超高频和超声波联合法在运行GIS设备局放检测中的应用

摘要：本文主要介绍了GIS局放产生的原因、现阶段检测局放用到的几种方法及各自优缺点，介绍了超高频和超声波联合检查法的基本原理及步骤。

关键词：GIS局放 超高频 超声波 联合检测

1 概述

近年来，随着电力工业对可靠性要求的提高、社会发展对资源节约要求的提高以及电力市场对降低运行费用要求的提高等方面的原因，GIS变电站的数量不断增加。由于其危险性大，结构复杂，造价高，因此其故障后果是很严重的。

经过多年统计研究证明，GIS设备的故障中以绝缘故障为主。而设备的局放往往是绝缘性故障的表现形式及其先兆，局放使得SF6气体分解，影响电场分布，使电场发生畸变，腐蚀绝缘材料。因此，局放的检测是减少GIS设备故障的有效手段。

2 GIS局放产生的原因

GIS中有可能出现的主要绝缘缺陷可以总结为以下几个方面：①自身固有缺陷，包括由于制造不良或安装损坏等造成的导体和外壳内表面上的金属突起，以及在固体绝缘表面上的金属微粒。其中，金属突起会导致毛刺而且毛刺较尖。在工频状态下是不会被击穿的，但是在快速电压冲击、快速暂态过电压条件下却很危险。②绝缘子在制造过程中可能产生的内部空隙或是由于实验闪络引起的表面痕迹，此外还包括由于金属电极与环氧树脂的收缩系数的不同而形成气泡或空隙。这些GIS设备的绝缘缺陷很有可能会在GIS设备中产生局部放电甚至会腐蚀绝缘材料，并最后导致绝缘击穿。③传导部分的接触不良。比如说静电屏蔽还有其它浮动部件。这个原因产生的放电可能性非常大，但是通常都易于检测。④GIS的自由金属微粒。金属微粒是GIS中最普遍的微粒，它有积累电荷的能力。在制造、装配以及运行中均有可能产生。金属微粒在交流电压场的影响下会移动，一般情况下运动与放电的可能性是随机的。放电最可能在靠近高压导体但并没有接触时发生，且放电可能性比为固定物的同样微粒高10倍左右。

3 可用于GIS设备局放检测的方法及其优缺点

对局放研究的结果表明，局部放电发生时会有物理的、化学的、电的效应，原理上讲，任何一种现象都可用来揭示局放现象。局放的检测手段也就有了电的和非电的两大类。非电的方法包括光学方法、化学方法以及声学检测法。光学方法检测结果容易分析，对GIS而言是利用视窗来观察内部的放电。此种方法本是最敏感的，因为光电倍增器可以检测到甚至一个光子的发射，但是由于射线会被SF6气体或者绝缘子吸收，而且GIS设备光滑内壁的反射也会影响检测结果，因此这种方法灵敏度较低，局限性较大。化学的方法是利用放电会使气体分解从而产生新的成分，通过测量气体生成物的含量来判断是否有局放发生。但是设备本身的干燥剂和吸附剂可能影响检测结果，还有断路器合跳时产生的电弧也会使气体分解。所以这种方法也有一定的局限性。声学检测法即利用GIS设备局放激发的声音信号中含有比较宽的带宽，可以在GIS外壳上用加速度传感器或者超声波传感器检测到。其优点是传感器与设备没有电气方面的联系，可以不用考虑电气回路的干扰，而且还能对局放源进行定位。电的方法包括常规方法和超高频法，其中常规方法包括电极法、测量通过地线电流的方法以及在绝缘子内预埋电极的方法，但是这些在检测时，要么干扰信号导致无法判断，要么影响GIS设备的正常运行，要么两者都有。这样就使得超高频法比较被重视。

下面主要介绍超声波法和超高频法。

3.1 超声波法 GIS设备发生局放时分子间会剧烈碰撞并在瞬间形成一种宏观上压力，从而产生超声波脉冲，该信号波长较短，方向性较强，因此它的能量较为集中。超声波在气体中衰减很大，在金属中衰减不大。

在超声波传播的过程中，由介质的吸收效应导致高频分量衰减、不同介质的传播速率差异以及在边界处产生的折射、反射，都会对接收到的脉冲信号产生影响。因此检测的有效性和灵敏性取决于局部放电的类型和能量大小以及声信号在不同介质中的传播特性和具体的传播路径。

超声波检测法的优点是设备使用简便。通过比较信号的幅值可以定位到缺陷发生的腔体甚至精确到厘米范围内。缺点是易受周围环境的影响，特别是设备本身运行中具有的振动，对超声波检测影响很大。在定位缺陷时，需要逐点测量GIS，工作量非常大。

3.2 超高频法 采用超高频法检测GIS设备局放是20 世纪80 年代初期由英国中央电力局开发出来的，该方法由Scottish Power 于1986 年最先引进并应用在英国的Torness 420kV 的GIS 设备上。

运行中的GIS 内部充有SF6气体，其击穿场强和绝缘强度都很高。当局部放电发生在很小的范围内时，气体击穿过程会很快，会产生很陡的脉冲电流。放电脉冲持续时间为几ns，其波头上升时间仅1ns 左右，激发的电磁波频率可达GHz。

局放激发的超高频在同轴波导中传播时，不仅以横向电磁波（TEM）形式传播，而且还会以横电波（TE）和横磁波（TM）形式传播。横向电磁波（TEM ）可以以任何频率在GIS 中传播，但当其频率在100MHz以上时，会随着频率的增高衰减很快。而横电波（TE）和横磁波（TM）则各自具有下限截止频率fc，当信号频率小于截止频率时，其衰减很大；当信号频率大于fc 时，基本上无衰减。

超高频法是把GIS设备看做是具有不连续点的同轴波导，局部放电产生的短脉冲所激发的电磁波在其中传播，传感器作为天线接收此电磁波，并对其进行分析，实现故障定位和模式识别。超高频法具有灵敏度高、抗干扰能力强、可识别故障类型及进行定位等优点。

4 超高频和超声波联合法测GIS设备局放

根据上面的介绍，根据现场运行的GIS的结构特点，采用UHF法与超声波法联合测试法(声电联合法)对GIS进行局部放电在线监测是最好的手段。超高频法和超声波法都可以带电检测，而且不必改变设备的运行方式。这两种检测方法都比较简便实用。通过这两者的比较可以看出：超高频法抗干扰性能强，对电信号灵敏性强，但实现设备缺陷的精确定位比较困难；而超声法则可实现设备缺陷的精确定位。两者联合使用，可以相互取长补短，是实现对GIS局部放电准确检测的重要手段。

超声波和超高频联合检测系统，将超高频传感器固定在盆式绝缘子上，超声波传感器安装在外壳上。传感器检测到的局放信号输入到PD检测系统进行检测，PD检测系统包括信号放大器，信号采集前段以及专家系统。传感器检测到的局放信号先经过信号放大器，然后进入信号采集前端，经过采集前段处理后进入专家系统进行分析。

使用超声波和超高频联合法检测GIS设备局放的步骤为：①进行超高频信号的检测。在GIS盆式绝缘子上放置超高频传感器，测量电磁波信号，判断是否有电磁波的存在。②进行超声波信号的检测。在GIS外壳上放置超声波传感器，测量超声波信号，判断是否有超声波的存在。③根据出现的几种不同情况进行进一步的判断。大概情况有以下几种：a超高频信号和超声波信号都存在。这时应同时进行粗定位和精确定位。粗定位用超高频法，精确定位用超声波法。若两者都定位在同一腔体内且表现基本一致，则可以判断该腔体内有局放现象，存在绝缘缺陷。应根据具体情况进一步检测或采取措施。b只有超声波信号没有超高频信号。这时应使用超声波法在超声信号最强的部位进行精确定位。通过设备结构及具置进行分析。判断是否是设备的结构或者设备本身的正常振动导致超高频信号衰减很大，不能通过位置测量到。同时设备进行重点跟踪观察。c只有超高频信号没有超声波信号。这时应该通过改变UHF传感器的位置摆放、信号的频率分布、传感器绝缘缺陷的方向性来判断是否存在另外的干扰源或者是周围设备发生了局部放电。并对该设备进行重点跟踪观察。d超高频和超声波信号都没有。这时可以判断没有局放的发生。

5 结论

GIS局放定位以超高频和超声波联合检测法为优，两者互相补充，充分发挥各自优势，避免各自不足做到对GIS局部放电进行准确的检测。其中，放电的初步定位采用超高频法，准确定位采用超声波法。在使用中应该注意对超声和超高频检测的结果注意进行对比，在比较的基础上做出判断，对任何一种方法进行的测量结果都要进行仔细分析，同时对不能立即判定的设备进行重点跟踪检测。使用超高频时避免电晕干扰，使用超声波时避免振动干扰。尽量做到局放判断的准确。

作者简介：

靳键云（1961-），男，河北正定县人，1984年毕业于山西电力学院发配电及其自动专业化，工程师，主要从事科技研发工作。