GIS局部放电检测技术研究与案例分析

GIS局部放电检测技术研究与案例分析

梁暖祥

（广东电网有限责任公司东莞供电局广东东莞52300）

摘要：本文阐述了GIS局部放电产生的原理，介绍了脉冲电流、UHF和超声波三种常见的检测方法，并以某110kV变电站GIS设备气隙放电为例，说明预防局部放电的重要性。

关键词：GIS；局部放电；检测法

0引言

GIS在高压、超高压以及特高压领域均被广泛使用，GIS之所以备受关注，不仅仅是因为它结构紧凑，占地面积小，而且它的配置灵活，可靠性高，并且它的安全性强，环境适应能力也很强。但是，GIS内部的电场强度很大，一旦设备内具有一些缺陷，就会产生局部放电现象。而局部放电会造成GIS的绝缘劣化，影响GIS甚至变电站的安全稳定运行。

1GIS设备概述

六氟化硫气体绝缘金属封闭组合开关设备(GIS)，是为了减免维护，减少人力而产生的一种新型的组合电气设备，它是把包括部分母线、断路器、避雷器、隔离开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、套管、电缆终端等在内的各种保护和控制功能的电气设备全部封闭组合在金属外壳中并接地，壳内充有规定范围压力并作为绝缘和灭弧介质的六氟化硫气体，并按一定接线方式组合构成的开关设备，GIS内部输电母线用环氧盆式绝缘子作为支撑绝缘，取代了传统敞开式变电站中使用裸导线连接各种电气设备、利用周围空气作为绝缘的方式，这样可以把一个变电站简化成一个开关站。GIS与传统敞开式输变电站设备相比较，GIS设备具有全封闭、结构紧凑、占地面积较少、模块化、空间体积较小、运行安全可靠、噪声较低、无火灾隐患、受外界环境影响小、有利于环境保护、易于安装、配置灵活、检修周期较长、维护简单、抗震能力强等一系列显著优点，扩展了开关设备的功能，体现了组合化、复合化，可做到减少维护及增长使用寿命，减小了设备的占地面积，降低了变电站的综合造价，具有高电压少端口、通流能力强、开断容量大等技术特点。

2GIS局部放电

GIS中的局部放电现象一般发生在六氟化硫气体中。气体中的放电现象是由气体介质中带电质点的产生以及带电质点的消失决定的，GIS中的带电质点是气体分子通过碰撞电离，光电离和热电离产生的。在GIS设备整体不导电的情况下，其内部存在的电场是稍不均匀电场。但是，在产生绝缘缺陷时，其内部的电场就会发生变化，使得电场的分布相对聚集，导致GIS内部的电场由稍不均匀电场变为极不均匀电场。当GIS中的电场为极不均匀电场时会出现放电现象，GIS放电过程一般先经过电晕放电，然后经过先导放电，最后经过主放电过程，通常首先产生流注过程，然后产生先导过程，最后产生击穿过程。对六氟化硫气体间隙施加电压，当电压足够高时使极不均匀电场中场强集中处的电场强度大于临界场强时，产生电子崩。在电子崩的前端汇聚许多电子以及离子，以至于前方的电场强度越来越强，内部光子电离过程以及复合的过程进行一步加强，进而导致许多光子的出现。由于出现的光子的影响，导致光致电离的发生，产生相对复杂的流注放电。

3局部放电检测及定位技术

（1）脉冲电流法

脉冲电流检测法是通过检测局部放电时产生的脉冲电流放电量大小直接检测。其基本原理是伴随着绝缘介质中局部放电的产生，放电电荷的转移在放电回路中形成脉冲电流信号，可通过测量被检测设备的外电路中所流过的脉冲电流来检测放电信号。此方法的优点是能够对测量回路进行校准，进而对视在电荷进行定量测量，有标准，应用技术成熟，灵敏度较高。测量视在放电量时，传感频率在kHz量级，放电量标定受放电电流脉冲陡度、标定源脉冲陡度和电路杂散参数的影响可忽略，而测量频率太高会对标定精确性有着很大的影响。然而此方法也存在一些弊端，主要是脉冲电流法无法对局部放电源进行定位，不能带电检测。此方法在检测过程中对实验电压源的要求很高，需要完全没有局部放电的电压源才能准确测量，同时，还需要配备耦合电容器等很多大型仪器设备，所以不具备现场多检测点检测的条件。

（2）UHF检测法

UHF检测法是近几十年广泛使用的一种极为有效的在线检测方式。由于不同类型的局部放电具有不同的电磁暂态频谱，而GIS内六氟化硫气体绝缘强度和击穿场强都很高，当在很小范围发生局部放电时，因气体击穿过程很快而产生很陡的脉冲电流信号(上升沿<1ns)，可以激发出频率高达300MHz～3GHz的电磁波，可以通过导体和外壳组成的同轴结构在GIS内传播以减小信号的衰减，并且可通过盆式绝缘子等非金属部件(一般为环氧树脂材料)辐射出去，泄露到GIS外部空间。所以此检测方法是通过装设在GIS内部或外部的UHF传感器对由局部放电激发的高频率电磁波信号进行间接检测从而可以获得局部放电相关信息，实现GIS局部放电带电检测、定位以及缺陷类型识别等。电力设备中的一些局部放电类型具有较低的电磁暂态频谱，如绝缘沿面长间隙放电等。信号传感频段过高，将减小对一些类型局部放电的检测灵敏度。在满足抗干扰要求的前提下，应该避免选择过高的传感频段，获得对更多类型局部放电检测的灵敏度。

（3）超声波检测法

超声波检测法是目前国际上对GIS设备内部绝缘缺陷最有效果、最广泛采用的状态检测方法之一，既可在GIS耐压试验中进行局部放电检测，又可在现场带电检测。当GIS内部发生局部放电时，会同时伴随着冲击振动及有爆裂状的声发射，产生超声波信号，可以将其看成点声源，且很快以球面波形式向四周介质传播扩散并传导到GIS设备外壳，波长较短、方向性较强，能量较为集中。又由于六氟化硫气体以只能传播纵波，因为纵波的介质质点振动方向与超声波的传播方向一致，所以超声传感器在外壳接收到的是纵波。因此，可以通过利用安装在GIS设备外壁上任意位置的超声波传感器来检测局部放电产生的超声波信号，并将超声波信号转换为电信号，分析局部放电特征，进而实现对GIS设备的局部放电情况的测量。

4案例

对某110kV变电站运行中的GIS设备采用超高频法和超声波法进行检测，发现局部放电信号，如下图所示，超高频和超声波信号都表现出较好的相位一致性。放电信号主要集中在第一象限和第三象限，即在施加电压的上升沿，这可能是因为气隙类缺陷发生局部放电时，主要表现为短时导通，相比其他类型放电，其每次放电熄灭后形成的残余电荷空间密度较大，中和及附着的效率较低，致使下次放电发生所需的施加电压值降低，从而造成放电信号相位的偏移。通过幅值比较法和时差定位法诊断放电源位于112PT刀闸气室，停电开盖检查验证了定位结论，发现112PT刀闸与MOA连接处接触不良，基座上存在大量粉尘，说明导体杆与基座之间的气隙产生了放电。

图1局部放电检测信号图谱

5结论

GIS局部放电检测技术在现场已得到了广泛的应用，并已检测发现众多设备缺陷，极大的确保了设备安全稳定运行。GIS局部放电在线监测及智能化带电检测仍是后续局部放电检测技术发展的重点及难点。

参考文献：

[1]李德,郭海.GIS设备局部放电故障多维度诊断方法研究[J].科技创新与应用,2019(11):136-137.

[2]刘大永,滕桂法.气体绝缘全封闭组合电器局部放电诊断仿真[J].计算机仿真,2019,36(03):120-123+178.

作者简介：

梁暖祥，（1975-），男，本科，助理工程师，高级技师，从事变电运行工作，E-mail:liangnuanxiang@163.com