220kV GIS特高頻法帶電檢測技術分析與應用

張家口供電公司 任志強 申 浩

1 引言

帶電檢測是GIS 局部放電檢測中用以評估設備絕緣性能的有效方式。特高頻帶電檢測是根據內置或外置傳感器設備接收來自局部放電的特高頻（UHF）電磁脈沖信號，然后根據信號的時間差對設備缺陷位置進行定位[1]。因其抗干擾能力強、故障定位精準度高，所以目前已成為用來評測GIS 運行狀態的有力手段。

2 GIS 特高頻法帶電檢測技術及其工作原理

2.1 GIS 特高頻法帶電檢測技術

特高頻局部放電檢測是指利用內置傳感器或外置傳感器接收局部放電產生的0.3GHz 至3GHz 特高頻段的電磁波信號，對設備進行相應的放電檢測。由于電設備絕緣體絕緣強度高、擊穿力強，所以局部放電一般僅存在于小區域內，但是擊穿迅速極快，其上升時間通常小于1ns，同時產生相應的脈沖電流。運用特高頻檢測局部設備放電情況時，若發現特殊信號，應先判斷信號來源，以排除非外界因素的干擾[2]。通過對干擾信號圖譜、檢測信號圖譜的分析，判斷設備放電異常問題是否存在。

2.2 GIS 特高頻法帶電檢測的工作原理

特高頻帶電檢測的工作原理是對放電信號進行檢測。當設備發生局部放電時，可利用傳感器可對電磁波信號進行檢測，獲取局部放電的相關數據。特高頻傳感器通常有內置和外置兩種類型。在實際應用中，內置式傳感器往往安裝于GIS 設備內部，由GIS 生產商制造時置入；外置式傳感器主要用于高壓開關柜的檢測，通常置于未有金屬屏蔽的GIS外殼介質窗或者盆式絕緣子外側。

3 220kV GIS 特高頻局部放電類型及其缺陷分析

3.1 電暈放電

電暈放電的電信號一般在工頻周期的正負半周集中出現，相位分布稍寬，信號強度較低，且高頻分量少。但是在未出現放電信號的半周期內，電壓較高時，可能也會出現放電信號，該放電信號相位分布較窄，幅值較大。該類型放電次數較少，極性效應顯著。這一放電類型往往易受外殼毛刺、導體毛刺影響，使氣體中極場產生不均勻放電現象，且這一現象通常發生在設備內部[3]。當缺陷較小時，可能會出現表面燒蝕，對設備危害較小，然而在過電壓下，則可能導致設備擊穿隱患，所以要對放電信號的幅值給予一定關注。

3.2 沿面放電

沿面放電的放電信號一般出現在工頻相位全周期內。這一類型的放電幅值相對分散，且放電次數少，時間間隔不穩定，但放電相位相對穩定，高頻較少，沒有明顯的極性效應。這一放電類型存在的缺陷是，絕緣內部裂紋、臟污及空穴，容易導致設備內部出現非貫穿性放電，也是導致設備絕緣擊穿的重要因素。引起沿面放電異常的原因往往也與工頻電場相關。

3.3 懸浮放電

懸浮放電的信號一般出現在工頻相位的正半周期或負半周期，且存在對稱性。PRPS 譜呈現“內外八字”。然而，當懸浮金屬出現不對稱情形時，其正半波、負半波的檢測信號則會產生極性差異。懸浮放電時，設備內部的懸浮部件跟隨振動，也因此又有固定間隙與可變間隙懸浮放電之分。懸浮放電的缺陷是，一旦設備內部的金屬部件和相關導體出現間隙，丟失了電位連接，這時便容易引發接觸不良放電現象。

3.4 金屬顆粒放電

金屬顆粒放電在全工頻相位周期內均分布有放電信號。放電信號一般放電次數少、間隔不規律，且放電極性效應不明顯，放電幅值分布也較為廣泛[5]。當提高電壓水平時，金屬顆粒的放電幅值會相應增大，相對的放電信號時間間隔減小。這一類型的放電缺陷往往由金屬碎屑導致。當設備的內部電場發生變化時，其內部的金屬微粒將會隨之進行跳動，若此時加大導體與金屬外殼之間的高低壓，極可能會引發設備擊穿現象。

4 220kV GIS 特高頻法帶電檢測技術的優點

4.1 檢測靈敏度高

特高頻電磁波會在GIS 內部產生反射，并在GIS 罐體形成諧振，一定程度上延長了局部放電信號的振蕩時間，降低了特高頻電磁波信號在傳播過程中的損失，因此特高頻帶電檢測技術的檢測靈敏度得以提高。

4.2 抗低頻信號干擾能力強

特高頻傳感器的信號頻段在0.3GHz 至3GHz 范圍內。而電暈干擾又是檢測現場信號干擾的主要因素，其頻段通常在300MHz 以下，所以特高頻檢測法可以有效防止現場出現的電暈干擾，抗低頻信號干擾能力較強。

4.3 能實現局放源定位

局部放電的特高頻電磁脈沖信號抵達GIS 盆式絕緣子的時間與其傳播距離緊密相關。因此，檢測過程中如果發現異常局部放電信號，檢修人員可依據放電信號抵達傳感器的時間差，確定局部放電的具體位置。

4.4 絕緣缺陷類型識別功能

據相關研究表明，局部放電缺陷不同，檢測獲得的相應特高頻信號圖譜特征存在著一定差異。因此，檢修人員可依據特高頻信號圖譜，分析其放電相位、放電頻次、放電幅值等特征，確定放電類型，了解其缺陷程度。

5 220kV GIS 特高頻帶電檢測技術的定位方法

時差定位法是運用放電源最為接近傳感器，時域信號最超前原理，進而來判斷放電位置。在進行檢測時，通過高速示波器可以得到時域信號的波形，獲取兩個傳感器檢測的信號波形時間差，之后根據傳感器之間的距離及其信號傳播速度，即可計算出局部放電位置。

幅值比較法是根據放電位置信號最強原理來判定放電位置。幅值比較法的實施需要設立多個檢測點，根據幅值最大處信號最強原則，以定位放電源。然而，受現場檢測條件影響，其檢測準確性也會出現誤差，如放電信號強或者現場存在兩個以上的放電源，則檢測結果可能與實際情況相偏離。

聲電聯合定位法，聲電聯合定位法是依據聲波傳速低于電磁波傳速的原理來判定放電位置。在實際檢測時，特高頻信號可以作為觸發信號，同時以超聲波為檢測媒介，計算并判定放電源位置。另外，由于超聲波和特高頻檢測法存在優勢互補，因此該檢測方法不但可以免受機械振動干擾，而且還能避免電氣影響，進而精準定位放電源。

6 220kV GIS 特高頻法帶電檢測技術的實際應用

6.1 局部放電的在線監測與定位

某一地區220kV 變電站安裝有相應的GIS 設備，實行局部放電在線監測時，技術人員在后臺監測系統發現該站的多個耦合器都存在明顯的連續性局部放電信號，并且其最大幅值已超過-25dBm。據此，經專家分析判斷，認為這一放電信號確為浮動電極信號。其局部放電信號發展較為迅速，如圖1所示，可以看出，其放電頻次與放電幅值存在明顯突變現象。

圖1 局部放電發展趨勢

經持續監測，發現這一信號頻率由間歇性逐漸轉化為連續性，且幅值已超過監測系統最大值，具體如圖2所示。

圖2 連續性局部放電信號

為了排除外界電磁干擾和監測儀器自身是否正常工作的影響，檢修人員聯合采用便攜式與超聲波局部放電測試儀改變 GIS 設備的運行方式，并對其局放信號進行檢測，測得1號分段的間隔氣室布置，如圖3所示。對GIS 氣室進行分段停電，分別在不同狀態下對1號分段間隔氣室的多種盤式絕緣子進行測試，具體測試數據見表1。

表1 改變運行方式測量局放信號幅值

圖3 1號分段氣室布置及定位測試點

根據上述分段停電測試基本可排除外界環境干擾因素與監測儀器自身問題的影響。同時，這也說明GIS 設備內部確實存在局部放電信號。結合上述監測結果和系統運行情況分析，可預測出局部放電位置位于1015開關、靠近1M 側氣室附近。

6.2 具體原因分析

通過對該站1015開關、靠1M 母線側氣室進行開蓋檢查，發現固定座連接、三相導體均未有松動情況，并且導體表面的氣室桶壁內也未見出現有任何粉末(現場氣體分解物試驗SOHS 和HF均未超標)。之后，檢修人員將這一氣室的母管以及通往開關氣室的絕緣盤、導體拆下檢查，結果發現絕緣盤面向開關氣室側B 導體接觸面存在放電痕跡，在其連接觸頭的導電桿表面發現大量粉末。后續經技術人員分析，認為該粉末為金屬物質。

分析該類型的GIS 連接結構可知，靜觸頭座和導電桿是由嵌在觸頭座彈坑內的相關卡簧電氣連接。裝配環節時，工裝存在尺寸偏差使得導電桿與靜觸頭座圓心偏離(在解體中發現)，導致其一部分緊緊壓住靜觸頭座卡簧，另一部分由于與卡簧接觸面減少，接觸不良，造成靜觸頭座與導電桿接觸電阻增大，出現接觸電阻壓降，進而導致放電現象的發生。放電燒蝕金屬表層，產生金屬粉塵。而金屬粉塵與雜質在強電場的作用下又不斷跳動，引起類似浮動電極放電現象及聲音，導致特高頻局部放電監測儀與超聲波監測儀捕獲到了相應的放電信號。

7 結語

隨著GIS 特高頻法帶電檢測技術的日益成熟，為GIS 運行狀態的評估提供更加精確、有效的信息將成為現實。GIS 特高頻檢測技術的應用，能夠幫助檢修人員及時、準確地發現其內部隱藏的缺陷，對其實行精準定位，為檢修提供有力的支撐數據。同時，考慮到不同設備的實際運行及故障情況，檢修人員應有針對性地選擇定位方法，保證檢測結果更加準確。