GIS 與容性設備帶電檢測與停電試驗對比分析研究

劉瀟

（國網天津市電力公司檢修公司，天津300232）

1 研究的目的和意義

本項目以超聲波、超高頻局部放電檢測技術為手段，研究組合電器和容性設備的局部放電抗干擾技術、典型絕緣缺陷的局部放電發展過程及放電機理，尋求能夠表征不同放電故障類型局部放電發展過程及危險程度的局部放電特征參量，并針對典型絕緣缺陷建立變電設備帶電檢測和停電試驗2 種情況下的相位圖譜庫，將二者進行比較。同時，針對2 種測試情況下各參數測試結果的相關性進行研究，提出可行性替代方案，為GIS 與容性設備故障診斷提供快速準確的測試方法。

2 國內外研究水平現狀

2.1 國外研究機構對本項目的研究情況

國際上很多著名公司和科研機構，如英國DMS，德國的西門子公司，瑞士的ABB 公司和荷蘭的KEMA 實驗室等都已經競相研制并推出局部放電監測系統。瑞士某大學曾開發過一種同時支持寬帶和窄帶多通道、實時響應的組合電器局部放電檢測裝置。該裝置能夠實現對放電源的定位和測量，但是精度不夠，需要進一步改進。對于局部放電數據的分析，意大利Techimp 的PDProcessing II 軟件能夠繪制多種放電圖譜，并且可以給出一個初步的故障診斷結果，但由于理論性比較突出，現場實際應用性不強[1]。

2.2 國內其他研究單位對本項目的研究情況

國內某些從事電力設備局部放電試驗研究的科研院所以及一些知名高校，如中國電科院、華北電力大學、天津大學等都相繼研發出自己的成果。不僅在局部放電理論研究上取得了突破，還對改進相關傳感器等設備的研制取得了成果。例如，清華大學曾研制出基于超高頻法的局部放電檢測儀，該設備能夠實現故障源的定位，但是對于信號的分析處理有待加強。

3 項目的理論和實踐依據

3.1 項目研究內容的原理簡述

局部放電的原理是由于絕緣介質內部存在氣泡、水分等雜質，在電場作用下導致各部分承受電場強度不一致，使某些區域的場強達到了擊穿強度，從而發生放電，其他部分仍然保持絕緣狀態。局部放電發生后，放電粒子會破壞絕緣介質的內部結構，使其發熱分解逐步失效。同時，放電發生后會使絕緣油分解，降低其絕緣性能。

3.2 項目研究內容的理論依據

通過對國內外變電設備絕緣缺陷帶電檢測以及模式識別方法的調研，提出建立以超聲波和超高頻局部放電檢測為主體的多參數GIS 和容性設備絕緣缺陷局部放電檢測系統。通過大量的試驗研究規范各系統使用的硬件設施、軟件平臺和評價閾值，為運行單位提供可供參考的帶電檢測技術導則[2]。

3.2.1 超聲波檢測法

超聲波檢測法是利用聲學技術檢測局部放電的一種現場試驗方法。該技術利用壓電晶體作為傳感器，可以捕獲60～300kHz 的放電頻率。當前，超聲波檢測技術廣泛應用于GIS、開關柜等一次設備的局放檢測中，并取得了良好的效果。

3.2.2 高頻電流檢測法

高頻電流檢測法采用Rogowski 線圈高頻電流傳感器，局部放電產生的高頻電流會以電磁波的形式向周圍傳播能量，此時，Rogowski 線圈傳感器利用電磁耦合原理來獲取放電信號。其原理如圖1 所示。

圖1 高頻電流檢測法原理圖

圖1 中，M為電流傳感器的互感；C0、R0分別為線圈取樣阻抗；Ls為線圈的自感；Rs為線圈等效電阻；Cs為線圈雜散電容；r1為線圈內徑；r2為線圈外徑；s為界面厚度；h為截面高度；D1為線圈內直徑；D2為線圈外直徑；i（t）為傳感器繞線流過電流；i1（t）為被測電流；U0（t）為終端電阻的端電壓；Ui（t）為羅氏線圈感應電動勢。實踐表明，該線圈可以在10kHz～40MHz 頻帶內捕獲放電信號，同時具有較高的靈敏度。高頻電流檢測法傳感器正是利用羅氏線圈的原理，目前開發為內置式和外置式2 種傳感器。

3.2.3 超高頻檢測法

超高頻檢測法是20 世紀發展起來的一種較為實用的局部放電檢測方法。該技術通過利用耦合器和傳感器獲取設備內部發出的局部放電信號，通常頻帶可達到300～1 500MHz。由于GIS 設備內部相當于一個同軸波導，所以，便于電磁波的順利傳播，利用超高頻檢測技術的高靈敏度和抗干擾的特點，可以將局部放電源精確定位。目前，該技術已在電力系統內廣泛應用，并取得了良好的效果。

3.3 項目研究的關鍵和難點

項目研究的關鍵和難點包括：（1）超聲波傳感器的響應值與局部放電量的關系；超聲波信號在典型結構類型的電纜終端或接頭中衰減情況；（2）建立傳感器系統最優的生產、安裝及運行標準是實現局放準確測量的前提；（3）在組合電器及容性設備的樣品上制作典型缺陷模型，提取其放電特征，建立典型缺陷局部放電相位圖譜庫，分析各類缺陷在時域及頻域下的相關特性；（4）針對主要設備典型絕緣缺陷，結合停電絕緣試驗結果進行對比分析，提出具體帶電檢測技術手段可代替停電試驗的項目，并提出可行性意見。

4 項目研究內容

4.1 帶電檢測與停電試驗的對比分析

帶電檢測方法主要有3 種：超聲波檢測法、高頻電流檢測法和超高頻檢測法。停電絕緣試驗主要包括介質損耗測試和絕緣電阻測試等。通過不同的帶電檢測方法建立組合電器和容性設備內部典型絕緣缺陷局部放電相位圖譜庫，分析典型絕緣缺陷的圖譜特征，將帶電檢測與停電絕緣試驗相比較，提出具體帶電檢測技術手段可代替停電試驗的項目，并提出可行方案。

4.2 理論研究和試驗內容與項目總目標的因果關系

建立典型GIS 和容性設備缺陷模型是實現項目總目標的基礎。對放電信號的分析處理是實現項目總目標的核心，包括：確定超聲波信號在一定的運動速度和距離下的畸變衰減情況；超聲波傳感器的響應值與放電量的關系；選擇最優的超聲波測試頻帶；研究高頻、超高頻傳感器；建立組合電器和容性設備的超聲波、高頻和超高頻典型缺陷局部放電相位圖譜庫，確定組合電器與容性設備帶電檢測技術手段可代替停電試驗的項目是實現項目總目標的必備條件。

5 結語

本項目通過研究GIS 和容性設備的典型絕緣缺陷，建立了典型缺陷圖譜庫，并結合停電絕緣試驗結果進行綜合對比分析。通過現場進行試驗比對，提出具體帶電檢測技術手段可代替停電試驗的項目，并提出可行性意見。