GIS局部放電在線監(jiān)測研究現(xiàn)狀

【摘 要】本文首先總結了 GIS 運行中存在的問題，闡述了 GIS 故障主要原因。其次介紹 GIS各種局放信號檢測原理，對各種 GIS 局放信號監(jiān)測原理及特點進行比較。然后綜述了GIS在線監(jiān)測近年來的研究現(xiàn)狀，包括在局部放電源識別和定位等方面取得的研究成果。最后指出了在線監(jiān)測系統(tǒng)及其應用中存在的問題。

【關鍵詞】GIS；局部放電；超高頻法；傳感器

概述：

GIS作為目前廣泛應用的主流電氣設備，它將一座變電站中除變壓器以外的所有一次設備優(yōu)化設計成一個有機組合的整體。與傳統(tǒng)的敞開式設備相比，GIS 具有結構緊湊、占地面積小、噪聲低、無火災危險、檢修周期長、可靠性高等特點。隨著 GIS 的大量使用，不可避免地存在絕緣缺陷而影響其長期可靠性。鑒于絕緣介質在發(fā)生擊穿前都會產(chǎn)生局部放電，因此，對GIS進行局部放電監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)絕緣的早期故障。

GIS中的局部放電是一種電氣現(xiàn)象，SF6氣體的擊穿導致導體中流過一個短時的電流。電流流過GIS的特征阻抗，在導體上產(chǎn)生一個脈沖電壓，從局放源傳播開來。由于局放信號的上升時間很短，頻帶很寬，傳播過程中在GIS腔體內引起電諧振，激發(fā)電磁波。發(fā)生局放后，離子氣體通道急速膨脹，產(chǎn)生聲音壓力波。伴隨著局放還有受激原子產(chǎn)生的光發(fā)射和化學擊穿產(chǎn)物。因而局放的影響是多方面的，有物理的，化學的和電氣的，原則上，它們中的任何一個都可以用來檢測局放的存在。

一、GIS 局部放電產(chǎn)生的原因

（一）固定缺陷。其中包括導體和外殼內表面上的金屬突起，以及固體絕緣表面上的微粒。金屬突起通常是在制造不良和安裝損壞擦劃時造成的，導致毛刺且較尖。在穩(wěn)定的工頻狀態(tài)下不引起擊穿，但在快速電壓如沖擊、快速暫態(tài)過電壓（VFTO）條件下很危險。

（二）GIS腔體內可以移動的自由金屬微粒。金屬微粒是最普遍的微粒，在制造、裝配和運行中均有可能產(chǎn)生，它有積累電荷的能力。在交流電壓場的影響下能夠移動，在很大程度上運動與放電的可能性是隨機的。當靠近高壓導體且并未接觸時，放電最可能發(fā)生，且放電可能性比同樣微粒但為固定物時高10倍左右。

（三）傳導部分接觸不良。例如靜電屏蔽和其它浮動部件。由松動或浮動部件產(chǎn)生的放電可能性很大，通常易于檢測，放電趨向于反復，其放電電荷在nC到μC間轉變。

（四）絕緣子制造時造成的內部空隙和實驗閃絡引起的表面痕跡，還包括或是因電極的表面粗糙或是來自制造時嵌入的金屬微粒。此外因環(huán)氧樹脂與金屬電極的收縮系數(shù)不同，也會形成氣泡或空隙。

這些GIS的絕緣缺陷類型極有可能會在GIS中產(chǎn)生局部放電，在絕緣體中的局部放電甚至會腐蝕絕緣材料，進一步發(fā)展成為樹枝，并最后導致絕緣擊穿。一般來說，由于各種缺陷引發(fā)的局部放電具有以下特征：

在電場不均勻時，在導體周圍易于發(fā)生電暈放電，由于氣體中的分子是自由移動的，因此GIS設備中的電暈放電過程與空氣中的電暈放電相似，在施加電壓的正負峰值附近發(fā)生PD脈沖，隨電壓增加，PD脈沖加大，頻度增加。

GIS設備中絕緣子內部的氣隙放電在工頻正負半周內基本相同，即正負半周放電指紋基本對稱。放電脈沖一般出現(xiàn)在實驗電壓幅值絕對值的上升部分，放電頻率依賴與所加電壓大小，只有在放電強烈時，才會擴展到電壓絕對值下降部分的相位上，且每次放電的大小不相等。絕緣子缺陷在出廠時可能并不出現(xiàn)，但在運輸及安裝過程中有可能造成損傷。一些缺陷最初可能無害，只是在機械振動和靜電力作用下可能輕微移動，形成潛在的隱患。

絕緣子表面的缺陷（如污穢等）有助于電荷的增加，可能會形成表面放電，導致絕緣子表面的絕緣劣化，甚至擊穿。其放電特征是：在電流最大相位過零時發(fā)生小電荷的PD脈沖，隨著電壓上升有不規(guī)則的脈沖出現(xiàn)。

自由導電微粒和固體導體上金屬突起放電的相位分布有著明顯不同。這個特征通?？梢杂脕韰^(qū)分缺陷的類型。固體導體上金屬突起放電由于導電粒子不浮動，其放電特征是：在施加電壓峰值附近發(fā)生大PD脈沖，隨電壓上升PD電平不變，頻度增加。GIS設備中自由導電微粒有積累電荷能力，在交流電壓作用下，靜電力可使導電微粒在GIS筒內跳動，如直立旋轉、舞動運動等。這種運動與放電的出現(xiàn)在很大程度上是隨機的，這一過程與所加電壓大小以及微粒的特性有關。如果一個跳動的微粒接近或運動至GIS設備的高場強區(qū)時，伴隨產(chǎn)生的局放有可能形成通道，造成絕緣擊穿。其放電特征：在施加電壓峰值附近有較大PD的脈沖，并發(fā)生散開，隨著電壓上升，頻度增加，電平無較大變化。相對而言，GIS設備內殘留的金屬碎屑或金屬顆粒產(chǎn)生的各種效應是最為嚴重的，因此，金屬顆粒的放電對GIS設備的危害相對較大。

二、GIS中局放的檢測方法

（一）光學檢測法

光學監(jiān)測法通過光電倍增器可以監(jiān)測到甚至一個光子的發(fā)射，但是由于射線被SF6氣體和玻璃強烈地吸收，因此有“死角”出現(xiàn)，該方法對于已知放電源位置的監(jiān)測比較有效，但不具備對故障的定位能力。并且由于 GIS 內壁光滑而引起的反射帶來的影響，造成靈敏度不高。由于光學檢測法需要把傳感器放到GIS里面，而且只能離線測試，所以不適合用于在線監(jiān)測。

（二）化學檢測法

化學檢測法通過檢測SF6被擊穿分解后的生成物來間接檢測局放。最常用的分析氣體有SOF2和SO2F2兩種，通過用氣相色譜儀和質譜分析可以檢測出，靈敏度可達1×10-6。

化學檢測方法不受電氣干擾的影響，但從發(fā)生局放到由分析氣體檢測出來所需要的時間太長，往往幾小時甚至幾天也得不到結果，這嚴重限制了化學方法在局放檢測中的使用。

（三）聲學檢測法

由于 GIS 內部產(chǎn)生局部放電的時候，會產(chǎn)生沖擊的振動及聲音，因此可以利用腔體外壁上安裝的超聲波傳感器來測量局部放電信號。超聲波法是目前使用的除超高頻方法之外最成熟的局部放電監(jiān)測方法。該方法抗電磁干擾性能好，但是由于聲音信號在SF6氣體中的傳輸速率很低（約 140m/s），且信號的高頻部分衰減很快，信號通過不同的介質的時候傳播速率不同，且在不同材料的邊界處會產(chǎn)生反射，因此信號模式變的很復雜。它要求操作人員必須具有豐富經(jīng)驗或者受過良好培訓，另外長期監(jiān)測的傳感器比較多，現(xiàn)場使用很不方便。

（四）電氣檢測法

1、常規(guī)電測法

常規(guī)電測法又稱脈沖電流法，它是IEC于1981年正式提出并被廣泛采用的局放檢測方法。對外部電路而言，GIS是一個有電荷損耗的集中電容，通過在外部并列安裝一個耦合電容傳感器，可以測得發(fā)生局放時的電量。

常規(guī)電測法可以通過調節(jié)傳感器和等值電容的比值獲得最佳的靈敏度，并可對測量系統(tǒng)進行標度，但是易于受到外部的電磁干擾，為了獲得最高的測量靈敏度，需要將測試裝置完全屏蔽，這對于測試整個GIS通常是不可行的。此外，常規(guī)電測法無法對局放源進行定位，因而不能用于運行中GIS局放的在線檢測。

2、超高頻法[1]

超高頻（UHF）法于20世紀80年代初期由英國中央電力局實驗室提出。UHF法通過安置在GIS中的傳感器檢測局放電磁波的UHF部分。UHF法有較強的抗干擾（通常的噪聲干擾頻率都在300MHz以下）及局放源定位能力（理論上可以小于10cm），但隨著與局放源距離的增大，信號衰減很大（約2dB/m），導致傳感器間的距離較?。?～10m），因而在線檢測也需要為數(shù)不少的傳感器。

3、TEV檢測法

高壓電氣設備發(fā)生局部放電時，放電量往往先聚集在與接地點相鄰的接地金屬部位，形成對地電流在設備表面金屬上傳播。對于內部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內表面，屏蔽連續(xù)時在設備外部無法檢測到放電信號，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續(xù)，局部放電的高頻信號會由此傳輸?shù)皆O備屏蔽外殼。因此，局部放電產(chǎn)生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊傳出，并沿著設備金屬箱體外表面繼續(xù)傳播，同時對地產(chǎn)生一定的暫態(tài)電壓脈沖信號，該信號即為暫態(tài)對地電壓TEV。在GIS局放檢測方面，研究發(fā)現(xiàn)，由于設備外殼內外表面感應的電荷有一固定的比例，其產(chǎn)生的TEV 信號與原始的放電電流有較強的相似性，而且這種設備外部的信號可以通過特制的電容型局放傳感器獲取出來。從而提供了一種新的對設備正常運行不產(chǎn)生任何干擾的局部放電檢測技術。基于TEV技術的局部放電傳感器通常利用其頭部的金屬電極與GIS或開關柜的外殼形成小電容。局部放電引起的電磁波信號通過小電容耦合到檢波電容上，再經(jīng)放大降噪后檢測出來。這種方法檢測頻帶可以達到1～25MHz，并可以達到較高的檢測靈敏度。

對于GIS中局放的各種檢測方法，普遍結論是：1、聲學檢測法、常規(guī)電測法和UHF法都有良好的靈敏度。2、聲學和UHF法可對局放源進行定位，而常規(guī)電測法不可以。3、常規(guī)電測法需要一個外部耦合電容，不能用于運行中的GIS。4、目前聲學檢測法適宜于現(xiàn)場檢測，而UHF法可用于局放的連續(xù)在線監(jiān)測。5、化學和光學檢測法的靈敏度較低，一般不用于在線檢測。6、TEV檢測主要在開關設備缺陷檢測中應用，使用TEV進行GIS絕緣缺陷檢測的研究仍較少，具有良好的發(fā)展前景。

三、GIS中局放監(jiān)測技術的研究現(xiàn)狀

（一）局放檢測

目前對于局放的檢測主要集中在采用聲學傳感器（加速度傳感器及AE傳感器）檢測局放聲信號及采用UHF傳感器檢測局放的超高頻電磁波。此外，如何從檢測到的信號中提取有用的局放信號也是后續(xù)比較重要的工作。

在抑制干擾、提取局放信號方面，有學者提出了動態(tài)頻譜的概念及相門控制方法。動態(tài)頻譜的測量（采用小波變換）可以看出局放水平的變化趨勢，但只限于甚高頻（VHF）范圍，對于UHF法檢測是否有效還需要進一步的研究；相門控制方法可以分離局放信號與電暈干擾，但這種方法是基于放電相位判別技術的，它的有效性依賴于相位判別技術的進一步發(fā)展。

（二）局放源定位

GIS 中局放源的準確定位可顯著縮短維修時間，對于降低 GIS 的維修成本具有重要意義。目前常用的局放源定位方法是時間差方法（time of flightmethod），即根據(jù) UHF 信號到達兩個傳感器的時間差及信號傳播的速度來定位（距離定位）。但 GIS中電磁波諧振模式具有多樣性及不規(guī)則性，準確判斷信號到達傳感器的時間很困難，此外，由于電磁波以光速傳播，定位對分析儀器也提出了很高的要求，例如為達到 10cm 以內的定位精度，需要的時間分辨率為 0.1ns，這在理論上雖然可行，但在實際應用中卻比較困難。近年來也有學者對方向定位方法進行了研究，方向定位法是一種粗定位方式，利用電磁波的傳播及干涉特性進行定位，目前在日本和德國都有大學在進行研究[2] ，方向定位的精度遠不及距離定位，但相對比較快捷簡單，也有一定的應用價值。

（三）局放源識別

局放信號的量大致正比于放電現(xiàn)象的嚴重程度，但局放對系統(tǒng)的危害性主要取決于局放源的類型。因此，正確識別局放源對于評估設備的絕緣狀態(tài)至關重要。

對于局放源的識別主要是基于信號的統(tǒng)計特征和相位分析的，也是一個普通的模式識別的問題?？刹捎脤＜蚁到y(tǒng)結合模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡（NN）及分形分析等來解決這個問題。

幾種方法相比較而言，NN有較高的識別準確率。近年來，關于智能神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）和模塊神經(jīng)網(wǎng)絡（MNN）的報道較多，效果也很好。但是目前所報道的高識別率都是基于一些理想情況，或是采用設計良好的局放源，或是沒有干擾?？紤]到復雜的現(xiàn)場狀況、局放的統(tǒng)計本性及各種局放模式相似性很強等因素，NN的實際識別效果會受到較大的影響。

此外，最近還出現(xiàn)了一種新的識別方法，即比值法。這種方法同時采用兩個傳感器，一個為環(huán)形對稱的，一個為非對稱的，通過提取兩個傳感器輸出的比值，可以有效地消除噪聲并識別出局放源。由于GIS中不同的電磁場分布，比值顯示了不同局放源之間明顯的差異。增加不對稱指數(shù)可以使比值間的閾值增大，更便于識別判斷。相比于常規(guī)的局放識別方法，比值法不需要參考相位、先進的數(shù)字信號處理及昂貴的噪聲濾波器，但需要的傳感器數(shù)量要多一倍，且制造安裝的要求較高。

（四）絕緣狀態(tài)評估

正確的狀態(tài)評估是制定合理的維修策略的前提，但是由于局放與絕緣壽命之間目前還沒有明確的定量關系，對于狀態(tài)的評估更多地是依靠工作人員的經(jīng)驗，這不可避免地會產(chǎn)生誤判，造成一些損失，近年來，有學者提出基于局放電流脈沖波形分析（PD-CPWA）的方法，用以評估固體絕緣子的絕緣損壞情況。CPWA技術著重于單個局放電流波形參數(shù)的時間轉換，如時域波形的上升時間、下降時間和di/dt，實驗顯示，在擊穿前正極性局放急劇增加，且有一些間歇的無局放時間段，最后一個導致?lián)舸┑木址趴梢员怀晒Φ刈R別出來。

四、GIS中局放在線監(jiān)測應注意的問題

（一）局放信號傳播的建模

電磁波在GIS中傳播的形式不是單一的，既有橫向電磁場波（TEM），又有橫向電場波（TE）和橫向磁場波（TM）。電磁波在GIS中諧振的模式很復雜，近似可以用傳輸線模型來研究GIS中的信號變化[3]。

近年來，這一方面的研究較多，有學者研究用反射和傳輸系數(shù)來表征每個GIS部件，最終可以計算出UHF傳感器的位置，并確保在實驗室的環(huán)境下5pC的檢測靈敏度（對于主要的放電源）。也有學者提出在低頻500MHz以下，絕緣子孔上的連接閂有電磁屏蔽的效果；高頻500MHz～1.2GHz，由于連接閂的電感和絕緣子孔的電容發(fā)生并聯(lián)諧振，電磁波很容易輻射出來；增加絕緣子的厚度會減弱屏蔽效果，增加電磁波的輻射；1.2GHz以上，由于連接閂的高阻抗，有和沒有連接閂的頻譜很相似；1.5GHz以上的電磁波主要通過外殼輻射，而不是通常認為的從絕緣子上的孔中輻射到外面。這些研究結論對于用UHF法檢測局放來說都很重要。

局放是一種電現(xiàn)象，附帶產(chǎn)生聲音信號，這使聲學檢測法受到一定的限制。在外殼上可測得的聲音信號與原始局放之間有一個很復雜的傳遞函數(shù)，其中包括許多在測試時還不知道的因素。近年來在聲學檢測法方面的理論研究取得了若干進展，有學者研究指出，GIS中激發(fā)聲波的機理可以建模為流體結構相互作用的問題。這對于進一步完善聲學檢測法具有重要的意義。

（二）傳感器

對于聲學檢測法，常用的傳感器為加速度傳感器和AE傳感器。鑒于現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境（電磁干擾，腐蝕材料等）及光纖傳感器的高靈敏度和高可靠性，近年來有學者研究采用光纖傳感器檢測GIS中的超聲壓力波。用于GIS系統(tǒng)中的局放監(jiān)測時，傳感器纏繞在GIS外殼上，可以對SF6中的局放進行定位，據(jù)稱檢測靈敏度可達20pC。這種方法不及UHF法成功，但是可以像AE傳感器一樣，很容易對局放源進行定位。

對于UHF法，為了獲得最大的靈敏度應該采用內置傳感器，但是對于早期設計制造的GIS，這種方案不可行。為此需要外置的UHF傳感器。可以放置在檢查窗口或是連接閂上。外置傳感器相比于內置傳感器雖然靈敏度要低一些，但卻具有更安全、檢測方式更靈活的特點，在現(xiàn)場使用中獲得了良好的效果。

（三）靈敏度

對于GIS，UHF測量是一種比較靈敏的方法。但是該方法的靈敏度取決于局放源的類型及局放源和傳感器之間GIS部件的數(shù)量和類型。

近年來有研究顯示，UHF信號在GIS中傳播時的衰減與部件成線性關系，且并不是所有嚴重的局放源都可以用UHF法檢測出來。

關于UHF設備靈敏度的驗證，英國Strathclyde大學近來提出了一種接觸放電方法，不需要SF6氣體，并且裝置由低電流直流供電，電壓低于1kV。試驗證明，測試單元的接觸放電會產(chǎn)生合適寬帶的信號，耦合器能夠獲得小于5pC的靈敏度。

（四）混合氣體中的局放檢測

由于SF6氣體泄漏對環(huán)境影響嚴重，近年來絕緣傾向于采用SF6和N2的混合氣體，但是這對于GIS中的局放檢測又會產(chǎn)生一些新的問題，根據(jù)近年的研究，用聲學檢測法檢測時，如果假定SF6中的靈敏度是標準的，那么由于不同的氣體對聲音的傳播特性影響不同，混合氣體中的靈敏度將不能夠確定。

五、結語

目前，用于GIS中局放檢測的方法以UHF法和聲學檢測法為主。UHF法和聲學檢測法都有較好的抗干擾和定位能力，檢測靈敏度都比較高。

兩者都存在類似的缺點，所檢測的信號在傳播過程中發(fā)生嚴重的衰減，這導致固定安裝所需的傳感器數(shù)量較多。目前UHF法采用的傳感器多為固定安裝的，而聲學檢測法采用的傳感器多為便攜式的。固定安裝的傳感器適合于連續(xù)遠程監(jiān)測，而便攜式的傳感器則更適合于現(xiàn)場定期檢測。

參考文獻：

[1]邱毓昌.用超高頻法對 GIS 絕緣進行在線監(jiān)測[J].高壓電器，1997，（4）：36-40.

Qiu Yuchang . UHF based online insulation monitoring of GIS[J].High Voltage Apparatus，1997，（4）：36-40.

[2] Anon.Partial discharge testing of gas insulated substations[J].IEEE Trans on Power Delivery，1992，7（2）：499-506.

[3]李鵬，劉明波.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的模型跟蹤自校正勵磁控制研究[J].電力系統(tǒng)自動化，1997，21（1）：36-39.

Li Peng，Liu Mingbo.The design of model tracking self-tuning excitation controller using neural networks[J].Automation of Electric Power Systems，1997，21（1）：36-39.

作者簡介：

汪滔（1976—），男，云南貴州遵義人，工程師，學士，現(xiàn)在云南電網(wǎng)公司楚雄供電局工作，從事變電運行生產(chǎn)技術管理。

張爾?。?972—），男，云南武定人，工程師，學士，現(xiàn)在云南電網(wǎng)公司楚雄供電局工作，從事變電運行生產(chǎn)技術管理。

沈 燚（1983—），男，貴州瓫安人，工程師，學士，現(xiàn)在云南電網(wǎng)公司楚雄供電局工作，從事變電運行生產(chǎn)技術管理。

趙思明（1973—），男，云南楚雄人，工程師，現(xiàn)在云南電網(wǎng)公司楚雄供電局工作，從事變電運行生產(chǎn)技術管理。