GIS 設備局部放電診斷方法及性能對比研究

楊鼎革，高 健，孫浩飛

（國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710100）

0 引 言

GIS 設備自20 世紀50年代便開始在電力行業投入使用，其發展速度和勢頭相當迅猛。就目前情況來看，GIS 的相關技術已經較為成熟，因此在我國電網建設中被廣泛使用。但是，運行過程中它也出現了一些問題，其中較為突出和常見的就是絕緣性故障。GIS 的絕緣性故障會造成內部擊穿，直接引發跳閘停電事故。GIS 設備的絕緣主要分為對地絕緣和相間絕緣，而它的絕緣主要靠的是SF6氣體和不同片數的支撐絕緣子。當這些絕緣介質或者絕緣通道存在一定缺陷時，會使設備內部或者外部發生局部放電。局放發生數次后，GIS 里起著絕緣作用的SF6氣體將在外加放電的作用下經過一系列化學反應生成其他的生成物，且GIS 的固體絕緣介質也會在局放的條件下出現老化、絕緣強度不夠等現象。

綜上所述，正是因為GIS 設備在發生局部放電時伴隨著一些化學反應，可以根據不同放電的不同特征量進行相關檢測。目前，已經運用的檢測手段主要有以局部放電產生的脈沖信號作為檢測信息來源的脈沖流法，采用局部放電產生的電磁波信號作為檢測信息來源的無線電干擾法和特高頻診斷法，以及運用局部放電的電動力產生的機械振動波作為檢測信息來源的超聲波法。本文將對這4 種常見的局部放電診斷方法原理進行分析，并對其性能進行對比研究[1-4]。

1 不同診斷方法的原理分析

1.1 脈沖電流法

當GIS 設備的殼體內部出現了局放現象時，內部的絕緣介質將會存在一些電荷。這些存在于絕緣介質中的電荷能夠診斷采用電極兩端產生不定大小的脈沖電流，那么通過檢測由于局放產生的脈沖電流使得被檢測設備的兩端產生的脈沖電壓，就能夠得到相應的視在放電量。這種診斷方法整體來說比較容易實現，但是外界的電磁信號會對其造成一定的干擾，導致局部放電信號不易被識別出來。所以，這種方法的靈敏度較低，在作業現場使用時存在局限性。

脈沖電流法的基本原理可以用圖1 的電路圖進行簡單描述。當被檢測試品Cx發生了局放現象時，局放產生的脈沖電流i會對Ck這個耦合電容進行充電，從而會在檢測阻抗Zd的兩端出現電位差，即脈沖電壓ΔU。這個有脈沖電流產生的脈沖電壓可能很小，但是通過相關處理儀器傳輸、放大等處理后，可以測量設備局放過程中的一些基本參數。脈沖電流法一般來說只對一些低頻成分（數量級一般為數千赫茲至數兆赫茲）進行采集，可以減少無線電的一些干擾[2-3]。

圖1 脈沖電流法原理圖

1.2 瞬態對地電壓（TEV）診斷法

空氣雖然是良好的絕緣體，但是在濕度較大時也易被高壓擊穿。所以，在電力系統中的絕緣需要采取效果更好的絕緣措施，如采用環氧的PT、CT 以及固體絕緣子和穿墻套管等。局放一般會出現在絕緣材料的內部，電荷會在接地引下線附近大量聚集，會向周圍產生一定的脈沖信號。在這樣的放電模式下，放電產生的能量在最開始會匯集在設備屏蔽層內部的表面上。所以，若設備的屏蔽層一直處于封閉狀態，那么外部不可能接收到局部放電發出的信號。但是，屏蔽層一般都會存在一定的缺陷，如墊圈的連接處、電纜終端等部位，如圖2 所示。如此局部放電信號就能夠通過缺陷處泄露到外部，外部的傳感器就能夠接收到來自局放的高頻信號，從而出現暫態對地電壓。

圖2 TEV 診斷法檢測原理

在電力設備中的局部放電類型主要包括電暈放電、表面放電、內部放電以及懸浮放電等，如圖3 所示。通過相關理論可以知道，發生放電的過程中會在一定的區域內產生較多的帶電粒子，而這些帶電粒子的存在會造成附近電場出現一些變化。交變的電場會產生交變的磁場，電磁波也就出現了，還會在設備的外殼上出現一個暫態的對地電壓。一般情況下都采用電容探測器采集暫態對地電壓（TEV）的信號，從而能夠得到局放的電壓幅值和脈沖周期。

圖3 局部放電類型

對于傳統的脈沖電流法來說，視在電荷量一般能夠通過測量獲取。一般用“pC”表示局部放電的放電強度，用“dB”表示暫態對地電壓的放電強度。脈沖電流法在測量時能夠反映出的內容有限，僅僅能夠反映局放在電極兩端的電壓變化量，而局放的放電路徑不能捕捉到。因此，脈沖電流法在局放定位方面存在明顯不足。現階段，雖然已經逐漸開始為了找到dB 和pC 之間存在的定量關系進行相關的研究，但目前dB依然無法做到對放電強度的量化。結合上述分析，TEV一般用于局部放電的定性檢測，現場使用時大多情況下用來將一組相同類型的設備的運行狀況進行比較，進而確定檢修的先后，也能夠跟蹤測量單個的設備，以發現和掌握該設備的絕緣是否良好[4-5]。

1.3 超聲波診斷法

聲波和沖擊振動波一般也會伴隨著局部放電現象發生出現在設備中。用于檢測超聲波的傳感器大都裝在殼體的外部接收局放產生的信號。此方法的最大優點是用來接收信號的傳感器與電力設備的任何回路都無關，所以沒有所謂的電磁信號干擾，但會在現場使用時受到外界環境的影響。超聲波信號在向遠方傳播的過程中強度有很多衰減，尤其在絕緣材料中更為明顯。但是，超聲波信號在故障定位方面卻有著較高的準確度。結合此分析可以看出，超聲法存在一定的局限性，檢測范圍較小，靈敏性較低。局部放電現象本質上看，實際上是間隙被高壓擊穿的一個過程，它的放電區域半徑一般十分小，因此在某種程度上可以把一個局放的點看作是一個點聲源。局部放電的超聲波檢測法的基本原理如圖4 所示。

圖4 超聲波局部放電檢測原理

聲波在不同形式的介質中的傳播方式不同，如在氣、液體中的傳播方式與在固體介質中有較大區別。氣液體中是以縱波向外傳遞信號，縱波主要依靠分子間的碰撞傳遞信號能量。在固體介質中，聲波的傳播形式會同時包含橫波和縱波。橫波與縱波的不同之處是傳播時質點的振動方向與波的傳播方向成垂直關系，而不是平行關系，那么這需要質點與質點之間有一個較大的力牽動其進行傳播。因此，橫波的傳播介質一般會是密度較大的液體或者固體。一般來說，橫波會在縱波完全透過氣體介質或液體介質抵達外部固體殼體時出現，然后才會在殼體上持續傳播，如圖5 所示。

圖5 聲波的傳播路徑示意圖

如果聲波的頻率和類型不盡相同，那么在溫度不一樣的情況下，通過不同介質進行傳播時，傳播的速率也會有較大差異。縱波的傳播速度約是橫波的2 倍，且隨著頻率的增高，傳播速度也會增加。但是，在礦物油中是個例外，傳播速率反而會在溫度升高的情況下有所降低；在氣體介質中的傳播速度往往比在固體介質中小得多。同時，聲波在任何介質中傳播，其能量都會存在一定程度的衰減。傳播媒介是氣體和液體時，衰減主要是波的擴散造成的。傳播媒介是固體時，衰減主要是由于分子之間的碰撞將能量轉換成了熱能。通過采集超聲波信號到達設備上安裝的各個傳感器上的時間差，結合聲波在各個介質中的傳播速率，能夠定位放電位置所在的平面或者空間，通過對比多個超聲波信號的強度，就能夠計算出放電源的幅值[6-7]。

1.4 特高頻診斷法

特高頻法（UHF）一般是用來檢測設備局放發出的電磁波信號，在GIS 設備中的應用尤為廣泛。但是，受GIS 自身結構的一些影響，局部放電發出來的電磁信號經過GIS 設備傳到UHF 檢測傳感器會出現一些變化，造成局放電源信號的評估難度更大。那么，需要對電磁波信號在GIS 設備中傳輸過程中的一些特點和變化規律進行研究，這對于特高頻法在GIS 設備上的應用十分重要。GIS 一般是同軸結構，如果是在工頻條件下，在計算分析電磁波的傳輸特性時，一般可采用集總參數來表示。暫態的電磁波信號在傳輸時一般可以當作分布參數進行處理，對于微波來說應該看作是同軸波導。此外，GIS 因為絕緣子的存在，它的特性阻抗與波阻抗在某種程度上會不連續的，會造成高頻波在GIS 內部進行多次折射或者反射。因此，局放的UHF 信號變得非常復雜。

在GIS 設備內部發生局放現象時，發出來的特高頻電磁波將會順著設備的腔體進行傳播。GIS 與波導有著類似的結構，均為同軸結構。因此，特高頻電磁波能夠進行一段較長距離的接近無損的傳播，那么只需要將接收天線布置在GIS 盆式絕緣子附近，則由GIS內部傳播出來的相應信號就能夠被容易地采集。但是，GIS 設備內部的材質也不會完全理想化。電磁波必然沒有辦法無損耗傳遞，但是其能量的損耗與傳播長度呈正比。GIS 中有著很多采用法蘭進行連接的結構會構成不連續的點，會導致UHF 信號在向外傳播過程中會發生一定的衰減。有實驗證明，使得UHF 信號能量造成損失的主要原因是這些不連續點的反射。高次模波的色散會導致局部放電信號的幅值有較大的衰減，且波形的一些特征也會發生一些變化，但對于UHF 信號的檢測來說并不會受到很大影響。對于通過絕緣子之后的信號，信號中的低頻部分會發生微小衰減。信號中的高頻部分衰減快慢與頻率有著正相關關系。電磁波信號經過GIS 設備中各不連續構件之后的衰減特性，如表1 所示。

通過以上敘述可知，GIS 設備中由于局部放電而出現的特高頻電磁波（0.3～3 MHz）可以通過UHF 的傳感器采集，從而達到監測設備局部放電的目的。UHF法最大的優點是能夠較為明顯地降低噪聲對測量的干擾，如可用寬頻的UHF避免受到低頻信號的干擾。另外，如果能夠把相應的傳感器較為合理地安裝到GIS 殼體上，就能夠十分精確地定位放電源[8-9]。

2 不同診斷方法性能對比

通過上述局部放電的診斷方法原理的分析以及查閱相關資料[2-9]，對GIS 設備局部放電不同診斷方法的性能進行了總結，如表2 所示。

3 結 論

本文對GIS 設備局部放電診斷中常見的4 種方法的基本原理進行分析，并結合其原理和相關資料對這4種方法的性能進行對比分析，以便在不同的場景和要求下選擇最合適的診斷方法。

表1 電磁波信號經過GIS 設備各構件后的衰減特性

表2 GIS 設備局部放電診斷方法性能對比