GIS局部放電帶電測試特性研究

劉嘉琪

摘要：GIS對電網的安全穩定運行有很重要的作用。因此，有必要研究其運維策略，提高高壓電氣設備運行可靠性，確保電力系統的正常穩定運行。本文從帶電測試的角度對目前GIS故障診斷的類型以及局部放電檢測方法進行分析。

關鍵詞：GIS；帶電測試；局部放電檢測

1、 GIS局部放電帶電測試原理

電力設備的絕緣系統中，只有部分區域發生放電，而沒有貫穿施加電壓的導體之間，即尚未擊穿，這種現象稱之為局部放電。它是由于局部電場畸變、局部場強集中，從而導致絕緣介質局部范圍內的氣體放電或擊穿所造成的。它可能發生在導體邊上，也可能發生在絕緣體的表面或內部。局部放電是一種脈沖放電，它會在電力設備內部和周圍空間產生一系列的光、聲、電氣和機械的振動等物理現象和化學變化。GIS內部的局部放電在空間產生電磁波，在接地線上流過高頻電流，使外殼對地呈高頻電壓。同時，所產生的機械效應使管道內氣體壓力驟增，產生聲波和超聲波，并傳到金屬外殼上，使外殼產生機械振動。另外，局部放電產生光效應和熱效應可使絕緣介質分解。總之，這些伴隨局部放電而產生的各種物理和化學變化可以為監測電力設備內部絕緣狀態提供檢測信號。

目前，GIS絕緣帶電測試最方便有效的方法就是局部放電檢測。局部放電既是GIS絕緣劣化的征兆和表現形式，又是絕緣進一步劣化的原因。由于絕緣擊穿的后果經常比較嚴重，因而受到國內外的關注。顯然，對GIS進行局部放電檢測能夠有效地發現其內部早期的絕緣缺陷，以便采取措施，避免其進一步發展，提高GIS的可靠性。它還可以彌補耐壓試驗的不足，通過局部放電在線監測能發現GIS制造和安裝的“清潔度”，能發現絕緣制造工藝和安裝過程中的缺陷、差錯，并能確定故障位置，從而進行有效的處理，確保設備的安全運行。因此，開展GIS局部放電帶電測試具有十分重要的現實意義。

2、 GIS內部缺陷種類及其放電特征

造成GIS內發生局部放電的原因往往是多方面的，影響介質性能的缺陷主要有嚴重的裝配錯誤、自由金屬微粒、導體之間電氣或機械接觸不良、電極突出物、絕緣子缺陷、SF6中混有水蒸氣等幾類。任何一種缺陷可能單獨發生，也可能其中某幾種同時發生，各種缺陷內部示意如圖1所示，掌握GIS內部的缺陷類型特征，研究各種缺陷的嚴重程度，將GIS內的局部放電類型進行分類，對于GIS的檢修工作有著重要的現實意義。

3 、GIS局部放電帶電檢測的方法比較

GIS的局部放電帶電檢測主要包括以下幾種方法：

3.1 耦合電容法

該方法又稱為脈沖電流法，它利用貼在GIS外殼上的電容電極耦合探測因局部放電而在導體芯上引起的電壓變化。該方法結構簡單，便于實現。但是，在現場測試時，無法識別與多種噪聲混雜在一起的局部放電信號，因此，這種方法的使用推廣受到了很大限制。

3.2 超高頻法

超高頻法是近年來發展起來的一項新技術。UHF法測量的頻率范圍300 MHz～3 GHz（目前，國內外GIS局部放電的現場實測中頻率不超過1.5 GHz）。它采用測量GIS內絕緣隱患在運行電壓下輻射的電磁波來判斷GIS內是否發生局部放電，該方法可以非接觸測量及在線監測。UHF法檢測基礎是高壓SF6氣體中局部放電總是在很小的范圍內發生，具有極快擊穿時間的特性。這種快速上升時延的局部放電脈沖含有從直流到超過1 GHz的頻率成分。同軸結構的GIS是一個良好的波導結構，超高頻電磁波可在其內部有效地傳播，而且信號衰減相對很小。電力系統的電暈放電等主要電磁干擾信號的頻率一般在150 MHz以下，而且，因其在空氣中傳播，衰減很快。另外，超高頻段內的其他干擾也相對較少。因此，可選擇超高頻段的電磁信號作為檢測信號，以避開常規電氣測試方法難以避開的電力系統中的干擾，從而提高局部放電檢測的信噪比。

超高頻段信號雖抗干擾性能好，但該頻段信號較弱，故需要較精密的儀器來測量和顯示，該段信號的檢測既可使用只有幾兆赫茲帶寬的窄頻法，也可使用達幾千兆赫茲帶寬的寬頻法。窄頻法一般除了需要頻譜分析儀外，還需要低噪音、高增益的UHF放大器來收集局部放電信號，在有特高頻干擾的情況下比較適用，且要求儀器較精密。寬頻法在一般的場合使用更廣泛，它需要可達ns級采樣率的示波器和截止頻率為250～300 MHz的高通濾波器。UHF法的靈敏度依賴于傳感器等測量裝置的可靠性。局部放電信號的強弱及特性與產生的放電的缺陷類型和嚴重程度有關。局部放電信號強度和傳感器與放電源距離的關系可確定局放源所在的隔室，不同位置傳感器接收信號的時差可定位局放源，但方法需研究、完善。有關GIS局部放電的鑒別、定位還需更多試驗。

超高頻法測量GIS局部放電的首要條件是：局部放電電流波形有很陡的上升前沿，脈沖的持續時間只有幾個納秒，但微波在氣室中的諧振時問達到毫秒數量級，使得在氣室中多次諧振的頻率最高可達1.5 GHz以上。GIS的同軸結構相當于一個良好的波導，信號在其內部傳播時衰減很小。超高頻放電脈沖的特征參數有信號的幅值、放電起始點和脈沖間隔，這些參數都可以用于缺陷識別。電力系統的電暈放電與SF6中的放電特征不同，空氣中電暈脈沖的持續時間較長，波頭上升較緩，其頻率一般在300 MHz以下，信號在空氣中傳播衰減很快。這樣使用超高頻段檢測GIS內部的局部放電信號，可以避開難以識別的GIS外部的電暈干擾，提高信噪比。在過去10余年里在300 MHz～1.5 GHz頻段已經獲得大量實踐經驗。在新修訂的IEC60270及IEC60517標準中，均將這種方法作為GIS局放檢測的主要方法之一。

3.3 超聲波檢測法

由于GIS內部產生局部放電信號的時候，會產生沖擊的振動及聲音，因此，可以用腔體外壁上安裝的超聲波傳感器來測量局部放電信號。該方法抗電磁干擾性能好，但是，由于聲音信號在SF6氣體中的傳輸速率很低（約140 m/s），且信號中的高頻部分衰減很快，信號通過不同介質的時候傳播速率不同，且在不同材料的邊界處會產生反射，因此，信號模式變得很復雜。

目前，在現場中工程技術人員往往更關心運行GIS的局部放電檢測問題，特別是當放電量較大時，通過檢測局部放電以確定GIS絕緣的損壞程度，而這種情況適合超聲波法檢測。另外，還有一些廠家生產的部分型號的GIS為全金屬外殼，沒有可以進行超高頻檢測的盆子，這部分GIS必須用超聲進行GIS檢測。超聲波法檢測GIS局部放電具有以下特點：

1）便于空間定位；

2）可實現利用超聲波法進行模式識別和定量分析；

3）超聲波法的進一步研究有望得到一些新的放電信息。

4、結語

GIS局部放電在線檢測方法有多種。耦合電容法、光學監測法現場測試的靈敏度較低，其推廣受到限制。化學監測法雖然在較大的閃絡事故后，能檢測SF6氣體的分解產物，但受GIS結構限制，正常運行中脈沖放電產生的分解物不易檢出。只能作為故障檢測的輔助手段。超高頻局放檢測和超聲波定位利用了GIS內部局部放電的寬頻帶、衰減特性，是檢測GIS內部故障的最有效手段。超高頻法容易發現內部固體絕緣件的缺陷和GIS內部導體的尖端等缺陷，且易于定位；但不易發現諸如簡壁上有金屬顆粒、棉線或發絲等異物，而采用超聲波法則能有效檢出這些故障。因此，現場測試若將超高頻局部放電檢測和超聲波檢測法結合使用，發揮各自的優點，有利于故障判別和定位。

參考文獻：

[1] 邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術[M].北京：水利電力出版社，1994.

[2] 邱昌容，王乃慶，等.電工設備局部放電及其測試技術[M].北京：機械工業出版社，1994.

[3] 劉衛東，錢家驪.GIS內部局部放電的高頻檢測[J].電器技術，1993（4）：43—44.