特高頻帶電檢測技術在GIS設備中的應用研究和驗證

郭勛

摘要：近年來，GIS設備在電網設備中的占比越來越高，其優點是內部結構集中、整體體積小、配置靈活，而且由于是全封閉結構，受外部環境因素的影響較小，因此正逐步受到電力用戶的廣泛青睞。然而，與其他設備一樣，GIS設備在長時間運行后也會出現絕緣部件老化、氣室內部受潮等安全隱患。一旦出現局部放電就可能導致嚴重的電網事故和設備事故，造成惡劣影響。由于GIS設備運行維護和檢修存在難度大、周期長等問題，因此在試驗周期內對運行中的GIS設備做好帶電檢測，及時發現內部放電缺陷對電網運行維護顯得極其重要。本文針對特高頻檢測技術展開研究，通過一起GIS設備局部放電的現場真實案例，說明并闡述局部放電的缺陷定位、分析、診斷和驗證的方法和標準，為其他類似的帶電檢測工作提供借鑒。

關鍵詞：特高頻;帶電檢測;特高頻局部放電

1 特高頻帶電檢測技術的基本原理

特高頻帶電檢測技術的主要檢測設備是特高頻傳感器和信號識別裝置，檢測的特高頻電磁波信號范圍為300 MHz～3 GHz， 在獲得該波段電磁波的相關信息后，通過特征量的不同實現局部放電的判斷。設備在很小范圍內出現局部放電時，將產生上升時間小于1 ns的脈沖電流，其擊穿過程快并能激發出數GHz的電磁波。由于變電站空氣中電暈干擾的電磁波頻段主要集中在300 MHz以下，因此該技術具有較高的抗干擾能力，能實現實際工作中局部放電巡檢、定位及缺陷識別和診斷。

1.1 特高頻局部放電分類

根據局部放電信號的不同類型，特高頻局部放電的典型放電信號分別為電暈放電、懸浮放電、內部氣隙/沿面放電、自由金屬顆粒放電。

（1）電暈放電。

放電信號通常集中出現在每個工頻周期的負半周或正半周，信號強度不高，相位分布較寬，高頻分量較少;而在沒有出現放電信號的另一半周期內，若電壓等級較高，也可能存在放電信號，其幅值較大，相位分布較窄。

（2）懸浮放電。

放電信號通常在工頻相位的正負半周期內出現，具有一定的對稱性，幅值大，PRPS 譜具有“內外八字”的典型特征。

（3）金屬顆粒放電。

放電特性是放電信號極性效應不明顯，放電信號可能分布在任意相位，放電次數少，放電信號幅值大小不一，放電信號時間間隔不統一。如果提高電壓水平，放電信號幅值增大，時間間隔有一定的減小。

（4）內部氣隙/沿面放電。

放電特性是放電信號通常出現在工頻相的全周期內，并具有一定的對稱性。放電信號的幅值存在一定的規律性，高頻成分較少，放電次數不多。

1.2 特高頻帶電檢測定位方法

定位放電源有助于查找缺陷部件，提升工作效率。特高頻定位方法主要包括幅值比較法、時差定位法、聲電聯合定位法等。

（1）幅值比較法是根據放電源附近信號最強的原理定位放電位置。該方法實施過程中需安放多個檢測點，通常幅值最大的點即信號強度最高，由此可判定這類檢測點最接近放電源。然而，該方法的準確性會受到現場檢測條件的影響，如外界干擾很大、放電信號很強、同時存在兩個及以上的放電源。

（2）時差定位法是利用放電源最接近的傳感器的時域信號最超前的原理定位放電位置。高速示波器可獲取放電信號的時域波形，讀取兩個傳感器檢測到的信號波頭時差，并根據信號傳播速度和傳感器之間的物理距離計算出放電源的位置。

（3）聲電聯合定位法。由于聲波的傳播速度遠低于電磁波的傳播速度，因此可將特高頻信號作為觸發信號，利用超聲波作為測量媒介，通過計算可大致判斷放電源的位置。特高頻與超聲波兩種檢測方法具有互補性，使得聲電聯合定位不僅可避免機械振動的影響，還可防止電氣干擾，實現放電源定位的準確性。

2 GIS設備局部放電實例分析及驗證

某110 kV變電站采用室內GIS設備，母線筒結構為三相共箱式，其盆式絕緣子為非金屬屏蔽結構。

2.1 特高頻帶電檢測方案的實施

（1）特高頻和超聲波巡檢。

對該GIS設備進行特高頻和超聲波巡檢時，發現其1150間隔存在異常特高頻信號，但未檢測出異常超聲波信號。由此可看出，該放電信號出現在工頻周期的正、負半周，具有一定的對稱性，其中放電信號幅值較分散，放電次數較少，且脈沖主要集中在一、三象限。通過排除外界干擾，可知該信號來自設備內部。

（2）幅值定位分析。

通過特高頻信號普測，發現遠離母線氣室的盆式絕緣子特高頻信號幅值逐漸衰減。根據該GIS的內部結構，通過檢測母線側三相上、下兩組盆式絕緣子的特高頻信號，實現對缺陷的幅值定位。由表1可看出，A相下部測點的信號幅值最大，為-55 dBm， 因此該局部放電缺陷最大概率來自1150間隔A相母線氣室的下部。

（3）時差定位分析。

將特高頻傳感器分別置于1150間隔母線氣室的3個盆式絕緣子處，其中檢測點1、2、3分別對應3個盆式絕緣子的A、B、C三相。

其中，檢測點1和3處的放電信號初始波峰相差4.5 ns， 且檢測點1先于檢測點3。而檢測點1和2處放電信號的起始和初始波峰幾乎同時到達，僅相差0.1 ns。由此可初步判斷檢測點1、2的中間位置為放電點，即A、B兩相氣室之間。

根據3個檢測點之間的時差和距離計算出放電源與A相傳感相距87.5 cm， 即放電源位于A相母線氣室下部。由此可判斷為A相母線的支撐絕緣子存在局部放電缺陷。

2.2 特高頻帶電檢測方案的驗證

為及時消除該局部放電缺陷可能導致的隱患，對該110 kV間隔進行了解體處理。

3 結語

本文利用變電站真實案例，驗證了特高頻帶電檢測技術能有效發現GIS設備內部的局部放電缺陷，即通過特高頻和超聲波帶電檢測巡檢發現異常信號，根據其PRPS和PRPD圖譜判斷放電類型，利用幅值比較法、時差定位法等方法定位放電源，并結合GIS設備內部結構圖、X光成像等手段驗證了特高頻帶電檢測技術的實用效果，證明了該檢測技術能保證對GIS設備缺陷的精確分析和判斷，有利于及時消除設備隱患，提高設備運行的安全性和可靠性。

參考文獻

[1]左亞芳.GIS設備運行維護及故障處理[M].北京：中國電力出版社，2013.