電力系統中，在輸變電系統中占據著重要的地位。基于GIS局放過程表現出的多種物理化學現象，自20世紀60年代以來，國內外科研機構、運行部門和生產廠家提出了多種GIS局放檢測方法，如脈沖電流法、超聲波法[1]、SF6成分分析法[2]和UHF（特高頻）法[3]等。相比其他幾種方法，通過檢測SF6局放電流脈沖所輻射的吉赫茲頻段電磁波信號，UHF法作為一種抗干擾性能佳、靈敏度高、易識別缺陷類型以及可實現放電源定位的局放檢測方法，已逐漸得到國內外學者的認可。

1 GIS局放的UHF放電特性

1.1 局放缺陷類型

運行經驗表明，由于GIS需要現場組裝，導致安全隱患的因素較多，裝配工藝、制造材料、運輸、運行老化等問題造成GIS內部常常存在多種或多個缺陷，較常見的有高壓導體或殼體內部的固定突起、自由金屬微粒、浮動電位電極、絕緣子內部缺陷和絕緣表面微粒等。根據CIGRE（國際大電網會議）相關工作組的統計，絕緣故障占GIS故障的50%以上[4]。德國第一大電力公司萊茵能源集團統計了123 kV和420 kV GIS的絕緣故障原因，如圖1所示[6]。在123 kV GIS中，絕緣表面及絕緣內部缺陷引起的故障達61%；在420 kV中，因殼體、高壓導體、盆式絕緣子表面的自由或固定顆粒引起的絕緣故障占據一半以上，此外因隔離/接地開關的絕緣配合缺陷引起的故障占29%。

圖1 123 kV和420 kV GIS的絕緣故障原因統計[5]

文獻[6]對GIS中自由顆粒、金屬尖端、盆式絕緣子表面顆粒等缺陷在不同電壓形式下擊穿特性開展了研究，發現金屬尖端和盆式絕緣子表面顆粒對雷電沖擊電壓最為靈敏，對50 Hz交流電壓最不靈敏，認為主要是由于交流電壓下電暈放電的空間電荷穩定性引起；自由顆粒則恰好相反。該研究有助于放電擊穿原因及現場交接試驗方法有效性的分析。

1.2 SF6中的局放電流

因UHF法基于接收SF6局放的窄脈沖所輻射的電磁波信號，因此UHF信號能量受SF6中局放電流波形變化程度的影響很大。日本學者Okubo搭建了PD-CPWA系統，即局放電流脈沖波形分析系統（20 GS/s，4 GHz），研究了不同SF6氣壓、SF6與N2混合氣體下的局放電流波形，發現SF6中針板局放電流的上升沿和下降沿時間分別為0.5 ns和3 ns[7]。M.D.Judd研究組[8]同樣采用超寬頻帶測試系統（13 GHz，40 GS/s）研究了SF6中針板局放電流波形，發現正脈沖上升沿時間在35～718 ps變化，最小上升沿時間為24 ps，此外在負電暈局放中發現存在多次放電脈沖的疊加波脈沖，如圖2所示。

圖2 典型SF6局放電流脈沖

2 UHF信號傳播特性

2.1 GIS內部UHF信號

GIS最基本的結構為同軸結構，可視為電磁波同軸波導系統，但不同電壓等級、結構尺寸下GIS的電磁波波導模式各有不同。因此，在研究GIS內部UHF信號傳播特性一級開發設計UHF傳感器時，有必要先清楚其所用GIS的主要波導模式的頻率段，從而獲得較高的檢測靈敏度。

M.D.Judd采用并矢格林函數對GIS同軸電磁波導模式進行了計算，并與理論估算的波導模式截止頻率進行了比較，在GIS UHF電磁波仿真上作出了開拓性的研究工作[9]。其研究結果表明，GIS中UHF信號是以TEM（橫電磁波）和TE（橫電波）、TM（橫磁波）形式傳播的，高次模波的截止頻率取決于GIS的結構尺寸。

此后，日本學者 Okabe采用 HFSS軟件對GIS中電磁波導模式進行了仿真計算，發現在L和T型GIS中TE11至TE21的模式轉換過程，并得到了實驗的驗證[10，11]。 國內學者[12，13]應用FDTD計算方法也對GIS開展了波導模式的仿真研究，并計算了各波導模式的電磁波波形，如圖3所示。

圖3 GIS波導各主要模式分布及相應截止頻率

GIS組件中存在多種結構（L型、T型）及部件（斷路器、隔離開關，TA，TV，盆式絕緣子），UHF電磁波在GIS中的傳播過程復雜，時域與頻域特性多變，給UHF傳感器選型及布置、放電強度檢測帶來極大的困難。為了明確GIS內部電磁波傳播特性，更有效檢測UHF局放信號，文獻[9，14-16]采用FDTD仿真與實驗的方法系統地研究了不同結構、部件、局放脈沖源位置及脈沖上升沿等參量對GIS內部UHF信號傳播特性的影響，分析了GIS典型結構對電磁波傳播的衰減作用。研究結果表明，GIS內部UHF信號徑向分量的電場強度峰值和電場能量均遠大于軸向及法向分量，其徑向分量主要由TEM波和TE11波構成。經過盆式絕緣子、L型、T型等結構部件后的UHF信號分別衰減約5 dB，8 dB和7 dB。

2.2 GIS盆式絕緣子泄漏UHF信號

GIS內部因局部放電產生的UHF信號還可在盆式絕緣子等非金屬屏蔽部位泄漏出來，因此有不少研究者對泄漏UHF信號特性開展了一系列的研究。實際上，GIS盆式絕緣子處與金屬螺栓間形成了類似于波導縫隙天線的結構，因此，其泄漏電磁波的諧振頻率可通過縫隙天線的理論分析得到，若縫隙的長寬分別為a和b，諧振頻率可根據下式計算：

式中：εr為盆式絕緣子相對介電常數；c為光速；m和n為整數。

基于等效電路仿真模型，文獻[17]對盆式絕緣子泄漏電磁波的頻率響應特性開展了仿真與實測。但基于等效電路參數的仿真，只適合在低頻段下，對于UHF頻段的波信號模擬尚不完善。

文獻[18]利用CST軟件仿真計算了非金屬屏蔽式盆式絕緣子的泄漏特性，建立了直筒型泄漏特性仿真模型，仿真得到參數S。圖4（a）給出了固定盆式絕緣子的螺栓數目為12時仿真得到的參數S，可以看出電磁波泄漏存在363 MHz，681 MHz及999 MHz 3個諧振頻率點。根據式（1）和（2）計算得到的前3個諧振頻率點分別為364.3 MHz，728.7 MHz和1 093 MHz，與仿真結果接近。圖4（b）給出了不同金屬螺栓數目對泄漏電磁波諧振頻率的影響，可知，諧振頻率隨螺栓數目增多而明顯增加，這說明針對不同GIS盆式絕緣子結構有針對性地選擇傳感器是十分必要的。

圖4 敞開式盆式絕緣子電磁波泄漏參數S

文獻[19]仿真分析了金屬屏蔽式盆式絕緣子澆筑孔處的泄漏UHF信號，發現沿軸向的UHF電場分量幅值最大，這與波導縫隙天線的E面是一致的。文獻[20]利用設置波導饋源計算了不同長度下矩形澆筑口的UHF信號透射系數（如圖5所示），發現隨著長度的增加，最大透射系數的頻率點逐漸下降，且整體透射系數逐漸增大，與相同尺寸的偶極子天線行波系數的仿真分析的規律是一致的。

圖5 不同長度下矩形澆筑口處UHF信號透射系數

3 UHF傳感器

UHF傳感器用于耦合GIS內部局部放電在UHF頻段范圍內所激發出的電磁波信號、并將其轉換為電壓信號，因此UHF傳感器是GIS UHF局部放電檢測系統的關鍵，直接決定了檢測系統的靈敏度。GIS UHF傳感器按照安裝方式可劃分為內置式、介質窗口式、外置式和絕緣子環形傳感器[21]。

3.1 內置式傳感器

內置傳感器中常用的是圓板式、錐形傳感器和平面等角螺旋傳感器，其結構如圖6所示。早期的內置傳感器金屬電極并不直接接地，而是通過同軸引出線處加裝三通接頭來間接接地，因此當三通接頭接觸不良或漏裝時，其同軸引出線存在數百伏特的感應電壓，對人員和儀器存在安全風險。目前開發設計的內置傳感器已在內部直接接地，使用安全性較高。

圓板傳感器頻率響應曲線在特高頻段較為優異；一般來說，局部放電信號頻率越高，圓板傳感器的增益越大，即圓板天線接收的信號頻率越高，因此該內置式天線應用廣泛。圓板的直徑越大，靈敏度越高，靈敏度隨介電常數的增加先增大后減小。

錐形傳感器與平板傳感器結構類似，在大部分的頻率范圍內，錐形天線的靈敏度高于圓板形天線，尤其是最大靈敏度，錐形的遠遠高于圓板天線[22]。

平面等角螺旋天線由4條具有相同螺旋率的等角螺旋線組成，為自相似結構的天線。平面等角螺旋線在其兩端都是可以無限延伸的，可以滿足寬頻帶天線的條件。所以在一定頻率范圍內可以近似認為其具有非頻變天線的特性，這是平面等角螺旋天線的最大優點。一般來說，等角螺旋天線半徑越大，工作頻率越低，靈敏度越高。

圖6 常見內置式傳感器結構示意

3.2 外置式傳感器

外置式傳感器主要基于微帶貼片天線，由導體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質基片上形成的天線組成，其最大輻射方向在平面的法線方向[23]。具有體積小，重量輕，易于實現線極化和圓極化，容易實現雙頻段、雙極化等多功能工作的優點。圖7所示為常見的外置式傳感器領結型結構，其張角越大，阻抗越小，輸入阻抗的變化越為平穩，天線的工作頻帶也就變寬；而領結越大，下限截止頻率越低。

圖7 常見外置式傳感器結構示意

3.3 絕緣子環形傳感器

一般來說，GIS盆式絕緣子靠近法蘭的邊緣內部通常裝有繞整個盆子一圈的均壓屏蔽環或稱為均壓彈簧，用以消除法蘭和盆式絕緣子交接處可能存在的縫隙，起到均勻電場的作用，這在盆式絕緣子澆注過程中就已內嵌。針對某些廠家全金屬屏蔽式盆式絕緣子且不預留澆筑孔而無法開展UHF檢測的情形，文獻[5]提出利用該均勻屏蔽環來充當UHF天線，具有較高的檢測靈敏度。

典型的盆式絕緣子均勻屏蔽環結構如圖8所示，可見均壓屏蔽環與法蘭通過多個接地螺栓接觸連接，如圖中的A，B，C點所示。因此只需擰開其中1個接地螺栓，此時均壓屏蔽環已成為1個環形天線，保持其他幾個接地螺栓狀態不變，整個均壓屏蔽環仍處于接地狀態，對GIS運行無任何影響。而將某個已擰開接地螺栓處的UHF信號引出即可用于檢測GIS局部放電。

圖8 均壓屏蔽環結構

文獻[13]利用FDTD仿真計算了不同A，B，C接口的均壓屏蔽環的頻率響應特性，發現在3 GHz頻率范圍內，均壓屏蔽環天線的共振頻率點較為豐富，適于作為UHF寬帶天線來使用。

3.4 傳感器靈敏度表征與測試

一般來說，GIS UHF傳感器采用平均有效高度He（f）表征其檢測局部放電信號的能力，為UHF局部放電傳感器將局部放電輻射的電磁波能量 Ei（f）轉換為電壓信號 U0（f）的能力，量綱為mm，計算公式見式（3）：

UHF傳感器有效高度的測量可通過GTEM小室測量，其測量裝置組成和原理如圖9和圖10所示[24，25]。通過標準脈沖源向GTEM小室內注入標定信號，在GTEM小室內建立脈沖電磁場。設E（t）為GTEM小室內被測天線所在位置處的電場，u（t）為天線輸出的電壓信號。天線的作用是將入射電場轉換為電壓信號輸出，根據入射電場和輸出電壓的關系，即可得到天線的傳遞函數H（f），量綱為mm，稱為有效高度。

圖9 GTEM組成

圖10 有效高度測量原理

由于GTEM存在一定的標定不確定性以及價格較高等缺點，文獻[26]提出了利用單極錐天線和金屬接地板組成的UHF傳感器標定系統，如圖11所示。其測試結果表明，錐形標定系統的重復性較高，適合于多種UHF傳感器結構的標定。但該種標定系統的占地面積較大（4 m×4 m），目前國內尚未開展相關研究與應用。

圖11 圓錐標定系統

4 診斷與評估技術

4.1 模式識別技術

為了判斷檢測得到的GIS UHF信號所表征的缺陷類型，不少研究者應用模式識別技術對缺陷類型開展了分析與研究。目前對放電模式的識別一般是在提取信號的特征量以后，運用神經網絡、模糊邏輯和概率分析等方法進行模式歸類或與已有的指紋圖庫進行比較來識別放電的類型。因此信號的特征提取是模式識別的關鍵。

目前廣泛用于放電模式識別的是信號的相域特征和時域特征[22]。相域特征提取即由脈沖電流法測得的視在放電量、放電出現的相位、放電次數所組成的兩維或三維譜圖，以及由此導出的均值、均方值、不對稱度、互相關系數、偏斜度、峰度等統計特征量，目前現場帶電檢測主要應用該方法。時域特征提取是從測得的單個放電脈沖的波形中提取如脈沖的峰值、上升沿、下降沿、脈寬等與形狀有關的參數，以及通過傅立葉變換、小波變換、時頻分析等信號處理方法提取變換系數作為特征量。

目前常用的模式識別算法流程為首先利用實驗室中不同局部放電類型的樣本數據作為訓練數據進行模型學習，通過調整算法中的參數建立數據特征與放電類型之間的映射關系，該過程稱為模式識別算法的學習過程。實際應用時以待識別的數據作為輸入，利用神經網絡[27]、支持向量機[28]、仿生模式識別[29]等方法對放電類型進行識別，然后輸出放電類型。

4.2 多源分離技術

GIS內部有時會存在多個絕緣缺陷或干擾信號，形成多個局放源和干擾信號混合的缺陷圖譜，為了提取有用的局放信號信息，不少研究者開展了多源局放分離技術研究。M.Cacciari，A. Contin等首次提出了多局放源下的缺陷識別問題，并采用混合Weibull分布擬合H（q）譜圖以提取特征參量，應用于多局放源的缺陷類型識別[30]。之后許多學者開展了局放信號特征參量提取的研究工作，包括脈沖波形比較、快速傅里葉變換及時頻分析技術等。采用快速傅里葉變換的方法以不同局放源脈沖信號的頻譜分布存在差異為基礎，除上述等效時長—等效頻寬參量外，一些學者將信號頻譜分段，提取了能量比值參量（各頻率段能量與信號總能量比值），但這種方法中選取的分段頻率對最終分離效果影響很大；時頻分析技術包括小波分解[31]、S變換[32]及數學形態學[33]等，L.Hao，P.L.Lewin，Chan J C及汪可等人就是利用不同的時頻分析方法提取了分離特征參量。國內華北電力大學[34]、西安交通大學[35]及重慶大學[36]等相關課題組均采用等效時頻參量和模糊聚類等方法對不同局放源的信號進行了聚類分析，實現了油紙絕緣混合缺陷及GIS等在交直流不同外施電壓形式下的脈沖電流信號分離。

5 存在問題與展望

近年來，隨著國內外學者研究工作的不斷深入和推進，在現場實際應用中也發現了眾多GIS絕緣缺陷，避免了事故的發生，但仍存在以下幾點問題值得進一步研究。

（1）檢測盲區。對于盆式絕緣子沿面放電缺陷的檢出靈敏度不高。這是因為盆式絕緣子沿面放電脈沖的前沿相比其他類型的放電要緩，其所激發的UHF信號也相對較弱，在實驗室盆式絕緣子沿面缺陷模擬中曾發現，盆式絕緣子突然擊穿而UHF事先卻無任何信號，這與現場發生多起盆式絕緣子沿面閃絡而UHF在線監測裝置無異常信號的情形是吻合的。

（2）UHF幅值無法量化標定。GIS UHF法受缺陷類型、局放源電流脈沖、傳播路徑、傳感器接收性能等影響，無法實現類似于脈沖電流法的量化標定，因此也就無法憑借UHF信號幅值來判斷局放缺陷的發展程度，難以準確評估GIS的狀態。

（3）GIS危險度評估。目前GIS局放危險度評估最具代表性的為CIGRE WG D1.03工作組于2013年提出的基于缺陷位置、外加電壓的波形和水平、放電持續時間及缺陷類型4個因素所開展的缺陷擊穿概率評估流程[37]。但該項工作尚處于起步階段，仍需大量的現場實踐與應用來補充完善GIS危險度評估技術，為選擇評估參量和設定閾值提供參考，研究融合多種信息參量的GIS局部放電危險度評估技術。

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（本文編輯：徐 晗）

Research Progress of UHF Partial Discharge Detection and Diagnosis in GIS

SHAO Xianjun1，HE Wenlin1，LI Chen1，XU Hua2，ZHAN Jiangyang1

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310008，China）

As a partial discharge（PD）detection method，the ultra-high frequency（UHF）detection method has been widely accepted due to its good anti-interfere performance，high sensitivity，capability of defect type recognition and PD source location.By introducing PD current characteristics of GIS，UHF signal transmission characteristics，UHF sensor design，test，diagnosis and detection technologies，the paper expounds their key research achievements in recent years and discusses problems in ongoing dead zone of UHF detection，amplitude quantization and calibration as well as risk level evaluation；moreover，it presents the research and application direction of UHF detection technology of GIS.

GIS；partial discharge；UHF method；insulation diagnosis

TM835.4

A

1007-1881（2016）10-0007-08

2016-03-28

邵先軍（1983），男，工程師，從事電力系統開關專業技術工作。