GIS特高頻局部放電檢測與診斷技術(shù)的研究進展

邵先軍， 何文林，李 晨， 徐 華， 詹江楊

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310008）

GIS特高頻局部放電檢測與診斷技術(shù)的研究進展

邵先軍1， 何文林1，李 晨1， 徐 華2， 詹江楊1

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310008）

UHF法作為一種抗干擾性能佳、靈敏度高、易識別缺陷類型以及可實現(xiàn)放電源定位的局部放電檢測方法，在GIS絕緣缺陷和故障診斷中有著良好的應(yīng)用前景。通過介紹近年來GIS局部放電電流特性、UHF信號傳播特性、UHF傳感器設(shè)計與測試、診斷與評估技術(shù)等方面的重要研究成果，討論了UHF檢測盲區(qū)、幅值量化標定、危險度評估等目前在研究和實踐中存在的問題，提出了今后GIS UHF技術(shù)的研究與應(yīng)用發(fā)展方向。

GIS；局部放電；特高頻法；絕緣診斷

0 引言

局部放電是一種在電場作用下，絕緣系統(tǒng)中只有部分區(qū)域發(fā)生放電而尚未整體擊穿的現(xiàn)象，其最早發(fā)現(xiàn)可追溯到1777年Lichtenberg發(fā)表的實驗論文。近年來，隨著設(shè)備小型化和高電壓化，絕緣系統(tǒng)承受的工作場強愈來愈高，為了在第一時間發(fā)現(xiàn)可能存在的絕緣缺陷，保證設(shè)備安全可靠運行，對設(shè)備局部放電（以下簡稱局放）的檢測與分析已逐漸成為電力部門和制造廠商最為關(guān)注的問題之一。

GIS（氣體絕緣組合電器）因其突出優(yōu)勢近年來被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，在輸變電系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位。基于GIS局放過程表現(xiàn)出的多種物理化學(xué)現(xiàn)象，自20世紀60年代以來，國內(nèi)外科研機構(gòu)、運行部門和生產(chǎn)廠家提出了多種GIS局放檢測方法，如脈沖電流法、超聲波法[1]、SF6成分分析法[2]和UHF（特高頻）法[3]等。相比其他幾種方法，通過檢測SF6局放電流脈沖所輻射的吉赫茲頻段電磁波信號，UHF法作為一種抗干擾性能佳、靈敏度高、易識別缺陷類型以及可實現(xiàn)放電源定位的局放檢測方法，已逐漸得到國內(nèi)外學(xué)者的認可。

1 GIS局放的UHF放電特性

1.1 局放缺陷類型

運行經(jīng)驗表明，由于GIS需要現(xiàn)場組裝，導(dǎo)致安全隱患的因素較多，裝配工藝、制造材料、運輸、運行老化等問題造成GIS內(nèi)部常常存在多種或多個缺陷，較常見的有高壓導(dǎo)體或殼體內(nèi)部的固定突起、自由金屬微粒、浮動電位電極、絕緣子內(nèi)部缺陷和絕緣表面微粒等。根據(jù)CIGRE（國際大電網(wǎng)會議）相關(guān)工作組的統(tǒng)計，絕緣故障占GIS故障的50%以上[4]。德國第一大電力公司萊茵能源集團統(tǒng)計了123 kV和420 kV GIS的絕緣故障原因，如圖1所示[6]。在123 kV GIS中，絕緣表面及絕緣內(nèi)部缺陷引起的故障達61%；在420 kV中，因殼體、高壓導(dǎo)體、盆式絕緣子表面的自由或固定顆粒引起的絕緣故障占據(jù)一半以上，此外因隔離/接地開關(guān)的絕緣配合缺陷引起的故障占29%。

圖1 123 kV和420 kV GIS的絕緣故障原因統(tǒng)計[5]

文獻[6]對GIS中自由顆粒、金屬尖端、盆式絕緣子表面顆粒等缺陷在不同電壓形式下?lián)舸┨匦蚤_展了研究，發(fā)現(xiàn)金屬尖端和盆式絕緣子表面顆粒對雷電沖擊電壓最為靈敏，對50 Hz交流電壓最不靈敏，認為主要是由于交流電壓下電暈放電的空間電荷穩(wěn)定性引起；自由顆粒則恰好相反。該研究有助于放電擊穿原因及現(xiàn)場交接試驗方法有效性的分析。

1.2 SF6中的局放電流

因UHF法基于接收SF6局放的窄脈沖所輻射的電磁波信號，因此UHF信號能量受SF6中局放電流波形變化程度的影響很大。日本學(xué)者Okubo搭建了PD-CPWA系統(tǒng)，即局放電流脈沖波形分析系統(tǒng)（20 GS/s，4 GHz），研究了不同SF6氣壓、SF6與N2混合氣體下的局放電流波形，發(fā)現(xiàn)SF6中針板局放電流的上升沿和下降沿時間分別為0.5 ns和3 ns[7]。M.D.Judd研究組[8]同樣采用超寬頻帶測試系統(tǒng)（13 GHz，40 GS/s）研究了SF6中針板局放電流波形，發(fā)現(xiàn)正脈沖上升沿時間在35～718 ps變化，最小上升沿時間為24 ps，此外在負電暈局放中發(fā)現(xiàn)存在多次放電脈沖的疊加波脈沖，如圖2所示。

圖2 典型SF6局放電流脈沖

2 UHF信號傳播特性

2.1 GIS內(nèi)部UHF信號

GIS最基本的結(jié)構(gòu)為同軸結(jié)構(gòu)，可視為電磁波同軸波導(dǎo)系統(tǒng)，但不同電壓等級、結(jié)構(gòu)尺寸下GIS的電磁波波導(dǎo)模式各有不同。因此，在研究GIS內(nèi)部UHF信號傳播特性一級開發(fā)設(shè)計UHF傳感器時，有必要先清楚其所用GIS的主要波導(dǎo)模式的頻率段，從而獲得較高的檢測靈敏度。

M.D.Judd采用并矢格林函數(shù)對GIS同軸電磁波導(dǎo)模式進行了計算，并與理論估算的波導(dǎo)模式截止頻率進行了比較，在GIS UHF電磁波仿真上作出了開拓性的研究工作[9]。其研究結(jié)果表明，GIS中UHF信號是以TEM（橫電磁波）和TE（橫電波）、TM（橫磁波）形式傳播的，高次模波的截止頻率取決于GIS的結(jié)構(gòu)尺寸。

此后，日本學(xué)者 Okabe采用 HFSS軟件對GIS中電磁波導(dǎo)模式進行了仿真計算，發(fā)現(xiàn)在L和T型GIS中TE11至TE21的模式轉(zhuǎn)換過程，并得到了實驗的驗證[10，11]。 國內(nèi)學(xué)者[12，13]應(yīng)用FDTD計算方法也對GIS開展了波導(dǎo)模式的仿真研究，并計算了各波導(dǎo)模式的電磁波波形，如圖3所示。

圖3 GIS波導(dǎo)各主要模式分布及相應(yīng)截止頻率

GIS組件中存在多種結(jié)構(gòu)（L型、T型）及部件（斷路器、隔離開關(guān)，TA，TV，盆式絕緣子），UHF電磁波在GIS中的傳播過程復(fù)雜，時域與頻域特性多變，給UHF傳感器選型及布置、放電強度檢測帶來極大的困難。為了明確GIS內(nèi)部電磁波傳播特性，更有效檢測UHF局放信號，文獻[9，14-16]采用FDTD仿真與實驗的方法系統(tǒng)地研究了不同結(jié)構(gòu)、部件、局放脈沖源位置及脈沖上升沿等參量對GIS內(nèi)部UHF信號傳播特性的影響，分析了GIS典型結(jié)構(gòu)對電磁波傳播的衰減作用。研究結(jié)果表明，GIS內(nèi)部UHF信號徑向分量的電場強度峰值和電場能量均遠大于軸向及法向分量，其徑向分量主要由TEM波和TE11波構(gòu)成。經(jīng)過盆式絕緣子、L型、T型等結(jié)構(gòu)部件后的UHF信號分別衰減約5 dB，8 dB和7 dB。

2.2 GIS盆式絕緣子泄漏UHF信號

GIS內(nèi)部因局部放電產(chǎn)生的UHF信號還可在盆式絕緣子等非金屬屏蔽部位泄漏出來，因此有不少研究者對泄漏UHF信號特性開展了一系列的研究。實際上，GIS盆式絕緣子處與金屬螺栓間形成了類似于波導(dǎo)縫隙天線的結(jié)構(gòu)，因此，其泄漏電磁波的諧振頻率可通過縫隙天線的理論分析得到，若縫隙的長寬分別為a和b，諧振頻率可根據(jù)下式計算：

式中：εr為盆式絕緣子相對介電常數(shù)；c為光速；m和n為整數(shù)。

基于等效電路仿真模型，文獻[17]對盆式絕緣子泄漏電磁波的頻率響應(yīng)特性開展了仿真與實測。但基于等效電路參數(shù)的仿真，只適合在低頻段下，對于UHF頻段的波信號模擬尚不完善。

文獻[18]利用CST軟件仿真計算了非金屬屏蔽式盆式絕緣子的泄漏特性，建立了直筒型泄漏特性仿真模型，仿真得到參數(shù)S。圖4（a）給出了固定盆式絕緣子的螺栓數(shù)目為12時仿真得到的參數(shù)S，可以看出電磁波泄漏存在363 MHz，681 MHz及999 MHz 3個諧振頻率點。根據(jù)式（1）和（2）計算得到的前3個諧振頻率點分別為364.3 MHz，728.7 MHz和1 093 MHz，與仿真結(jié)果接近。圖4（b）給出了不同金屬螺栓數(shù)目對泄漏電磁波諧振頻率的影響，可知，諧振頻率隨螺栓數(shù)目增多而明顯增加，這說明針對不同GIS盆式絕緣子結(jié)構(gòu)有針對性地選擇傳感器是十分必要的。

圖4 敞開式盆式絕緣子電磁波泄漏參數(shù)S

文獻[19]仿真分析了金屬屏蔽式盆式絕緣子澆筑孔處的泄漏UHF信號，發(fā)現(xiàn)沿軸向的UHF電場分量幅值最大，這與波導(dǎo)縫隙天線的E面是一致的。文獻[20]利用設(shè)置波導(dǎo)饋源計算了不同長度下矩形澆筑口的UHF信號透射系數(shù)（如圖5所示），發(fā)現(xiàn)隨著長度的增加，最大透射系數(shù)的頻率點逐漸下降，且整體透射系數(shù)逐漸增大，與相同尺寸的偶極子天線行波系數(shù)的仿真分析的規(guī)律是一致的。

圖5 不同長度下矩形澆筑口處UHF信號透射系數(shù)

3 UHF傳感器

UHF傳感器用于耦合GIS內(nèi)部局部放電在UHF頻段范圍內(nèi)所激發(fā)出的電磁波信號、并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，因此UHF傳感器是GIS UHF局部放電檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵，直接決定了檢測系統(tǒng)的靈敏度。GIS UHF傳感器按照安裝方式可劃分為內(nèi)置式、介質(zhì)窗口式、外置式和絕緣子環(huán)形傳感器[21]。

3.1 內(nèi)置式傳感器

內(nèi)置傳感器中常用的是圓板式、錐形傳感器和平面等角螺旋傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。早期的內(nèi)置傳感器金屬電極并不直接接地，而是通過同軸引出線處加裝三通接頭來間接接地，因此當(dāng)三通接頭接觸不良或漏裝時，其同軸引出線存在數(shù)百伏特的感應(yīng)電壓，對人員和儀器存在安全風(fēng)險。目前開發(fā)設(shè)計的內(nèi)置傳感器已在內(nèi)部直接接地，使用安全性較高。

圓板傳感器頻率響應(yīng)曲線在特高頻段較為優(yōu)異；一般來說，局部放電信號頻率越高，圓板傳感器的增益越大，即圓板天線接收的信號頻率越高，因此該內(nèi)置式天線應(yīng)用廣泛。圓板的直徑越大，靈敏度越高，靈敏度隨介電常數(shù)的增加先增大后減小。

錐形傳感器與平板傳感器結(jié)構(gòu)類似，在大部分的頻率范圍內(nèi)，錐形天線的靈敏度高于圓板形天線，尤其是最大靈敏度，錐形的遠遠高于圓板天線[22]。

平面等角螺旋天線由4條具有相同螺旋率的等角螺旋線組成，為自相似結(jié)構(gòu)的天線。平面等角螺旋線在其兩端都是可以無限延伸的，可以滿足寬頻帶天線的條件。所以在一定頻率范圍內(nèi)可以近似認為其具有非頻變天線的特性，這是平面等角螺旋天線的最大優(yōu)點。一般來說，等角螺旋天線半徑越大，工作頻率越低，靈敏度越高。

圖6 常見內(nèi)置式傳感器結(jié)構(gòu)示意

3.2 外置式傳感器

外置式傳感器主要基于微帶貼片天線，由導(dǎo)體薄片粘貼在背面有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上形成的天線組成，其最大輻射方向在平面的法線方向[23]。具有體積小，重量輕，易于實現(xiàn)線極化和圓極化，容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作的優(yōu)點。圖7所示為常見的外置式傳感器領(lǐng)結(jié)型結(jié)構(gòu)，其張角越大，阻抗越小，輸入阻抗的變化越為平穩(wěn)，天線的工作頻帶也就變寬；而領(lǐng)結(jié)越大，下限截止頻率越低。

圖7 常見外置式傳感器結(jié)構(gòu)示意

3.3 絕緣子環(huán)形傳感器

一般來說，GIS盆式絕緣子靠近法蘭的邊緣內(nèi)部通常裝有繞整個盆子一圈的均壓屏蔽環(huán)或稱為均壓彈簧，用以消除法蘭和盆式絕緣子交接處可能存在的縫隙，起到均勻電場的作用，這在盆式絕緣子澆注過程中就已內(nèi)嵌。針對某些廠家全金屬屏蔽式盆式絕緣子且不預(yù)留澆筑孔而無法開展UHF檢測的情形，文獻[5]提出利用該均勻屏蔽環(huán)來充當(dāng)UHF天線，具有較高的檢測靈敏度。

典型的盆式絕緣子均勻屏蔽環(huán)結(jié)構(gòu)如圖8所示，可見均壓屏蔽環(huán)與法蘭通過多個接地螺栓接觸連接，如圖中的A，B，C點所示。因此只需擰開其中1個接地螺栓，此時均壓屏蔽環(huán)已成為1個環(huán)形天線，保持其他幾個接地螺栓狀態(tài)不變，整個均壓屏蔽環(huán)仍處于接地狀態(tài)，對GIS運行無任何影響。而將某個已擰開接地螺栓處的UHF信號引出即可用于檢測GIS局部放電。

圖8 均壓屏蔽環(huán)結(jié)構(gòu)

文獻[13]利用FDTD仿真計算了不同A，B，C接口的均壓屏蔽環(huán)的頻率響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)在3 GHz頻率范圍內(nèi)，均壓屏蔽環(huán)天線的共振頻率點較為豐富，適于作為UHF寬帶天線來使用。

3.4 傳感器靈敏度表征與測試

一般來說，GIS UHF傳感器采用平均有效高度He（f）表征其檢測局部放電信號的能力，為UHF局部放電傳感器將局部放電輻射的電磁波能量 Ei（f）轉(zhuǎn)換為電壓信號 U0（f）的能力，量綱為mm，計算公式見式（3）：

UHF傳感器有效高度的測量可通過GTEM小室測量，其測量裝置組成和原理如圖9和圖10所示[24，25]。通過標準脈沖源向GTEM小室內(nèi)注入標定信號，在GTEM小室內(nèi)建立脈沖電磁場。設(shè)E（t）為GTEM小室內(nèi)被測天線所在位置處的電場，u（t）為天線輸出的電壓信號。天線的作用是將入射電場轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，根據(jù)入射電場和輸出電壓的關(guān)系，即可得到天線的傳遞函數(shù)H（f），量綱為mm，稱為有效高度。

圖9 GTEM組成

圖10 有效高度測量原理

由于GTEM存在一定的標定不確定性以及價格較高等缺點，文獻[26]提出了利用單極錐天線和金屬接地板組成的UHF傳感器標定系統(tǒng)，如圖11所示。其測試結(jié)果表明，錐形標定系統(tǒng)的重復(fù)性較高，適合于多種UHF傳感器結(jié)構(gòu)的標定。但該種標定系統(tǒng)的占地面積較大（4 m×4 m），目前國內(nèi)尚未開展相關(guān)研究與應(yīng)用。

圖11 圓錐標定系統(tǒng)

4 診斷與評估技術(shù)

4.1 模式識別技術(shù)

為了判斷檢測得到的GIS UHF信號所表征的缺陷類型，不少研究者應(yīng)用模式識別技術(shù)對缺陷類型開展了分析與研究。目前對放電模式的識別一般是在提取信號的特征量以后，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和概率分析等方法進行模式歸類或與已有的指紋圖庫進行比較來識別放電的類型。因此信號的特征提取是模式識別的關(guān)鍵。

目前廣泛用于放電模式識別的是信號的相域特征和時域特征[22]。相域特征提取即由脈沖電流法測得的視在放電量、放電出現(xiàn)的相位、放電次數(shù)所組成的兩維或三維譜圖，以及由此導(dǎo)出的均值、均方值、不對稱度、互相關(guān)系數(shù)、偏斜度、峰度等統(tǒng)計特征量，目前現(xiàn)場帶電檢測主要應(yīng)用該方法。時域特征提取是從測得的單個放電脈沖的波形中提取如脈沖的峰值、上升沿、下降沿、脈寬等與形狀有關(guān)的參數(shù)，以及通過傅立葉變換、小波變換、時頻分析等信號處理方法提取變換系數(shù)作為特征量。

目前常用的模式識別算法流程為首先利用實驗室中不同局部放電類型的樣本數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行模型學(xué)習(xí)，通過調(diào)整算法中的參數(shù)建立數(shù)據(jù)特征與放電類型之間的映射關(guān)系，該過程稱為模式識別算法的學(xué)習(xí)過程。實際應(yīng)用時以待識別的數(shù)據(jù)作為輸入，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[27]、支持向量機[28]、仿生模式識別[29]等方法對放電類型進行識別，然后輸出放電類型。

4.2 多源分離技術(shù)

GIS內(nèi)部有時會存在多個絕緣缺陷或干擾信號，形成多個局放源和干擾信號混合的缺陷圖譜，為了提取有用的局放信號信息，不少研究者開展了多源局放分離技術(shù)研究。M.Cacciari，A. Contin等首次提出了多局放源下的缺陷識別問題，并采用混合Weibull分布擬合H（q）譜圖以提取特征參量，應(yīng)用于多局放源的缺陷類型識別[30]。之后許多學(xué)者開展了局放信號特征參量提取的研究工作，包括脈沖波形比較、快速傅里葉變換及時頻分析技術(shù)等。采用快速傅里葉變換的方法以不同局放源脈沖信號的頻譜分布存在差異為基礎(chǔ)，除上述等效時長—等效頻寬參量外，一些學(xué)者將信號頻譜分段，提取了能量比值參量（各頻率段能量與信號總能量比值），但這種方法中選取的分段頻率對最終分離效果影響很大；時頻分析技術(shù)包括小波分解[31]、S變換[32]及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)[33]等，L.Hao，P.L.Lewin，Chan J C及汪可等人就是利用不同的時頻分析方法提取了分離特征參量。國內(nèi)華北電力大學(xué)[34]、西安交通大學(xué)[35]及重慶大學(xué)[36]等相關(guān)課題組均采用等效時頻參量和模糊聚類等方法對不同局放源的信號進行了聚類分析，實現(xiàn)了油紙絕緣混合缺陷及GIS等在交直流不同外施電壓形式下的脈沖電流信號分離。

5 存在問題與展望

近年來，隨著國內(nèi)外學(xué)者研究工作的不斷深入和推進，在現(xiàn)場實際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了眾多GIS絕緣缺陷，避免了事故的發(fā)生，但仍存在以下幾點問題值得進一步研究。

（1）檢測盲區(qū)。對于盆式絕緣子沿面放電缺陷的檢出靈敏度不高。這是因為盆式絕緣子沿面放電脈沖的前沿相比其他類型的放電要緩，其所激發(fā)的UHF信號也相對較弱，在實驗室盆式絕緣子沿面缺陷模擬中曾發(fā)現(xiàn)，盆式絕緣子突然擊穿而UHF事先卻無任何信號，這與現(xiàn)場發(fā)生多起盆式絕緣子沿面閃絡(luò)而UHF在線監(jiān)測裝置無異常信號的情形是吻合的。

（2）UHF幅值無法量化標定。GIS UHF法受缺陷類型、局放源電流脈沖、傳播路徑、傳感器接收性能等影響，無法實現(xiàn)類似于脈沖電流法的量化標定，因此也就無法憑借UHF信號幅值來判斷局放缺陷的發(fā)展程度，難以準確評估GIS的狀態(tài)。

（3）GIS危險度評估。目前GIS局放危險度評估最具代表性的為CIGRE WG D1.03工作組于2013年提出的基于缺陷位置、外加電壓的波形和水平、放電持續(xù)時間及缺陷類型4個因素所開展的缺陷擊穿概率評估流程[37]。但該項工作尚處于起步階段，仍需大量的現(xiàn)場實踐與應(yīng)用來補充完善GIS危險度評估技術(shù)，為選擇評估參量和設(shè)定閾值提供參考，研究融合多種信息參量的GIS局部放電危險度評估技術(shù)。

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（本文編輯：徐 晗）

Research Progress of UHF Partial Discharge Detection and Diagnosis in GIS

SHAO Xianjun1，HE Wenlin1，LI Chen1，XU Hua2，ZHAN Jiangyang1

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310008，China）

As a partial discharge（PD）detection method，the ultra-high frequency（UHF）detection method has been widely accepted due to its good anti-interfere performance，high sensitivity，capability of defect type recognition and PD source location.By introducing PD current characteristics of GIS，UHF signal transmission characteristics，UHF sensor design，test，diagnosis and detection technologies，the paper expounds their key research achievements in recent years and discusses problems in ongoing dead zone of UHF detection，amplitude quantization and calibration as well as risk level evaluation；moreover，it presents the research and application direction of UHF detection technology of GIS.

GIS；partial discharge；UHF method；insulation diagnosis

TM835.4

A

1007-1881（2016）10-0007-08

2016-03-28

邵先軍（1983），男，工程師，從事電力系統(tǒng)開關(guān)專業(yè)技術(shù)工作。