UHF检测方法在GIS局放带电检测中的应用分析

【摘要】本文主要介绍了GIS内部局部放电的常见类型，并对GIS常见的几种分析方法进行比较，同时重点介绍了特高频检测方法及几种放电类型的典型放电图谱，并介绍如何利用UHF方法进行系统的监测应用。

【关键词】GIS局放;带电检测;UHF;放电类型特征

1.GIS概述

GIS具有空间体积小、占地面积少、不受外界环境影响、运行安全可靠、有利于环境保护、配置灵活和维护简单、检修周期长等优点，而且在技术上的先进性和经济上的优越性，现在已经广泛应用于各个高压输变电系统中。但GIS的内部存在局部放电缺陷时，随着运行时间，缺陷导致老化，直到事故的发生。因此GIS能否正常运行已经影响到整个电力系统的安全和稳定，且因GIS的结构特点和变电站现场的电磁环境经常限制常规局部放电检测试验，造成在现场条件下的GIS局部放电检测和定位难以有效进行。而且目前不断有GIS达到规定的免维护运行年限，如何进行这些设备的维护已是实际面临的迫切问题。

目前针对局部放电的检测方法主要有：光学检测法、化学检测法、声学检测法、耦合电容法等。本文主要介绍目前应用较广泛的UHF检测方法，该技术能够在GIS正常运行和无需拆动GIS任何部件的条件下，检测和定位其内部的局部放电，能够屏蔽变电站环境中的主要电磁干扰，包括空气中电晕放电的干扰，同时通过相关的图谱判断GIS中可能的主要局部放电类型。该技术的应用能够帮助及时发现GIS的绝缘缺陷，避免绝缘故障;能够弥补常规局部放电检测的不足，为GIS局部放电检测和定位提供新的手段;能够帮助实现GIS绝缘状态维修，减少停电时间和节省维修费用，具有重大的经济意义。

2.检测原理介绍

2.1 局部放电概述

局部放电为导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电，一般是由于绝缘体内部或绝缘表面局部电场特别集中而引起的。局部放电是一种复杂的物理过程，除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、声音、超声波、光、热、气体以及新的生成物等。从电性方面分析，产生放电时，在放电处有电荷交换、有电磁波辐射、有能量损耗。

局部放电对电气设备绝缘会产生严重的危害，主要表现在由于放电产生的局部发热、带电粒子的撞击、化学活性生成物以及射线等因素对绝缘材料的损害。这种对绝缘的破坏作用是一个缓慢发展的过程，对运行中的高压电气设备是一种隐患。

图1 树脂绝缘中的气隙

2.2 GIS局部放电常见的原因

GIS是封闭式气体绝缘组合电器的简称。其绝缘系统的特点是在一个金属封闭体内充满SF6气体，用绝缘子把载流导体支撑在外壳上。由于GIS内工作场强很高，就可能产生下述几种局部放电。

（1）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树脂绝缘内部的气隙，如图1所示。

（2）GIS设备内残留自由导电微粒：如由于生产制造过程中遗留在SF6中金属碎屑、金属颗粒等导电微粒在强电场下产生移动的局部放电，这是较为普遍存在的一种缺陷。如图2所示。

图2 自由导电颗粒

（3）GIS设备中的导体表面存在突出物：如毛刺、尖角、设计不合理等，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。如图3所示。

图3 电晕

（4）GIS设备内的导体接触不良等。如图3所示。

图4 高压导体接触不良

（5）绝缘体表面的导电颗粒引起的局部放电。如图5所示。

图5 表面导体颗粒的放电

2.3 UHF检测方法

GIS内部发生局部放电时，其产生的放电脉冲上升时间和持续时间相当短暂，一般只有几个ns，其对应的信号频域十分宽广。在传播时，不仅会以横向电磁波（TEM）形式传播还会建立高次横向电波（TE）和横向磁波（TM）。横向电磁波为非色散波，可以以任何频率在GIS中传播，但频率越高TEM衰减一般越快。高次横向电波（TE）和横向磁波（TM）则具有各自的截止频率，当且仅当信号频率高于截止频率时才能进行有效的传播。

由于GIS的同轴结构本身是一个良好的波导，电磁波信号在内部的衰减很小，一般300MHz～3GHz的电磁波信号可以在内部有效传播，但又可以从GIS的盆式绝缘子连接处泄露出来。因此通过接收这些电磁波信号并进行分析，从而判断有无局部放电和可能的局部放电类型。目前主要是采用内置式UHF传感器（internal sensor）或外置UHF传感器（external sensor）检测GIS内部的局部放电。

图6 UHF检测示意图

目前发达国家经过多年的运行，为应用超高频法研究GIS局部放电提供大量可靠的数据和经验，如在英国所有新投入运行的GIS都被指定安装用于超高频监测的内部传感器。但对于早期或已经投运的GIS设备安装内置式传感器是不可行的，只能采用外置式传感器。相比内置式，外置式传感器的灵敏度相对较低一些，但安装灵活、不影响系统的运行、安全性高，因而目前也得到了广泛的应用。

2.4 其他的检测方法

研究表明，GIS中的局部放电会产生电磁波信号，而且接地线上有放电脉冲电流流过，捅死在GIS气体中产生纵波或超声波，也可导致六氟化硫气体分解或发光。放电过程中的这些物理和化学变化特征都可作为局部放电检测信号的传感对象。除了上述介绍的UHF检测方法外，目前还有以下几种常见的检测方法。

（1）耦合电容法又称脉冲电流法

一般在GIS外壳上敷设绝缘薄和金属电极，外壳与金属电极间构成一个电容，可将高频放电信号耦合至检测阻抗上。该法结构简单，便于实现。但在现场测试时，容易受各种噪声干扰。此外还有内部电极法和外接电流传感器两种方式。

（2）超声波监测法

由于GIS内部产生局放时会产生冲击振动及声音，因此可用腔体外壁上安装的超声波传感器测量局放量。这种方法抗电磁干扰性能好，但由于声音信号在SF6 气体中的传输速率很低（约140m/s），信号通过不同物质时传播速率不同，不同材料的边界处还会产生反射，因此信号模式很复杂，且其高频部分衰减很快。它要求操作人员须有丰富经验或受过良好的培训，另外长期监测时需要的传感器较多，现场使用很不方便。

（3）化学监测法

通过分析GIS中局放所引起的气体生成物的含量来确定局放的程度，但GIS中的吸附剂和干燥剂会影响化学方法的测量;断路器正常开断时产生的电弧的气体生成物也会产生影响;脉冲放电产生的分解物被大量的SF6 气体稀释，因此用化学方法监测PD的灵敏度很差。另外，该方法不能作为长期监测的方法来使用。

（4）光学监测法

局部放电过程中产生光子，因此利用安装在GIS中的光电传感器进行光测量来评价局部放电的强弱，这也称为光电法。光电传感器可监测到甚至一个光子的发射，但由于射线被SF6 气体和玻璃强烈地吸收，且随着气体密度的增大而吸收能力越高，因此容易有“死角”出现，所以一般需要大量的传感器。该法监测已知位置的放电源较有效，不具备定位故障能力，且由于GIS内壁光滑而引起反射带来的影响使灵敏度不高，但这种方法不存在电磁干扰问题。

将以上4中检测方法和UHF检测方法进行对比，可以得到表1的信息。

表1 不同检测方法比较情况

监测方法 优点 缺点 适用性 精确定位 故障识别 应用范围

UHF法 灵敏度高 价格高 各种类型局放 能 能 较广

耦合电容法 结构简单

灵敏度高 信噪比低 固定微粒、悬浮物、气隙和裂纹 不能 能 早期应用较广

超声波法 灵敏高，抗电磁干扰能力强 结构复杂 自由移动的微粒、悬浮物 能，但传感器数量要求较多 能 较广

化学法 不受电磁干扰 灵敏度差 严重放电缺陷 定位到气室 不能 较少

光测法 不受电磁干扰 灵敏度差 固定微粒、针状突出物 粗略定位 不能 较少

表2 典型缺陷类型的图谱特征

缺陷类型 放电图谱特征规律

带电导体上的尖端 信号幅值不高，放电集中于外加电压的峰值附近，负半周局放幅值明显高于正半周，局放首先发生在负半周峰值处，随着电压的增加，正半周峰值出也出现局放，同时局放的相位带也随之变宽，放电量也会略有增加。

壳体上的尖端 信号幅值不高，放电量集中在外加电压的峰值附近，正半周局放幅值明显高于负半周，局放首先发生在外加电压正半周幅值处，随着电压的增加，负半周峰值处也出现局放，出现局放的相位带也随着电压的增加而变宽。

自由金属颗粒 信号幅值高，外加电压瞬时值高时，局放幅值也高，局放可发生在任何相位，局放图谱呈现与外加电压相对应的两个正弦半波，局放的发生分布也较均匀。

悬浮电位 信号幅值高，幅值分布较分散，局放主要发生在外加电压幅值附件。

粘在绝缘子上的颗粒 信号幅值不高，局放在电压零点前出现，电压上升段局放发生率明显高于下下降段，局放相位与外加电压相位会出现偏移。

盆式绝缘子中的缺陷 信号幅值高，局放相位与外加电压相位有偏移，电压上升段局放发生率明显高于下降段。

2.5 定位方法研究

另外通过采用UHF传感器检测时，一般还可以进一步进行局部放电的初步定位，具体的主要方法包括以下几种：

（1）信号幅值衰减定位

UHF信号传播过程中衰减比较快，离开放电源的距离不同，放电信号的幅值显著不同。通过比较UHF放电信号的幅值可以进行放电定位。但这种方式的定位比较粗略。

（2）平分面法

如果在很大的空间范围内都能够检测到放电信号，则首先可以通过信号幅值衰减定位对放电源进行粗略的定位。定位的平分面法一般是首先选择一个方位，调整传感器和的位置，直到两传感器信号的时差为零，即两信号同时到达。此时表明放电源处在、两点的平分面上。以此类推换一个方位进行同样的测量，可得另一个平分面。依此方法，，可得若干个平分面。从理论上分析，三个平分面交于一点，该点即可确定为放电源的位置。

（3）信号时差定位

UHF局部放电脉冲电磁波信号具有ns时间量级的起始沿，采用多个UHF传感器同时测量，能够测得ns量级的脉冲时差，由此可实现m量级准确度的放电源定位。

2.6 UHF抗干扰的主要方式

由于外置式UHF传感器检测的是电磁信号，因此实际应用时主要需考虑如何对变电站的电磁干扰进行处理问题。目前主要采用的抗干扰基于以下原理：

（1）电力系统中的干扰信号，包括空气中电晕放电的干扰，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150MHz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10m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。

（2）UHF信号传播过程中衰减比较快，一处的UHF干扰信号只能局限在比较小的范围，不会产生大范围的影响。因此，采用局部放电UHF传感，可以减小电力设备之间相互的放电干扰。

（3）基于局部放电UHF脉冲电磁的时差可以进行局部放电定位，有效区分设备内部的局部放电和设备附近的放电型干扰。

（4）在盆式绝缘子外层包装屏蔽橡胶等对外界的电磁信号进行屏蔽，保证测试到的信号主要为GIS内部局放产生的信号。

简而言之，采用UHF检测方法能够与空气中电晕放电的频带完全错开，有利于降低干扰的影响，可以获取故障信号的特征，容易实现故障类型鉴别，整个系统应用简单。

3.不同绝缘缺陷类型的特征

如表2所示，GIS可能出现不同类型的局部放电，如浮电位部件放电、金属颗粒放电、尖端放电、固体绝缘内部缺陷放电等。局部放电类型识别主要依据放电信号的波形特征，这些波形来自于实验室模拟试验和已被验证了的现场检测。在局部放电在线检测中，如果检测到放电信号，并确定为GIS内部的局部放电，则可以把所测波形和给定的局部放电波形进行比较，确定其局部放电的类型。以下为GIS局部放电典型故障图谱特征。

4.实际应用方法

针对以上的分析，在线式GIS局部放电监测系统可以基于UHF检测方法进行GIS局放的长期在线监测应用。系统应由外置式UHF传感器、采集前端和专家系统服务器组成，多个采集前端可以构成分布式监测系统，同时对多个设备进行在线监测，且可以根据现场需要进行扩展，可以适合不同规模的变电站的GIS设备的在线监测。整个系统的主要结构如下图所示。

图7 实际应用系统结构图

现场使用外置式UHF传感器进行GIS局部放电的实时在线监测时，一般应对每个GIS间隔安装1个UHF传感器，如有条件则可以在所有的盆式绝缘子法兰盘处均安装UHF传感器。同时应在安装的法兰盘上加装屏蔽橡胶，以尽可能减少外界的电磁干扰，如图8所示。

图8 UHF传感器安装示意图

数据采集应将传感器送来的实时信号进行适当的预处理，将信号幅度调整到合适的电平;对混叠的干扰采用滤波器、极性鉴别器等硬件电路进行抑制，以提高信噪比，该过程的实现一般是在计算机的程序控制下进行的。为了满足测量精度，系统应配有很高采样速度和转换精度位数的采集装置，以及适当的通道数，传感器与采集通道的连接一般可以通过同轴电缆进行连接。如图9所示，为现场使用时系统使用的采集前端示意图，该前端可以同时连接8个UHF传感器。

图9 数据采集前端示意图

数据处理时系统采用快速傅立叶变换及小波变换等方法，能够更有效地从复杂的干扰杂波中提取微弱的不规则被测信号。当把采集的数据进行傅立叶变换，将时域函数变为频域函数后，就可以得到更多的特征量，如幅值、频率、谐波等等，以利于对被测信号进行分析与判断。总之，从本质讲，上述变换都是一种滤波技术。通过滤波抑制干扰信号，分离出被处理与分析的监测信号，进而提高信噪比。获取反映设备状态的特征值，为诊断提供有效的依据。最终在线式GIS局部放电监测系统的数据诊断软件通过收集和分析来自传感器节点的数据，采用友好的人际界面，可以提供脉冲识别、特征谱图分析等多种抗噪手段;并结合后台专家系统结合SQL数据库，保存所有局部放电的特征数据，同时使用数据统计和智能诊断技术，对所有历史信号进行分析，给出高置信度的诊断结论并给出相关维护建议。如图10所示，为现场应用的系统主屏柜和软件的指纹库示意图。

图10 现场应用的系统主屏柜和软件的指纹库示意图

5.总结

电气设备绝缘在线监测技术是电气设备由传统的“计划检修”向先进的“状态维修”过渡的技术手段，具有巨大的社会经济效益和广阔的发展前景。而GIS的状态检修对提高电力系统的供电可靠性具有重要的现实意义，基于UHF检测方法的GIS局部放电在线监测系统采集性能稳定可靠，检测灵敏度高，可以全天候自动监测GIS变电站多点局部放电信号的变化，并对信号的进行多种分析同时可以判断放电类型，现场应用方便。同时通过现场运行，GIS局部放电的UHF检测方法为状态检修提供大量的可靠数据，取得了良好的监测效果，且适合在GIS变电站应用，在整个电网安全的维护中具有广泛的推广价值，对于电网的安全运行具有无比重要的作用，是未来“状态检修”的必然趋势。

参考文献

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[4]钱勇.基于超高频法的GIS局部放电在线监测研究现状及展望[J].2005（1），40-43.

作者简介：

汪滔（1976―），男，贵州遵义人，学士，工程师，现供职于云南电网公司楚雄供电局，从事变电运行生产技术管理工作。

张尔健（1972―），男，云南武定人，学士，工程师，现供职于云南电网公司楚雄供电局，从事变电运行生产技术管理工作。

杞海燕（1973―），女，云南武定人，学士，工程师，现供职于云南电网公司楚雄供电局，从事变电运行生产技术管理工作。

赵思明（1973―），男，云南楚雄人，工程师，现供职于云南电网公司楚雄供电局，从事变电运行生产技术管理工作。