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GIS局部放电带电测试特性研究

范文

刘嘉琪

摘要：GIS对电网的安全稳定运行有很重要的作用。因此，有必要研究其运维策略，提高高压电气设备运行可靠性，确保电力系统的正常稳定运行。本文从带电测试的角度对目前GIS故障诊断的类型以及局部放电检测方法进行分析。

关键词：GIS；带电测试；局部放电检测

1、 GIS局部放电带电测试原理

电力设备的绝缘系统中，只有部分区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，即尚未击穿，这种现象称之为局部放电。它是由于局部电场畸变、局部场强集中，从而导致绝缘介质局部范围内的气体放电或击穿所造成的。它可能发生在导体边上，也可能发生在绝缘体的表面或内部。局部放电是一种脉冲放电，它会在电力设备内部和周围空间产生一系列的光、声、电气和机械的振动等物理现象和化学变化。GIS内部的局部放电在空间产生电磁波，在接地线上流过高频电流，使外壳对地呈高频电压。同时，所产生的机械效应使管道内气体压力骤增，产生声波和超声波，并传到金属外壳上，使外壳产生机械振动。另外，局部放电产生光效应和热效应可使绝缘介质分解。总之，这些伴随局部放电而产生的各种物理和化学变化可以为监测电力设备内部绝缘状态提供检测信号。

目前，GIS绝缘带电测试最方便有效的方法就是局部放电检测。局部放电既是GIS绝缘劣化的征兆和表现形式，又是绝缘进一步劣化的原因。由于绝缘击穿的后果经常比较严重，因而受到国内外的关注。显然，对GIS进行局部放电检测能够有效地发现其内部早期的绝缘缺陷，以便采取措施，避免其进一步发展，提高GIS的可靠性。它还可以弥补耐压试验的不足，通过局部放电在线监测能发现GIS制造和安装的“清洁度”，能发现绝缘制造工艺和安装过程中的缺陷、差错，并能确定故障位置，从而进行有效的处理，确保设备的安全运行。因此，开展GIS局部放电带电测试具有十分重要的现实意义。

2、 GIS内部缺陷种类及其放电特征

造成GIS内发生局部放电的原因往往是多方面的，影响介质性能的缺陷主要有严重的装配错误、自由金属微粒、导体之间电气或机械接触不良、電极突出物、绝缘子缺陷、SF6中混有水蒸气等几类。任何一种缺陷可能单独发生，也可能其中某几种同时发生，各种缺陷内部示意如图1所示，掌握GIS内部的缺陷类型特征，研究各种缺陷的严重程度，将GIS内的局部放电类型进行分类，对于GIS的检修工作有着重要的现实意义。

3 、GIS局部放电带电检测的方法比较

GIS的局部放电带电检测主要包括以下几种方法：

3.1 耦合电容法

该方法又称为脉冲电流法，它利用贴在GIS外壳上的电容电极耦合探测因局部放电而在导体芯上引起的电压变化。该方法结构简单，便于实现。但是，在现场测试时，无法识别与多种噪声混杂在一起的局部放电信号，因此，这种方法的使用推广受到了很大限制。

3.2 超高频法

超高频法是近年来发展起来的一项新技术。UHF法测量的频率范围300 MHz～3 GHz（目前，国内外GIS局部放电的现场实测中频率不超过1.5 GHz）。它采用测量GIS内绝缘隐患在运行电压下辐射的电磁波来判断GIS内是否发生局部放电，该方法可以非接触测量及在线监测。UHF法检测基础是高压SF6气体中局部放电总是在很小的范围内发生，具有极快击穿时间的特性。这种快速上升时延的局部放电脉冲含有从直流到超过1 GHz的频率成分。同轴结构的GIS是一个良好的波导结构，超高频电磁波可在其内部有效地传播，而且信号衰减相对很小。电力系统的电晕放电等主要电磁干扰信号的频率一般在150 MHz以下，而且，因其在空气中传播，衰减很快。另外，超高频段内的其他干扰也相对较少。因此，可选择超高频段的电磁信号作为检测信号，以避开常规电气测试方法难以避开的电力系统中的干扰，从而提高局部放电检测的信噪比。

超高频段信号虽抗干扰性能好，但该频段信号较弱，故需要较精密的仪器来测量和显示，该段信号的检测既可使用只有几兆赫兹带宽的窄频法，也可使用达几千兆赫兹带宽的宽频法。窄频法一般除了需要频谱分析仪外，还需要低噪音、高增益的UHF放大器来收集局部放电信号，在有特高频干扰的情况下比较适用，且要求仪器较精密。宽频法在一般的场合使用更广泛，它需要可达ns级采样率的示波器和截止频率为250～300 MHz的高通滤波器。UHF法的灵敏度依赖于传感器等测量装置的可靠性。局部放电信号的强弱及特性与产生的放电的缺陷类型和严重程度有关。局部放电信号强度和传感器与放电源距离的关系可确定局放源所在的隔室，不同位置传感器接收信号的时差可定位局放源，但方法需研究、完善。有关GIS局部放电的鉴别、定位还需更多试验。

超高频法测量GIS局部放电的首要条件是：局部放电电流波形有很陡的上升前沿，脉冲的持续时间只有几个纳秒，但微波在气室中的谐振时问达到毫秒数量级，使得在气室中多次谐振的频率最高可达1.5 GHz以上。GIS的同轴结构相当于一个良好的波导，信号在其内部传播时衰减很小。超高频放电脉冲的特征参数有信号的幅值、放电起始点和脉冲间隔，这些参数都可以用于缺陷识别。电力系统的电晕放电与SF6中的放电特征不同，空气中电晕脉冲的持续时间较长，波头上升较缓，其频率一般在300 MHz以下，信号在空气中传播衰减很快。这样使用超高频段检测GIS内部的局部放电信号，可以避开难以识别的GIS外部的电晕干扰，提高信噪比。在过去10余年里在300 MHz～1.5 GHz频段已经获得大量实践经验。在新修订的IEC60270及IEC60517标准中，均将这种方法作为GIS局放检测的主要方法之一。

3.3 超声波检测法

由于GIS内部产生局部放电信号的时候，会产生冲击的振动及声音，因此，可以用腔体外壁上安装的超声波传感器来测量局部放电信号。该方法抗电磁干扰性能好，但是，由于声音信号在SF6气体中的传输速率很低（约140 m/s），且信号中的高频部分衰减很快，信号通过不同介质的时候传播速率不同，且在不同材料的边界处会产生反射，因此，信号模式变得很复杂。

目前，在现场中工程技术人员往往更关心运行GIS的局部放电检测问题，特别是当放电量较大时，通过检测局部放电以确定GIS绝缘的损坏程度，而这种情况适合超声波法检测。另外，还有一些厂家生产的部分型号的GIS为全金属外壳，没有可以进行超高频检测的盆子，这部分GIS必须用超声进行GIS检测。超声波法检测GIS局部放电具有以下特点：

1）便于空间定位；

2）可实现利用超声波法进行模式识别和定量分析；

3）超声波法的进一步研究有望得到一些新的放电信息。

4、结语

GIS局部放电在线检测方法有多种。耦合电容法、光学监测法现场测试的灵敏度较低，其推广受到限制。化学监测法虽然在较大的闪络事故后，能检测SF6气体的分解产物，但受GIS结构限制，正常运行中脉冲放电产生的分解物不易检出。只能作为故障检测的辅助手段。超高频局放检测和超声波定位利用了GIS内部局部放电的宽频带、衰减特性，是检测GIS内部故障的最有效手段。超高频法容易发现内部固体绝缘件的缺陷和GIS内部导体的尖端等缺陷，且易于定位；但不易发现诸如简壁上有金属颗粒、棉线或发丝等异物，而采用超声波法则能有效检出这些故障。因此，现场测试若将超高频局部放电检测和超声波检测法结合使用，发挥各自的优点，有利于故障判别和定位。

参考文献：

[1] 邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术[M].北京：水利电力出版社，1994.

[2] 邱昌容，王乃庆，等.电工设备局部放电及其测试技术[M].北京：机械工业出版社，1994.

[3] 刘卫东，钱家骊.GIS内部局部放电的高频检测[J].电器技术，1993（4）：43—44.

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