超高频法在GIS设备局部放电检测中的应用

1 　概述
近年来，随着城市电网建设的发展， GIS 变电站的数量不断增加。目前，河南省内 GIS 变电站已接近 40 座，预计今后几年内还将继续增加。由于 GIS 设备的运行电压高、其内空间极为有限，导致 GIS 设备的工作场强很高。另一方面， GIS 设备中绝缘裕度相对较小，在严格控制的环境条件下， GIS 设备中 SF6 气体的击穿强度可望达到相当高的水平，但实际通常只能达到期望值的一半，甚至更低。一旦 GIS 设备内部出现某种缺陷，极易发生设备故障。随着 GIS 变电站数量的增多， GIS 设备发生故障的几率也在增加。由于以往人们认为 GIS 设备属于免维护设备，加之 GIS 变电站数量较少，监测设备故障的手段和措施相对有限。因此，加强和完善 GIS 设备交接试验以及 GIS 设备的运行监测，对保障 GIS 设备的安全运行具有重要意义。
研究表明， GIS 设备内部故障以绝缘性故障为多。 2001 年河南省发生的 3 起 GIS 设备故障均为绝缘性故障。国内其它省份亦有类似情况。 GIS 设备的局部放电往往是绝缘性故障的先兆和表现形式。一般认为， GIS 设备中放电使 SF6 气体分解，严重影响电场分布，导致电场畸变，绝缘材料腐蚀，最终引发绝缘击穿。实践证明，开展局部放电检测可以有效避免 GIS 事故的发生。目前，河南省有关部门正在研究和制定 GIS 设备局部放电测量的具体实施方案，拟将 GIS 设备局部放电测量列入 GIS 设备交接试验和运行监测项目。
本文阐述超高频法（ UHF 法）原理及其在 GIS 局部放电检测中的应用。
2 GIS 设备局部放电检测方法
GIS 设备局部放电既是内部绝缘故障的先兆，又是绝缘故障的典型表现。
2.1 GIS 设备内部常见缺陷
a．GIS 设备中固体绝缘材料内部的缺陷　如生产工艺过程中残存在盆式绝缘子内部或与导体交界处的气隙。
b．GIS 设备内残留自由导电微粒，如金属碎屑或金属颗粒　这是较为普遍存在的一种缺陷，一般是由于制造、安装等原因造成的。
c．GIS 设备中的导体表面存在突出物，如毛刺、尖角等　这种缺陷易发生电晕放电，在稳定的运行电压下一般不会引发绝缘击穿，但在冲击电压下可能导致绝缘击穿。
d．GIS 设备内的导体接触不良等。
上述缺陷往往可以引发 GIS 设备局部放电。
2.2 GIS 设备内部缺陷产生局部放电的特征
a.发生在导体周围的电晕放电，由于气体中的分子是自由移动的，因此GIS设备中的电晕放电过程与空气中的电晕放电相似。
b.GIS 设备中绝缘子内部的气隙放电在工频正负两个半周内基本相同，即正负半周放电指纹基本对称。放电脉冲一般出现在试验电压幅值绝对值的上升部分，放电频率依赖于所加电压大小，只有在放电强烈时，才会扩展到电压绝对值下降部分的相位上，且每次放电的大小不相等。绝缘子缺陷在出厂时可能并不出现，但在运输及安装过程中有可能造成损伤。一些缺陷最初可能无害，只是在机械振动和静电力作用下可能轻微移动，形成潜在的隐患。
c.绝缘子表面的缺陷（如污秽等）有助于表面电荷的增加，可能会形成表面放电，导致绝缘子表面的绝缘劣化，甚至击穿。
d.自由导电微粒和固体导体上金属突起放电的相位分布有着明显不同。这个特征通常可以用来区分缺陷的类型。 GIS 设备中自由导电微粒有积累电荷能力，在交流电压作用下，静电力可使导电微粒在 GIS 筒内跳动，如直立旋转、舞动运动等。这种运动与放电的出现在很大程度上是随机的，这一过程与所加电压大小以及微粒的特性有关。如果一个跳动的微粒接近或运动至 GIS 设备中的高场强区时，伴随产生的局部放电有可能形成导电通道，造成绝缘击穿。相对而言， GIS 设备内残留的金属碎屑或金属颗粒产生的各种效应是最为严重的，因此，金属颗粒的放电对 GIS 设备的危害相对较大。
2.3 检测方法
GIS 设备中的局部放电会在 GIS 设备外壳上产生流动的电磁波，使接地线上有高频放电脉冲电流流过，从而导致外壳对地呈现高频电压并向周围空间传播。局部放电还会使通道气体压力骤增，在 GIS 设备气体中产生纵波或超声波，并在金属外壳上出现各种声波，如纵波、横波和表面波等。 GIS 设备中的局部放电也可导致 SF6 气体分解或发光。这些物理和化学变化的特征，有助于 GIS 设备局部放电的检测。目前，国内外普遍采用如下几种方法。
a. 外壳电极法在 GIS 设备外壳上敷设绝缘薄膜和金属电极，使外壳与金属电极间构成一个小电容。通过电容将放电信号耦合至检测及处理单元，最终显示 GIS 设备局部放电水平。这种方法的原理与传统的局部放电检测方法类似，优点是检测灵敏度高，但其致命缺点是易受外界干扰，特别是电网中自然存在的各种脉冲型信号（如电网中的电晕干扰等）的干扰。
b. 内部电极法该方法是将 GIS 设备法兰稍加改造，在法兰内部加装金属电极，该电极与外壳构成耦合电容，以此电容传感器提取局部放电的脉冲信号。当采用2个电容传感器时即可进行 GIS 设备局部放电定位，由 GIS 设备局部放电信号到达 2 个传感器的时间差确定放电点。另一种内电极法是在盆式绝缘子内靠近接地端预先埋设一个电极，由此与外壳构成耦合电容。内部电极法受客观条件限制，内电极只能在厂家生产过程中预埋设，现场安装往往不易实现。另外，内部电极法与外壳电极法都存在现场抗干扰问题。
c ．外接电流传感器　上述方法的改进形式是在 GIS 设备的接地线上加装脉冲电流传感器。由于现场 GIS 设备通常是多处接地，不易从外壳接地线上检测脉冲电流，因此该方法的应用具有很大的局限性。
d ．振动法　 GIS 设备局部放电会产生声波，其类型包括纵波、横波和表面波，在 GIS 设备中沿 SF6 气体传播的声波和在变压器油中一样只有纵波，但其传播速度很慢，要比油中低 10 倍，衰减也大，且随频率的 1 、 2 次方增加。固体中传播的声波除纵波外还有横波。采用压电式传感器和超声波传感器接收局部放电产生的振动信号，可以达到检测 GIS 设备内部局部放电的目的。在 GIS 设备中，除局部放电产生的声波外，还有导电微粒碰撞金属外壳、电磁振动、操作引起的机械振动等发出的声波，但这些声波的频率较低，一般都在 10 kHz 以下。因局部放电产生的声波传到金属外壳和金属屑末撞击外壳引起外壳机械振动的频率在数 kHz 和数十 k Hz 之间，为去除其它声源的干扰，检测频率一般选为 1 ～ 20 kHz 。由于测量频率比较低，传感器可采用加速度传感器。如常用的自振频率为 30 kHz 左右的压电式加速度传感器。
上述方法在实验室检测 GIS 设备内部的局部放电时，灵敏度可高达几十 pC ，甚至十几 pC 。但在运行现场受电磁干扰和机械噪声的严重影响，测量灵敏度将大大降低甚至无法检测，因此，目前上述局部放电测量方法在现场的应用受到极大限制。
3 　超高频法（UHF 法）
GIS 设备中的 SF6 气体具有很高的绝缘强度。研究表明，处于高气压 SF6 气体环境中的局部放电，其放电信号的上升沿及持续时间极短，一般为 ns 级。典型 GIS 设备局部放电信号的频谱可从低频到数百 MHz 甚至 1 GHz 以上。研究认为， GIS 设备中的放电脉冲波不仅以横向电磁波（ TEM 波）的形式传播，而且还会以横向电场波（ TE 波）和横向磁场波（ TM 波）的方式传播。对于 TE 波和 TM 波存在一个下限截止频率，一般为几百 MHz 。当信号频率小于截止频率时，其衰减很大；而信号频率大于截止频率时，信号在传播时的损失很小。由于 GIS 设备的金属同轴结构是一个良好的波导，局部放电产生的超高频信号可以有效地沿波导传播。
由于多处装有盆式绝缘子，这些绝缘子均为非铁磁材料，可以透射超高频电磁波信号，当 GIS 设备局部放电产生的电磁波沿金属轴（筒）传播时，部分信号可通过绝缘子向外辐射，通过无线检测方式即可接收到这些从 GIS 设备内部传出的放电信号。

与传统局部放电测量方法相比，检测这种超高频放电信号的方法（即 UHF 法）具有其独特的抗干扰特性。一般来讲，局部放电测量中所遇到的干扰信号主要是来自电网中电磁信号的干扰，如电晕干扰、开关操作过程中产生的干扰以及各种高压电气设备产生放电等，这些干扰均属于脉冲型干扰信号，其特征往往与局部放电信号相近，甚至一致。因此，就局部放电检测技术而言，解决测量过程中所遇到的干扰问题是目前传统局部放电测量中的主要难点。研究认为， GIS 设备以外的干扰信号，其频谱范围较 GIS 设备内的局部放电信号要窄得多，一般认为频率在 150 MHz 以下，信号在传播过程中衰减很快，几乎对 GIS 设备局部放电测量装置不构成影响。如在距局部放电测量装置 10 m 左右（直线距离）处的 GIS 设备交流耐压试验装置，其加压装置本身及接线均会产生明显的电晕干扰，甚至火花，但通过 GIS 设备局部放电测量装置观察基本上无反应。因此，采用超高频检测方法可有效避开各种干扰信号，使 GIS 局部放电测量的信噪比大大提高。

超高频法的缺点是无法实现 GIS 设备局部放电的放电量标定。超高频法测量的信号频率很高，所检测到的信号与诸多因素有关，除放电量大小外，还涉及局部放电源的类型、电磁信号的传播路径、放电源的位置等。因此，与传统局部放电的放电量标定相比，超高频法进行放电量的标定比较困难。尽管如此，由于超高频法具有较高的抗干扰能力，该方法仍是一种很有发展前途的检测方法。

4 　超高频法的应用

4 ． 1 UHF 法的适用范围

根据超高频法的特点，在以下 2 个方面适宜开展 GIS 设备局部放电测量。

a ．在进行 GIS 设备交流耐压试验的同时补充局部放电测量，试验电压为 GIS 设备交流耐压试验电压。 GIS 设备交流耐压试验的主要目的是对已安装完毕的 GIS 设备进行老练处理并检验其安装工艺质量。但现场运行经验证明，现行的交流耐压试验并不能完全消除 GIS 设备中某些残留缺陷，河南省及国内其它省份均有过交流耐压试验通过、而运行不久 GIS 设备发生放电性事故的情况。在对 GIS 设备做交流耐压试验的同时进行局部放电测量，有助于考核交流耐压试验的效果，并保存 GIS 设备局部放电水平的基础资料（特别是老练试验电压下的局部放电水平，因为老练试验电压与 GIS 设备运行电压接近），为现场运行工况下

GIS 设备运行监测及事故分析提供依据。当交流耐压试验过程中出现严重的局部放电时，亦可建议适当延长交流耐压试验时间，至少延长老练试验的时间。

b ．对现场运行工况下的 GIS 设备在线进行局部放电测量，特别是对新安装投运不久的 GIS 设备进行局部放电检测，因为新投运半年的 GIS 设备发生故障的几率最大。

4 ． 2 UHF 法的局部放电测量介绍

图 2 为 GIS 设备交流耐压试验条件下的局部放电测量示意图。串联谐振装置提供交流耐压试验用电源； UHF 传感器内置超高频信号接收天线及放大器、滤波器等，可接收 GIS 设备内局部放电产生的无线高频信号，经宽频带放大器放大以及高速数据采集卡将采集的数据送入计算机。由计算机对此进行数据处理，最终在计算机上显示 GIS 设备局部放电波形及信号幅值（ mV 值）。在现场实际应用中，超高频传感器尽可能靠近 GIS 设备法兰处（盆式绝缘子外沿），此时检测的灵敏度最大。图 3 为典型 GIS 设备局部放电波形。

4 ． 3 UHF 法的实际应用

采用 UHF 法对河南省近 20 座 GIS 变电站进行了交流耐压试验条件下的局部放电测量。观察发现，在交流耐压试验过程中，放电具有显着的间歇性，试验电压升高时放电信号的幅值相对较大。对于 110 kV 电压等级 GIS 变电站，在 72k V 试验电压下（老练时的电压），超高频传感器接收到的局部放电信号幅值一般在 100 mV 以下，多数局部放电信号在试验电压下逐渐熄灭，但仍有一些放电信号即使在 1 min 交流耐压试验结束时仍保持一定的放电水平，对此建议适当延长试验时间或在 GIS 设备投入运行后不久进行在线局部放电测量。

对运行工况下的 GIS 设备，可进行局部放电在线测量。在对河南省内 GIS 变电站局部放电普查中发现的运行条件下的 GIS 设备局部放电水平很低，一般无明显的局部放电脉冲。

对于交流耐压试验条件下的局部放电及运行 GIS 设备局部放电的水平，目前国内外尚无标准。可以相信，随着 GIS 设备局部放电检测技术的研究和推广应用，有关标准和具体实施方法将得到进一步的完善和发展。

5 　结论

a ．超高频法可以有效地解决现场干扰环境下的局部放电检测问题。

b ．在进行 GIS 设备交流耐压试验的同时补充局部放电测量，有助于考核交流耐压试验的效果，为现场运行工况下 GIS 设备运行监测及事故分析提供依据。

c ．开展现场运行工况下的 GIS 设备在线局部放电测量，特别是对新安装投运不久的 GIS 设备进行局部放电检测，对于保障 GIS 设备的安全运行具有重要意义。