基于脈沖電流法的GIS局放檢測實驗方法研究

張英豪

（廣州致新電力科技有限公司，廣東 廣州 510540）

0 引 言

由于SF6氣體具有不可替代的電絕緣性能與滅弧性能，因此GIS選用它作為絕緣與滅弧介質。GIS對生產環境和零部件質量的要求非常高。例如：環境中的粉塵與金屬屑、導電回路上的尖角毛刺、筒壁上的焊縫、裝配時殘留在氣室內的金屬屑、絕緣盆子表面的金屬異物以及絕緣盆子澆筑形成的氣泡，在出廠或現場試驗時可能不會發生閃絡或局放事故，但長期運行后會發生閃絡或局放事故，進而誘發單相或三相短路事故，甚至會導致筒體爆炸。

目前，脈沖電流法是唯一一種能夠定量檢測局部放電的方法。它的檢測結果是以皮庫為單位的視在放電量。該方法屬于定量性質的測量，能客觀反映電氣設備的絕緣狀態。基于脈沖電流法的局部放電測試主要用于產品開發后的型式試驗和出廠前的局放檢測試驗。本文旨在探討一種基于脈沖電流法的GIS典型局部放電數據采集實驗方法。

1 GIS典型局放類型

局部放電是絕緣介質劣化的主要原因，并會誘發高壓電氣設備出現絕緣擊穿現象。GIS設備的絕緣盤子或絕緣支座通常由位于中心部位的金屬導體與非導電絕緣材料組成。根據電極曲率半徑及其放電發展形式，絕緣盤子或支座可劃分為均勻場結構、微不均勻場結構和極不均勻場結構3種類型，其中真正能誘發局放現象發生的只有極不均勻場結構。在GIS設備耐壓試驗或帶電運行中常會發生局部放電，主要有懸浮電位放電、尖端放電、絕緣氣隙放電以及自由金屬[1]放電這4種典型的局放類型。

1.1 懸浮電位放電

在零件生產制造、部件組裝、大塊試驗、交付運輸、現場安裝和送電運行等過程中，GIS內部有可能會產生機械松動。例如，均壓罩或屏蔽層松動、導電桿支撐處頂絲松動、電氣連接緊固不良以及導電桿與電氣連接接觸不良等會導致失去有效接地，使其處于高壓和低壓電場之間，形成電容分壓并對地有電位。當場強增加到足夠大的時候，就會發生懸浮電位放電現象[2]。

1.2 尖端放電

當主電路的表面存在比較嚴重的缺陷時，如出現未處理的尖角和毛刺，或導電和絕緣結構設計不合理，會導致導體表面電場強度過高而誘發局部放電。但是，由于導體處于SF6氣體的絕緣介質中，因此會表現為電暈放電[2]。

1.3 絕緣氣隙放電

絕緣介質或電介質與電極之間有可能存在裂縫和氣隙，而間隙的形狀、大小和位置與氣隙中氣體的性質有關。當電場強度因缺陷達到一定值時，設備就會發生局部放電。

1.4 自由金屬放電

GIS在制造、安裝、運輸和操作過程中會有金屬異物的產生、殘留和混入。金屬異物在強電場作用下會跳動并產生局部放電。

局部放電只發生在一個或多個小區域內且放電量小，不會形成貫通放電通道，因此不會影響電氣設備的短期絕緣強度。但是，電介質在局部放電的作用下會導致電氣發生老化和擊穿現象。

2 基于脈沖電流法的GIS局放檢測實驗措施

局部放電量的檢測結果以皮庫（pC）為計量單位。各種干擾信號對檢測結果的準確度有很大影響，如在無屏蔽地方檢測到的干擾信號可能會達幾百皮庫，因此需要高水平的生產與組裝工藝、高精度的計量設備以及苛刻的測量環境。GB/T 7354—2018第7節“干擾”中明確要求“背景噪聲水平不應高于規定允許局部放電幅值的50%。在做高壓設備的驗收試驗及型式試驗時還應記錄背景噪聲水平。對顯然外部干擾引起的高讀數可以忽略不計”。此外，GIS產品局部放電量的標準不能高于5 pC，部分優質產品的局部放電量不高于3 pC。

最常見的干擾來源于空間電磁、電源和接地系統。基于脈沖電流法的GIS局放檢測實驗通常會采取屏蔽、濾波和接地的措施[3]。例如：將試品置于高標準的屏蔽室，在進入屏蔽室前將實驗回路和檢測回路供電電源接入低通濾波器，同時將所有不參與實驗的金屬結構妥善接地。這些措施能有效隔絕外界信號的干擾。

屏蔽技術可以用來抑制電磁干擾信號沿空間的傳播，以切斷其傳輸路徑。通常使用鋼板、鋼絲網或鍍鋅沖孔板制作電磁屏蔽室，其送風和排風均采用焊接式蜂窩型通風波導窗，屏蔽門可采用氣密平移門和旋轉門，但門邊屏蔽材料應選用鈹銅彈簧壓接片，以實現屏蔽體內外各種“場”內的隔離。實驗用屏蔽室應依據《處理涉密信息的電磁屏蔽室的技術要求和測試方法》BMB3—1999、《高性能屏蔽室屏蔽效能的測量方法》GB/T 12190以及《電磁輻射防護規則》GB 8702—1988等標準的要求進行建設，且需第三方檢測實驗通過后才能正式啟用。

屏蔽室的性能指標主要包括屏蔽效能和絕緣電阻。對于屏蔽效能，要求磁場為10 kHz處的屏蔽效能≥70 dB，磁場為150 kHz處的屏蔽效能≥95 dB。電場在200 kHz～50 MHz范圍時，屏蔽效能≥100 dB。對于絕緣電阻，要求值≥500 MΩ。

進出屏蔽室的電源和信號線均要接入EMI濾波器，以防止電源或外來電磁噪聲的干擾。此外，進出屏蔽室的電源線、信號線和控制線均采用屏蔽線，同時試驗變壓器低壓供電側還需接入隔離變壓器。

屏蔽室、GIS局放模擬設備、升壓變壓器、檢測阻抗以及隔離變壓器等均應可靠接地，不僅可以起到保護接地的作用，確保操作人員和設備運行的安全，還能起到工作接地的作用。既可給電源回路、控制回路和信號線提供一個地電位，也可作為回流線。屏蔽室和屏蔽層的接地能減弱電容耦合效應。屏蔽室要求設立一個接地極并能獨立接地。接地樁一般采用鍍鋅銅管或銅棒。采用接地獨立能排除與其他設備共用所帶來的局放干擾信號。此外，接地電阻值要小于1 Ω。

3 基于脈沖電流法的GIS局放檢測的實驗原理

局部放電信號的能量主要集中在幾千到幾千兆赫的低頻段，因此脈沖電流法測量局部放電信號時應選擇一個較低的頻帶，從而避免無線電信號的干擾。局部放電在測試電路中會產生脈沖電流，通過檢測阻抗將電流脈沖轉換為電壓脈沖。電壓脈沖的波形和幅值可被測量，且其幅值與視在放電量的大小成正比。

局部放電檢測電路的連接方法可分為平衡法和直接法兩類。平衡法需要兩個相似的樣品，能有效抑制電源或試品高壓側的干擾，但其實驗投入與所用場地較大，不宜采用。直接法包括串聯法和并聯法[3]。GIS作為試品時，導電主回路與筒體外表面是電容的兩極。SF6氣體為絕緣介質，筒體外表面接地。采用串聯法時，試品兩端均需對地絕緣，因此不適用于GIS脈沖電流法檢測。而并聯法一端絕緣一端接地，適用于GIS脈沖電流法檢測。

4 基于脈沖電流法的GIS局放檢測回路設計

為采集與研究GIS典型局部放電數據，設計了基于脈沖電流法的局部放電檢測回路，如圖1所示。圖1中，Z為保護阻抗，Cx為GIS試品集中參數電容，Zm為檢測阻抗，Ck為耦合電容，EMI為電磁干擾濾波器，a、b、c、d為GIS典型局放模擬發生模塊。

屏蔽室外設置操作臺，操作臺上面布置調壓控制器和電脈沖局部放電檢測儀。屏蔽室的供電電源均為220 V交流電。調壓控制器用于調節無局放升壓變壓器的電壓。電脈沖局部放電檢測儀用于采集和保存局放數據，并顯示局放波形圖。

圖1中，虛線框1內為屏蔽室內設備，虛線框2為GIS局放模擬裝置內部所裝設備。屏蔽室內置GIS局放模擬裝置、檢測阻抗Zm和隔離變壓器。調壓控制器對輸出電壓進行調壓前，應先通過EMI濾波器。EMI電源濾波器是一種無源低通濾波器，由串聯電感、并聯電容和必要的串并聯電阻構成。它利用電感和電容的高頻特性，將150 kHz以上高頻噪聲的能量消耗掉。

圖1 局部放電檢測回路

隔離變壓器采用1:1繞組，將一、二次繞組分別固定于不同的心柱上，減小繞組間的電容值，從而有效避免靜電干擾。在繞組間設置非磁性導電電紙作為屏蔽層，再給整個變壓器做一個屏蔽外殼，則一、二次繞組之間只有耦合剩磁，其等值分布電容可小于0.01 pF。在隔離危險電壓的同時，它能將相對大地產生的共模干擾信號衰減到60～80 dB。

GIS內設置無局放升壓變壓器、耦合電容器以及4個典型局放模擬發生模塊。隔離變壓器輸出低壓與GIS內無局放升壓變壓器低壓側相連，輸入GIS的電源電壓為220 V，絕緣要求低，因此不需要高壓套管GIS裝置高度就可以降低，且使高壓部分在SF6氣體室內無外漏高壓帶電部分，使得設備更安全。GIS局放模傳裝置總高度控制可在1.5 m以下，則相應屏蔽室高為2.7 m就可以滿足實驗要求，并將局放屏蔽室建于樓宇內，以實現GIS的緊湊型布置。該設計方案有利于降低實驗成本。

5 基于脈沖電流法的GIS局放檢測實驗數據采集與分析

根據實驗原理進行GIS局放檢測實驗數據采集裝置的制作和屏蔽室的建造。采集GIS局放模擬裝置在無局放模擬發生塊下的背景局放數據、懸浮放電數據以及尖端放電數據，并用橢圓時基法展示采集的GIS試品的視在放電量，如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 背景局放數據

圖3 尖端放電數據

圖4 懸浮放電數據

圖2為GIS局放模擬裝置在無局放發生模塊下從零緩慢加壓到38.9 kV后的背景值，最大放電量為3.66 pC≤5 pC（GIS允許的最大局放值）。圖2顯示，在整個升壓過程中，局放量無明顯放大，也無檢測到干擾信號。一個工頻周期內放電量穩定且幅值較小，則說明檢測回路（含有局放發生模塊）與實驗回路都能有效濾除干擾信號。此外，試驗樣品無裝配不良導致的局放發生，因此采集的尖端放電數據和懸浮放電數據是真實可靠的。

圖3中，采用GIS局放模擬裝置中的尖端放電模塊加升壓到38.2 kV，最大局放量為36.2 pC。圖3顯示，尖端部分接地，其放電次數較多、持續時間相對較長且極性效應非常明顯，能量集中在正半周60°～95°的范圍內，且局放量在此范圍內顯著放大。背景值在一個工頻周期內大小均勻，對尖端放電特征的影響很小。

圖4中，采用GIS局放模擬裝置中的懸浮放電模塊加升壓到51.4 kV，最大局放量為58.9 pC。圖4顯示，放電集中在第一、三象限，幅值相當且較大，放電脈沖幅值穩定且放電持續時間短。背景值在一個工頻周期內相對穩定且較小，對懸浮放電特征的影響很小。

以上3組局放數據特征明顯，圖1、圖2和圖3中均無明顯干擾信號，驗證了屏蔽、濾波和接地等措施是有效的，能顯著降低背景局放值，且有效隔絕了外界干擾信號，保證了基于脈沖電流法獲取的局放數據真實可靠。

6 結 論

本文分析了GIS局放數據采集所需實驗的措施和原理，并提出用脈沖電流法采集GIS典型局放數據的實驗方法。此外，依據所研究的方法設計局放專用屏蔽室與GIS局放模擬裝置，成功獲取了無局放發生模塊下背景局放數據、尖端放電數據以及懸浮放電數據，驗證了局放檢測回路設計的正確性，同時驗證了屏蔽、接地和濾波等一系列措施是有效的。