浅谈特高频检测技术在GIS中的应用

浅谈特高频检测技术在GIS中的应用

许晓郭宁辉石碧薇

许晓郭宁辉石碧薇

（石家庄供电分公司河北石家庄050011）

摘要：本文依据现有GIS设备局部放电带电检测技术方法，针对性的论述特高频检测技术在GIS局放检测中的应用。从特高频检测技术在GIS带电测试中的检测基本原理出发，结合不同局部放电缺陷类型在GIS设备中产生脉冲特征量的不同，分析并判断GIS内部发生放电时可能局部放电缺陷类型。此外，结合时差定位法，对GIS设备中产生的局部放电源进行准确定位，为精确检修提供可靠的保证。

关键词：GIS；局部放电；特高频；故障诊断

引言

随着电力工业的发展，新建及改建变电站逐步向着集约、安全、可靠方向发展，常规户外变电设备在新建变电站当中的应用越来越少，气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）已经逐步取代了常规敞开式电力设备，成为未来电力变电设备发展的主方向[1]。随着GIS设备应用的不断深入，随之涌现出部分GIS设备运行中的问题，其中较为严重的是GIS设备内部的局部放电。现阶段GIS设备局部放电带电检测的主要方法包括特高频法、超声波法、化学检测法。超声波法主要应用压电陶瓷传感器，对电力设备发生局部放电时产生的超声波信号进行采集、处理和分析来获取设备运行状态的一种状态检测技术，该检测方法由于采用非电检测技术及超声信号传输能量集中，具有抗电磁干扰能力强、定位精确等优点，但由于超声检测技术对内部缺陷不敏感、受机械振动干扰较大、进行放电类型模式识别难度大几检测范围小等缺点，其应用范围收到了一定的限制[2]；化学检测法主要通过检测GIS设备内部发生局部放电时，SF6绝缘气体会发生分解产生一定的氟、硫化物，通过检测SF6分解产物达到检测GIS局部放电的作用。该检测方法在特高频法与超声检测法发现问题时予以辅助检测判定，其应用具有一定的滞后性[3]。本文将通过论述特高频检测技术基本原理、局部放电类型识别及故障定位，结合实际检测案例，分析特高频检测技术在GIS带电测试中的优越性，对避免电网运行故障，提高供电可靠性具有十分重要的意义。

1、特高频检测技术

特高频法检测技术主要是通过检测电力设备内部发生局部放电时的电流脉冲激励的频率高达数吉赫兹的电磁波信号来实现局部放电检测。特高频检测法因其检测频段高（通常为300-3000MHz），抗干扰能力强、检测灵敏度高等优点，广泛应用于GIS设备的局部放电类型的检测、定位和故障类型识别。

1.1特高频检测基本原理

图1GIS内特高频局部放电检测原理图

当GIS壳体中发生局部放电时（如高压导体上有针状突出物），因SF6气体中负离子释放电子而不需要场致发射电子，通常会发生脉冲电流。局部放电电流脉冲具有极陡的上升沿，其上升沿时间为纳秒级，激发起高达数GHz的电磁波，属于特高频波段，在GIS腔体构成的同轴结构中传播。根据现场设备情况的不同，可以采用内置式或外置式特高频传感器，GIS内部特高频检测法基本原来如图1所示。当电力设备内部绝缘缺陷发生局部放电时，激发出的电磁波会透过环氧材料等非金属部件或金属绝缘材料浇注口传播出来，便可通过外置式传感器进行检测[4]。同理，若采用内置式传感器，则可直接从设备内部检测局部放电激发出的电磁波信号，已达到GIS内部局部放电检测。

1.2放电缺陷类型识别与诊断[5]

（1）绝缘内部空穴或沿面放电缺陷

该类缺陷主要由设备绝缘内部存在空穴、裂纹、绝缘表面污秽等引起的设备内部非贯穿性放电现象，该类缺陷与工频电场具有明显的相关性，是引起设备绝缘击穿的主要威胁。该类放电具有放电次数少、周期重复性底，放点幅值比较分散，但放电相位较稳定，放电时间间隔不稳定，无明显极性效应。

（2）悬浮电位放电缺陷

悬浮电位放电是指设备内部某一金属部件与导体（或接地体）失去电位连接，存在一较小间隙，从而产生的接触不良放电。通常在产生悬浮电位放电时，悬浮部件往往伴随着振动，因此也可分为可变间隙的悬浮放电和固定间隙的悬浮放电。该类放电具有放电脉冲幅值稳定，且相邻放电时间间隔基本一致，当悬浮金属体不对称时，正负半波检测信号有极性差异。

（3）电晕放电缺陷

该类缺陷主要由设备内部导体毛刺、外壳毛刺等引起，是气体中极不均匀电场所特有的一种放电现象。该类缺陷较小时，往往会被逐渐烧蚀，对设备的危害较小，但在过电压作用下仍就会存在设备击穿隐患，应根据信号幅值大小予以关注。该类放电具有放电次数少，放点幅值分散性小，时间间隔均匀，放电的极性效应非常明显。

（4）自由金属微粒放电缺陷

该类缺陷主要由设备安装过程或开关动作过程产生的金属碎屑引起，随着内部电场的周期性变化，该类金属微粒表现为随机性移动或跳动现象，当微粒在高压导体与低压外壳之间跳动幅值加大时，则存在设备击穿危险。该类放电具有放电幅值分布较广，放电时间间隔不稳定，极性效应不应明显，在整个工频周期相位均有放电信号分布。

综上所述，基于不同放电类型产生不同的放电脉冲特征，应结合对应的典型放电特征图谱（常用为PRPD、PRPS）进行判定，从而诊断出正确的放电类型。

1.3时差法在放电源定位中的应用

放电源的准确定位能够极大的方便缺陷元件的查找及放电类型的诊断，提高检修工作效率[6]，放电源的定位往往应与干扰信号的排除综合进行。时差定位法的基本思想是距离放电源最近的传感器检测到的时域信号最超前。具体的时差定位适用于采用高速数字示波器（一般采集频率为4GHZ）的带电检测装置，定位方法如图2所示。

图2GIS中时差法定位局部放电源位置示意图

将传感器分别放置在GIS上两个相邻的测点位置，根据放电检测信号的时差，利用式（1）即可计算得到局部放电源的具体位置。

（1）

式中：为放电源距离左侧传感器的距离，；为图2中两个传感器之间的距离，；为电磁波传播速度（即光速），；为两个传感器检测到的时域信号波头之间的时间。

2、特高频检测技术在GIS中的实际应用

2.1现场检测

基于特高频检测技术原理，应用上海华乘特高频检测仪器PDS-T90于邯郸市某220kV变电站进行了特高频局部放电带电检测，在某间隔-2隔离开关母线侧隔盆、-1隔离开关与-2隔离开关间隔盆处发现较强的特高频信号，PDS-T90检测图谱（PRPD、PRPS）如图3所示。

图3特高频检测PRPD、PRPS图谱

2.2特高频信号特征分析

根据文中1.2所述，从图3中PRPS图谱可以看出，一个周期内出现了两簇幅值相对稳定的放电脉冲信号，相邻放电时间间隔基本一致，且极性效应明显，初步判断该气室内部存在着悬浮电位放电。

2.3放电源定位

（1）排除外部干扰

定位前，首先要确定该特高频来自有信号的盆子所在气室内部，而非来自外部干扰。在空气中放置两个背景干扰传感器，在所测特高频信号较大的绝缘盆子上放置一个传感器，应用高速示波器采集传感器信号，结果放置空气中的两个传感器没有采集到任何信号，置于绝缘盆子处的传感器采集到高频信号，说明该高频信号不是来自于外部干扰，而是由于内部放电所致。示波器采集信号图谱如图4所示，图中红色信号为被测绝缘盆子所在传感器所测信号，黄、绿信号为空气中传感器所测信号。

图4局部放电源定位排除干扰图

（2）基于时差法定位放电源

应用时差法定位思想，在所测绝缘盆子特高频信号较大处分别固定传感器，如图5所示，应用高速示波器（信号采集频率4GHz）采集黄、绿、红三个传感器信号，读取采集所得各信号波头之间的时差，如图6所示。量取各传感器之间的距离，结合公式（1）计算放电源的位置。

图5现场测量特高频传感器位置布置图

图6示波器定位时差图

从图6中可以看出，黄、绿两传感器接收信号的时差为400ps，根据图5中黄、绿两传感器所测距离，有公式（1）得：

根据计算结果，放电源距离-2隔离开关母线侧隔盆36cm处，依据该气室内部结构图，放电源大概位于隔离开关动静触头接触位置，可能的原因为隔离开关触头松动引起的悬浮放电。

3、总结

本文介绍了现有常用GIS设备局部放电带电检测的方法，详细介绍了特高频检测技术在GIS局部放电带电检测中的应用，分析了不同类型局放具有的信号特征，以利于不同类型局放缺陷的识别。结合现场实际检测应用，对检测结果进行进一步分析，得出被测GIS设备某气室中存在着疑似悬浮电位放电。特高频检测技术在GIS设备局放中的应用，具有快速、准确、可靠性高等优点，逐步占据了GIS局放带电检测的主导地位，对提高GIS设备可靠运行具有现实而重要的意义。

参考文献：

[1]汲胜昌．GIS局部放电检测用特高频天线研究现状及发展[J]．高压电缆，2015（04）：163-172．

[2]李信．GIS局部放电特高频检测技术的研究[D]．北京：华北电力大学，2005．

[3]刘昌标．GIS特高频局部放电特征量优选及类型识别研究[D]．北京：华北电力大学，2015．

[4]林立峰．GIS特高频局部放电在线监测与诊断系统研究与应用[D]．四川：电子科技大学，2009．

[5]汤何美子．基于特高频法的GIS局部放电典型缺陷类型放电特性的研究[D]．山东：山东大学，2013．

[6]王彩雄．基于特高频法的GIS局部放电故障诊断研究[D]．北京：华北电力大学，2013．