GIS設備局部放電帶電檢測技術應用綜述

毛文奇，吳水鋒，謝國勝，段肖力，黃海波，葉會生，謝耀恒

(1.國網湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

GIS設備局部放電帶電檢測技術應用綜述

毛文奇1，吳水鋒2，謝國勝2，段肖力2，黃海波2，葉會生2，謝耀恒2

(1.國網湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

本文綜述了特高頻、超聲波及SF6氣體成分分析等GIS設備局部放電帶電檢測技術的原理、現場應用及主要優缺點。對不同的定位方法進行對比分析，討論了目前GIS局部放電帶電檢測技術存在的不足。提出了GIS局部放電帶電檢測技術現場應用的發展趨勢。認為GIS局部放電在線監測及智能化帶電檢測是后續局部放電檢測技術發展的重點及難點。

特高頻；超聲波；局部放電；帶電檢測；定位技術；缺陷識別

氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas Insulated Switchgear，以下簡稱GIS)由于具有占地面積小、運行可靠性高、檢修周期長且不受環境污染和高海拔影響等優點，在電力系統得到了廣泛的應用〔1〕。近年來，GIS設備故障頻發，GIS設備故障不但會造成變電站全停或部分停電，還會造成電量損失、增加檢修成本、影響電網供電可靠性，給電網安全運行造成很大的威脅。

GIS設備停電試驗雖然能夠發現部分缺陷，但停電試驗電壓較低，不能夠反應設備運行狀態下的真實狀況；并且高壓設備的絕緣劣化是一個累積和發展的過程，停電試驗無法及時發現該類潛伏性缺陷〔2〕。據統計，GIS設備的各類缺陷中，絕緣缺陷占有很大比例，GIS設備內部的缺陷，極易發展為設備故障〔3〕。當GIS設備內部絕緣出現問題后，最先開始的是產生局部放電〔4〕，因此局部放電是反應GIS設備運行狀態的重要參數之一〔5-6〕。

GIS設備帶電檢測技術能夠在不停電的情況下，及早的發現設備內部局部放電及其它缺陷信號，檢測出GIS內部缺陷信息及其嚴重程度，實現缺陷的精確定位，對故障提出預警，從而實現有計劃的安排檢修，減少設備損壞和事故發生。因此開展GIS局部放電帶電檢測具有十分重要的意義〔7-8〕。

GIS局部放電帶電檢測技術自2000年引入國內以來，得到了快速的發展，現場檢測得到了廣泛的應用，相關技術標準也相繼形成。特別是2015年國家電網公司以競賽的形式開展了GIS設備帶電檢測“自查互查”活動，共發現包括±400 kV柴達木換流站330 kV母線局部放電缺陷、±500 kV華新換流站5011、5012間隔B相局部放電缺陷等共523起異常缺陷，其中38起已得到了解體驗證。通過該活動的開展，地毯式的檢測了在運330 kV及以上GIS設備，確保了GIS設備運行安全，促進了帶電檢測技術的現場應用水平，極大的提高了帶電檢測人員的技術水平。

1 GIS局部放電帶電檢測技術

1.1 特高頻檢測技術

運行GIS內部充有高壓SF6氣體，其絕緣強度和擊穿場強都很高。當局部放電在很小的范圍內發生時，氣體擊穿過程很快，將產生很陡的脈沖電流，放電脈沖上升時間和持續時間都極短僅為幾個納秒，該脈沖信號在GIS腔體中傳播時會引起電磁諧振，激發出頻率高達數吉赫茲的電磁波信號。

根據研究表明，特高頻電磁波在GIS中傳播時，不僅以橫向電磁波(TEM)形式傳播，而且還會建立高次橫向電波(TE)和橫向磁波(TM)。TEM波為非色散波，可以以任何頻率在GIS中傳播，但頻率越高衰減越快。TE和TM則不同，只有當信號頻率高于截止頻率時才能傳播。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，在經過盆式絕緣子等非金屬連接部位時，特高頻電磁波信號會向外傳播〔9-10〕。

特高頻法的原理就是根據局部放電所激發的電磁波的這些特性，利用特高頻傳感器來接收這些電磁波信號并對其進行分析，從而實現對GIS異常信號檢測、缺陷類型分析和局部放電源定位。特高頻局部放電檢測具有檢測靈敏度高、現場抗低頻干擾能力強的特點，適用于現場對GIS開展帶電檢測。

GIS特高頻局部放電帶電檢測傳感器根據其使用位置的不同通常可以分為內置傳感器和外置傳感器兩種。常用的內置傳感器主要有平板式和錐形傳感器，內置傳感器通常用于在線監測，其優點是檢測靈敏度高，抗干擾能力強，但其制作和安裝成本高。采用外置傳感器檢測，容易受到周圍環境中放電信號的干擾，給缺陷判斷帶來了很大的困難，并且對于無外露絕緣件的GIS無法開展特高頻檢測。

現場采用的特高頻檢測按其檢測頻帶分為寬頻檢測和窄頻檢測，寬頻檢測頻帶一般在300 MHz到 1 500 MHz，能夠在足夠寬的頻率范圍內檢測局部放電信號，可以有效避免漏測真實的局部放電信號，但缺點是抗干擾能力較弱，容易將干擾信號誤判為局部放電信號，譬如DMS公司的檢測儀器采用的便是寬頻帶檢測；窄頻帶檢測頻帶一般在幾十到幾百兆赫茲之間，采用窄頻帶檢測對現場干擾抑制具有良好的效果，但是容易造成對真實放電信號的漏測。現場實際檢測時一般采用寬帶和窄帶相結合的方法進行，采用寬帶檢測對GIS設備進行普測，當有異常信號時采用窄帶檢測進行進一步分析，譬如DMS公司寬頻帶檢測儀器一般都配備有帶通濾波器，可以根據現場需要有目的的選擇所需檢測頻帶，達到濾除干擾的目的，國內廠家如華乘電氣等特高頻檢測儀器也可以選擇頻帶進行測量。

現場干擾的識別及抑制是特高頻檢測的重點也是難點，干擾往往也是造成對檢測結果誤判和漏判的最主要因素。國內外學者對特高頻抗干擾技術都進行過深入的研究，但歸其根本主要分為軟件去噪和硬件去噪兩種，軟件去噪主要是采用信號頻譜分析技術對信號頻譜特征進行分析，提取特征信號；硬件去噪主要是采用改進檢測儀器系統結構、合理設計電路以及采用帶通濾波器的方法，現場檢測時還有一種最常用和直接的去噪方法是采用屏蔽工具對GIS盆式絕緣子或檢測儀器進行屏蔽。為了達到最佳的檢測效果一般多種抗干擾措施聯合應用。

1.2 超聲波檢測技術

GIS發生局部放電時分子間劇烈碰撞并在宏觀上瞬間形成一種壓力，產生沖擊的振動或聲波，以球面波的形式向外傳播，頻率在20～100 kHz的聲波稱為超聲波。超聲波在SF6氣體中以縱波的形式傳播，并且衰減很大，而在帶電導體、絕緣子和金屬殼體等固體中傳播的除縱波外還有橫波，橫波在固體中衰減較小。由于超聲波的波長較短、方向性較強，所以它的能量也較為集中〔9-10〕。

超聲波局部放電帶電檢測就是通過放置在GIS殼體上的壓敏傳感器接收傳播到殼體上的超聲波信號，再通過對聲信號的分析判斷來診斷GIS內部是否發生了局部放電或異常振動缺陷〔11〕，并實現對放電或異常振動缺陷進行定位。

超聲波傳感器按照使用方式主要可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器。對于GIS帶電檢測一般應用較多的是接觸式傳感器，但現場實際檢測中常采用非接觸式傳感器進行外部干擾識別及干擾源定位。超聲波傳感器按照其結構形式可以分為單端式和差分式，單端式傳感器結構比較簡單，但是帶負載能力較強；差分式傳感器可以有效抑制共模干擾，具有較高的檢測靈敏度，目前現場常使用的AIA超聲檢測儀采用的便是差分式傳感器。

近年來諸多學者開始研究的光纖技術是將超聲波信號轉化為光強信號，再通過光敏元件將光信號轉化為電信號。其優點是能應用于高電壓、強電磁干擾的惡劣環境，且適合長距離信號傳輸。目前國內外對光纖傳感器的應用研究主要集中在變壓器類設備檢測，對GIS設備應用研究較少，其實際應用到GIS帶電檢測現場還需要作深入研究。

超聲波局部放電帶電檢測由于抗現場電磁干擾能力強，使用快捷方便，是現場GIS局部放電檢測的重要手段之一。目前使用的大部分超聲波檢測儀器能夠通過超聲傳感器的耦合將GIS內部局部放電的聲音真實反映出來，現場檢測時一般將典型放電圖譜與典型放電聲音綜合比對，能夠更加直觀、高效的判斷GIS內部缺陷類型。

現場進行GIS超聲波局部放電帶電檢測時，會受到檢測現場附近的施工及機械振動、附近設備局部放電等因素的影響，給檢測結果的準確判斷帶來干擾，文獻〔12〕對檢測現場常見的干擾類型及排除措施都進行了詳細的闡述。

1.3 SF6氣體成分分析

GIS內部SF6氣體及絕緣材料在局部放電作用下會與少量的水分發生反應，生成一系列的分解產物。根據研究表明〔13〕，當GIS內部放電類型、放電強度、電極材料及微水含量不同時，分解產物的組分也會有所不同。近年來根據SF6分解產物判斷設備缺陷類型在電網中得到廣泛的應用，取得了良好的效果〔14〕。

采用SF6氣體成分分析，對GIS內部局部放電檢測的靈敏度較低，現場經常遇到特高頻及超聲波法均能檢測到明顯局部放電時，SF6氣體成分無異常，或者在內部無放電缺陷的斷路器氣室檢測到SF6氣體分解組分，容易造成對GIS運行狀態的漏判、錯判。其原因是受以下三方面因素的影響:設備內部吸附劑的影響；短脈沖放電不一定會產生足夠的分解物；斷路器開斷電弧也會造成分解物的變化〔15〕。

因此現場檢測時，將特高頻、超聲波及SF6氣體成分分析有效結合，對準確發現GIS設備缺陷具有十分重要的作用。

2 GIS局部放電源定位技術

GIS帶電檢測中現場常用的定位技術主要包括幅值定位、時差定位及平分面定位法。其中平分面定位法主要用于干擾源的定位及排除。

幅值定位主要包括特高頻幅值定位法、超聲波幅值定位法。超聲波幅值定位精度較特高頻法高，是由于特高頻電磁波在GIS中傳播時衰減較小，在較大范圍內檢測到的特高頻信號幅值無明顯變化，而超聲波在GIS中傳播時衰減很大，信號幅值隨放電源距離迅速減小。

時差定位法和平分面定位法的核心都是根據不同信號在介質中傳播的時延規律來進行定位的方法。根據基準信號的不同，時差定位法又可以分為電電聯合定位法、聲聲聯合定位法及聲電聯合定位法，現場實際應用中根據是否能檢測到聲或電信號選擇性的使用一種或多種定位方式。不同定位方法優劣及精度對照如表1所示。

表1 定位方法比較

另外還有一種定位方法在GIS帶電檢測早期缺陷定位中應用較多，當檢測到異常放電信號時，對GIS逐間隔或氣室停電檢測，當某一間隔或氣室停電后，局部放電信號消失，則說明放電源位于該間隔或氣室。該定位方法的優點是對帶電檢測定位儀器要求不高，定位比較準確，缺點是檢測時要反復操作設備，增加運維人員工作量，容易產生操作過電壓，對某些缺陷(如尖端放電缺陷)存在擊穿危險，并且該定位方法只能大致定位到某一間隔或氣室，對進一步準確定位具體位置較為困難。

3 GIS帶電檢測技術不足及發展趨勢

3.1 精確檢測技術尚需進一步研究

GIS五類典型局部放電缺陷中，絕緣材料的沿面放電缺陷無疑是對GIS運行健康狀況影響最為嚴重的缺陷類型，沿面放電一旦發生極易造成絕緣擊穿，導致閃絡故障〔16〕。然而根據現場實際運行經驗表明，絕緣材料表面缺陷檢出率較低，部分裝設內置傳感器的GIS在發生沿面閃絡故障前未能準確檢測到異常信號，甚至國內也多次存在剛開展完帶電檢測后發生閃絡故障的案例。說明現有的特高頻及超聲波檢測手段不能夠在沿面放電早期準確的檢測出來。造成該現象的原因有如下幾種〔17〕:(1)由于沿面放電發生在絕緣材料表面，絕緣材料對超聲波具有一定的吸收作用，放電產生的超聲波信號大部分被絕緣材料吸收，因此以目前超聲波檢測儀器靈敏度，在GIS殼體只能檢測到很小的超聲波信號或者完全檢測不到；(2)沿面放電本身會導致電荷的泄漏，因此會造成放電脈沖的前沿相比其他放電類型要緩，其所激發的特高頻信號也相對較弱，以目前特高頻檢測儀器靈敏度，在沿面缺陷發展的早期較難檢測到明顯的特高頻信號；(3)沿面放電一般持續時間較短，極易導致閃絡故障，放電產生的氣體分解產物被GIS內部吸附劑吸收造成SF6氣體中分解組分含量較少，現場基本較難檢測到。

因此，研究更為精準的檢測技術，提高檢測儀器現場檢測靈敏度，開展SF6氣體成分痕量研究對準確發現GIS內部缺陷，提高缺陷檢出率具有重要作用也是后續局部放電檢測技術研究重要內容。

3.2 缺陷劣化程度量化評估

GIS局部放電帶電檢測的最終目的是通過檢測結果判斷GIS設備的運行狀態，對缺陷劣化程度進行準確評估。然而，經過多年來的現場檢測和實驗室研究，眾多學者及檢測人員發現，通過單一的檢測幅值及檢測結果圖譜并不能夠準確的反應GIS設備具體的運行狀況及缺陷劣化程度。缺陷劣化程度的準確評估需要充分考慮局部放電類型、放電機理、放電位置、檢測幅值及缺陷的發展趨勢等綜合因素。近幾十年來，國內外學者對各放電類型的機理研究較多，對通過局部放電檢測判斷缺陷劣化程度具有很好的促進作用。

國內有學者提出過基于局放的GIS缺陷危險程度評估方法及流程，主要基于放電類型、缺陷位置、缺陷發展程度和局放幅值4個因素對缺陷劣化程度進行評估，但是對具體的劣化程度的劃分尚具有一定的主觀性，無大量的實驗室及現場檢測數據的支撐。因此如何進行缺陷劣化程度的準確評估，給出定量的評估及預警依據也是后續局部放電檢測技術的重要研究內容。

3.3 帶電檢測儀器校驗及標準體系的建立

2013至2014年國家電網公司組織開展了特高頻及超聲波局部放電檢測裝置性能檢測工作，對國內市場上的局部放電檢測儀器綜合性能進行了比對校驗，對規范和引導儀器開發和制造技術起到了積極的推動作用〔10〕。然而目前市場上的檢測儀器仍然參差不齊，某些檢測儀器的部分性能參數并不能夠滿足現場檢測的要求，一旦流入電網，極易對檢測結果誤判及漏判，危害性較大。開展檢測儀器的入網檢測及定期校驗是阻止不合格檢測儀器進入電網及保證檢測儀器性能的重要手段。自2014年以來，北京電科院等各網省公司電科院相繼建立了局部放電檢測儀器的校驗平臺，開展了初步的校驗比對工作，然而由于缺乏比較權威的帶電檢測儀器的技術規范，對儀器校驗的進一步發展也造成了一定的制約。目前雖然國家電網公司及南方電網公司出臺了一些相關的企業標準和行業標準，但這些標準尚未上升到國家標準或國際標準的程度。

3.4 現場耐壓條件下局放源的快速定位

為進一步加強GIS設備管理，提高GIS設備入網質量，及時發現GIS內部缺陷，近年以來，國家電網公司及南方電網公司相繼出臺相關措施要求在GIS現場工頻耐壓時開展局部放電測試。GIS現場工頻耐壓對發現GIS內部缺陷特別是絕緣缺陷及顆粒放電具有很好的效果，但是GIS內部一旦存在這類缺陷，在工頻耐壓值下容易形成放電并迅速造成閃絡擊穿，由于GIS的封閉結構，各種保護措施不完善，很難快速查找內部放電點，有時甚至需要逐段、逐間隔檢查，帶來很大的工作量，并且現場打開完好間隔檢查容易給設備后期安全運行帶來隱患。因此在GIS發生閃絡能夠通過檢測儀器迅速定位其閃絡放電位置，就顯得非常必要。

目前國內有部分廠家在快速定位方面有過相關研究，并研制出相應產品，但是這些產品并未在現場廣泛應用，其有效性和準確性尚需進一步觀察和研究。

3.5 GIS局部放電在線監測

在線監測技術曾在GIS設備上廣泛應用，然而由于監測裝置本身故障頻發并且可靠性低、常常出現誤報、漏報等原因，引起過較大爭議。但是從目前帶電檢測情況來看，雖然在檢測時能夠發現部分放電缺陷，但是由于受檢測周期的限制，在一個檢測周期內新發生的放電缺陷不能夠及時有效的被檢測出來，容易錯過缺陷處理的最佳時機，造成設備故障，特別是對于重要設備而言，將會造成較大的損失。另外對于存在缺陷的GIS設備，采用在線監測裝置實時觀察其缺陷發展趨勢，對準確把握GIS設備狀態具有十分重要的作用。

因此，發展GIS局部放電在線監測技術，特別是對重要設備及帶缺陷設備的在線監測，將是未來GIS局部放電檢測的重要手段。相應的，進一步提高在線監測裝置自身的質量水平，加強在線監測裝置的靈敏性和抗干擾性能，提高在線監測數據準確性也將是下一步研究的工作重點。據了解，為了提高在線監測裝置質量，加強在線監測裝置入網質量控制，部分省份已提出GIS內置傳感器入網前需送該省電科院進行檢測等相關措施，這些措施也具有很好的借鑒意義。

3.6 GIS局部放電智能化帶電檢測

目前，現場進行GIS帶電檢測對人的依賴性比較大，無論現場檢測還是結果分析都是由現場檢測人員進行，對人員素質及技術水平要求較高。對于相同的檢測信號，不同的檢測人員給出的判斷結果有可能并不相同，容易造成對檢測結果的誤判。采用智能化檢測手段，建立大數據平臺及專家診斷系統，綜合收集設備檢測歷史數據、運行狀況、檢修數據等數據，提取檢測結果特征信息，通過系統自動分析，準確判斷設備運行狀況，能夠減少現場檢測人員工作量、有效彌補檢測人員的不足，提高檢測結果準確性。然而尚未見有機構或廠家構建智能化檢測平臺，目前部分儀器自帶的專家診斷系統對缺陷類型的分析準確率還較低，GIS局部放電智能化帶電檢測的研究工作還任重而道遠。

4 結論

(1)目前現場常用的GIS帶電檢測技術主要有特高頻、超聲波及SF6氣體成分分析，實際應用中將三種檢測方法有機結合，能夠更加有效的發現GIS內部放電缺陷。

(2)GIS帶電檢測中現場常用的定位技術主要包括幅值定位、時差定位及平分面定位法。

(3)GIS局部放電帶電檢測技術在現場已得到了廣泛的應用，并已檢測發現眾多設備缺陷，極大的確保了設備安全穩定運行。但仍存在一定的不足:缺陷的精確檢測技術尚需進一步研究，缺陷劣化程度尚不能實現量化評估，還需要建立更為規范的帶電檢測儀器校驗及標準體系。GIS局部放電在線監測及智能化帶電檢測仍是后續局部放電檢測技術發展的重點及難點。

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Review of application on GIS partial discharge measurement technology

MAO Wenqi1，WU Shuifeng2，XIE Guosheng2，DUAN Xiaoli2，HUANG Haibo2，YE Huisheng2，XIE Yaoheng2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The principle of UHF，ultrasonic testing and gas composition analysis is reviewed，as well as advantages and disadvantages of field application.Different positioning methods are compared and analyzed.Moreover，existing problems of PD detection are discussed.Suggestions are proposed for guiding possible future applications in flied of PD detection.On-line monitoring and intelligent charging detection is key points and difficulties for the development of PD detection.

ultra high frequency(UHF)；acoustic emission(AE)；partial discharge(PD)；live detection；positioning technology；defect recognition

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0009-05

毛文奇(1981)，男，碩士，高級工程師，主要從事變電專業技術與管理工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.002

2016-02-25