GIS局部放電檢測原理及現場應用

魯志沖，張逸峰

(國網上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

0 引言

GIS 已廣泛應用于各個電壓等級的變電站，將斷路器、開關、互感器等高壓電器元件封閉在充滿SF6的金屬筒體內，雖能大量減少維護檢修工作，但也大大增加了設備缺陷的隱蔽性[1]，特別是GIS內部產生局部放電故障時，傳統的電氣試驗方法很難發現該缺陷，只有當局部放電惡化到一定程度才會引起絕緣強度的下降。隨著帶電檢測技術特別是局部放電檢測技術的不斷發展，特高頻和超聲波檢測技術被普遍運用于變電站GIS 的巡檢中，并結合時差法和聲電聯合法實現局部放電發生位置的精確定位。

1 檢測原理介紹

1.1 特高頻檢測原理

當局部放電發生時，由于電場快速畸變，會向外輻射出數GHz 的電磁波[2]，電磁波能被GIS 的金屬外殼屏蔽，但可通過GIS 絕緣盆子澆注口或無金屬屏蔽的絕緣盆子向外傳出，因此，在筒體內部或絕緣盆子處安裝特高頻傳感器就可以接收到這些電磁波，從而判斷有無局部放電故障。

特高頻信號可在GIS 同軸結構中遠距離傳播，同時避免了設備運行中機械振動的影響，避開了電暈放電的頻段。因此，特高頻法具有靈敏度高、抗低頻干擾能力強、檢測范圍廣等優點。目前特高頻傳感器檢測的頻帶一般為300 MHz 到1.5 GHz。

1.2 超聲波檢測原理

GIS 局部放電的同時也會引起機械振動，該振動頻率一般大于20 kHz，屬于超聲波[2]，利用超聲波傳感器可檢測相關信號，從而證明局部放電的存在。

超聲波在傳播過程中衰減很快，特別是在環氧樹脂等絕緣材料中能量損失很大，因此，測試點一般選擇在GIS 金屬殼體上。該方式對絕緣內部缺陷的局部放電檢測不靈敏，因檢測的是機械振動，可避免現場復雜電磁環境的干擾[3]。

2 局部放電故障定位

2.1 時差法定位

時差定位法是利用布置在不同位置的特高頻傳感器接收到同源特高頻信號的時間差以及特高頻信號在GIS中的傳播路徑定位出局部放電源的位置[4]。

特高頻電磁波信號的傳播速度等于光速，為了定位的精確度，需要用到采樣頻率在1 GHz 以上的高速數字示波器。由于現場電磁環境復雜，確定信號起始沿的時間差需要豐富的經驗，并且需要考慮GIS 結構中的轉角對信號傳播的影響，該方法可大致定位局放產生的部位。實際操作中經常使用等分平面法，即選取合適的位置安裝傳感器，使得兩個特高頻信號在示波器上幾乎同時出現，那么可以認為放電源位于兩個傳感器中間的等分平面上。

2.2 聲電聯合定位

由于特高頻電磁波在GIS 內的傳播速度遠大于超聲波，特高頻傳感器接收到信號的時間可以忽略不計，以特高頻接受到信號的時刻為局部放電發生的起始時刻，超聲傳感器接收到信號與特高頻傳感器接收到信號之間的時間差為超聲信號傳播的時間，結合超聲波在GIS 內的傳播速度以及傳播路徑來定位放電源的位置。

實際操作中，一般在GIS 筒體外殼上移動超聲傳感器找到與特高頻信號時差最小位置的截面，再在截面上移動超聲波傳感器，找到與特高頻信號時差最小的位置。該方法較特高頻時差法定位更為精確。

3 實踐應用

3.1 時差法定位應用

某220 kV 變電站采用雙母雙分段接線方式，在該站進行局部放電巡檢時，發現在220 kV 副母C 相近2 號母聯間隔附近內置傳感器存在異常特高頻信號。為了確定異常放電點的來源，采用特高頻時差法進行初步定位。將1 號特高頻檢測通道連接在副母C 相(近2 號母聯間隔)的內置傳感器上，2號特高頻檢測通道連接在副母C相(近2B40間隔)內置傳感器上，一次接線示意如圖1。

測試結果如圖2 所示，特高頻通道2 的信號超前于通道1，可以判斷放電源更靠近2B40 間隔。類似地，對多個位置的內置傳感器的特高頻信號進行分析，2B40 間隔副母C 相內置傳感器上測得特高頻信號均超前于其他鄰近的內置傳感器，因此該特高頻信號應源于2B40 間隔C 相。

圖1 時差法一次接線示意(初次定位)

圖2 時差法圖譜(初次定位)

為了進一步確定放電源在2B40 間隔的位置，對2B40 間隔的局放源再次進行時差法定位。將3號特高頻檢測通道連接在副母C 相(近2B40 間隔)內置傳感器上，4 號特高頻檢測器通道連接在2B40間隔線路側的內置傳感器上，一次接線示意如圖3。

測試結果如圖4 所示，通道3 和通道4 的特高頻信號無明顯時差，可以推斷放電源應大致在兩傳感器之間的中間的等分平面上，即2B40 間隔C 相斷路器處。

3.2 聲電聯合定位應用

為了更精準地定位放電源的位置，采用聲電聯合法進行測試，通道3 和通道4 特高頻檢測通道保持不變，將超聲傳感器用耦合劑粘貼在2B40 間隔C 相斷路器的外壁上進行檢測，通過不斷移動超聲傳感器的位置，找到了與特高頻信號時差最小的點，測試圖譜如圖5 所示。

圖3 時差法一次接線示意(二次定位)

圖4 時差法再次定位圖譜(二次定位)

圖5 聲電聯合法圖譜

兩個通道的特高頻信號幾乎同時出現，大約50 ～100 μs 后出現超聲信號，特高頻信號與超聲信號存在相關性，為同一局放信號所產生。因此，可確定放電源位置。

3.3 解體檢查

經局放檢測定位到放電源后，對2B40 間隔C相斷路器進行現場停電解體維護，發現在該斷路器內部的絕緣支撐桿表面附著一些細小的金屬顆粒，同時在腔體底部發現大量的金屬顆粒。從解體的情況來看，通過上述方法測定位到的放電源位置與實際情況一致。

4 結束語

GIS 局部放電檢測技術能及時有效地發現、定位設備的絕緣缺陷，做到早發現、早診斷、早處理，降低跳閘事故的發生，保障電網的安全穩定運行。局部放電檢測過程中，往往會遇到復雜的現場環境，需要檢測人員不斷積累經驗，靈活的使用各種檢測方法，取長補短，相互印證，不斷提高檢測的效率，確保設備安全穩定運行。