UHF檢測方法在GIS局放帶電檢測中的應(yīng)用分析

【摘要】本文主要介紹了GIS內(nèi)部局部放電的常見類型，并對GIS常見的幾種分析方法進(jìn)行比較，同時重點介紹了特高頻檢測方法及幾種放電類型的典型放電圖譜，并介紹如何利用UHF方法進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】GIS局放;帶電檢測;UHF;放電類型特征

1.GIS概述

GIS具有空間體積小、占地面積少、不受外界環(huán)境影響、運行安全可靠、有利于環(huán)境保護(hù)、配置靈活和維護(hù)簡單、檢修周期長等優(yōu)點，而且在技術(shù)上的先進(jìn)性和經(jīng)濟上的優(yōu)越性，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個高壓輸變電系統(tǒng)中。但GIS的內(nèi)部存在局部放電缺陷時，隨著運行時間，缺陷導(dǎo)致老化，直到事故的發(fā)生。因此GIS能否正常運行已經(jīng)影響到整個電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，且因GIS的結(jié)構(gòu)特點和變電站現(xiàn)場的電磁環(huán)境經(jīng)常限制常規(guī)局部放電檢測試驗，造成在現(xiàn)場條件下的GIS局部放電檢測和定位難以有效進(jìn)行。而且目前不斷有GIS達(dá)到規(guī)定的免維護(hù)運行年限，如何進(jìn)行這些設(shè)備的維護(hù)已是實際面臨的迫切問題。

目前針對局部放電的檢測方法主要有：光學(xué)檢測法、化學(xué)檢測法、聲學(xué)檢測法、耦合電容法等。本文主要介紹目前應(yīng)用較廣泛的UHF檢測方法，該技術(shù)能夠在GIS正常運行和無需拆動GIS任何部件的條件下，檢測和定位其內(nèi)部的局部放電，能夠屏蔽變電站環(huán)境中的主要電磁干擾，包括空氣中電暈放電的干擾，同時通過相關(guān)的圖譜判斷GIS中可能的主要局部放電類型。該技術(shù)的應(yīng)用能夠幫助及時發(fā)現(xiàn)GIS的絕緣缺陷，避免絕緣故障;能夠彌補常規(guī)局部放電檢測的不足，為GIS局部放電檢測和定位提供新的手段;能夠幫助實現(xiàn)GIS絕緣狀態(tài)維修，減少停電時間和節(jié)省維修費用，具有重大的經(jīng)濟意義。

2.檢測原理介紹

2.1 局部放電概述

局部放電為導(dǎo)體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電，一般是由于絕緣體內(nèi)部或絕緣表面局部電場特別集中而引起的。局部放電是一種復(fù)雜的物理過程，除了伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗之外，還會產(chǎn)生電磁輻射、聲音、超聲波、光、熱、氣體以及新的生成物等。從電性方面分析，產(chǎn)生放電時，在放電處有電荷交換、有電磁波輻射、有能量損耗。

局部放電對電氣設(shè)備絕緣會產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，主要表現(xiàn)在由于放電產(chǎn)生的局部發(fā)熱、帶電粒子的撞擊、化學(xué)活性生成物以及射線等因素對絕緣材料的損害。這種對絕緣的破壞作用是一個緩慢發(fā)展的過程，對運行中的高壓電氣設(shè)備是一種隱患。

圖1 樹脂絕緣中的氣隙

2.2 GIS局部放電常見的原因

GIS是封閉式氣體絕緣組合電器的簡稱。其絕緣系統(tǒng)的特點是在一個金屬封閉體內(nèi)充滿SF6氣體，用絕緣子把載流導(dǎo)體支撐在外殼上。由于GIS內(nèi)工作場強很高，就可能產(chǎn)生下述幾種局部放電。

（1）GIS設(shè)備中固體絕緣材料內(nèi)部的缺陷：如生產(chǎn)工藝過程中殘存在樹脂絕緣內(nèi)部的氣隙，如圖1所示。

（2）GIS設(shè)備內(nèi)殘留自由導(dǎo)電微粒：如由于生產(chǎn)制造過程中遺留在SF6中金屬碎屑、金屬顆粒等導(dǎo)電微粒在強電場下產(chǎn)生移動的局部放電，這是較為普遍存在的一種缺陷。如圖2所示。

圖2 自由導(dǎo)電顆粒

（3）GIS設(shè)備中的導(dǎo)體表面存在突出物：如毛刺、尖角、設(shè)計不合理等，這種缺陷易發(fā)生電暈放電，在穩(wěn)定的運行電壓下一般不會引發(fā)絕緣擊穿，但在沖擊電壓下可能導(dǎo)致絕緣擊穿。如圖3所示。

圖3 電暈

（4）GIS設(shè)備內(nèi)的導(dǎo)體接觸不良等。如圖3所示。

圖4 高壓導(dǎo)體接觸不良

（5）絕緣體表面的導(dǎo)電顆粒引起的局部放電。如圖5所示。

圖5 表面導(dǎo)體顆粒的放電

2.3 UHF檢測方法

GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時，其產(chǎn)生的放電脈沖上升時間和持續(xù)時間相當(dāng)短暫，一般只有幾個ns，其對應(yīng)的信號頻域十分寬廣。在傳播時，不僅會以橫向電磁波（TEM）形式傳播還會建立高次橫向電波（TE）和橫向磁波（TM）。橫向電磁波為非色散波，可以以任何頻率在GIS中傳播，但頻率越高TEM衰減一般越快。高次橫向電波（TE）和橫向磁波（TM）則具有各自的截止頻率，當(dāng)且僅當(dāng)信號頻率高于截止頻率時才能進(jìn)行有效的傳播。

由于GIS的同軸結(jié)構(gòu)本身是一個良好的波導(dǎo)，電磁波信號在內(nèi)部的衰減很小，一般300MHz～3GHz的電磁波信號可以在內(nèi)部有效傳播，但又可以從GIS的盆式絕緣子連接處泄露出來。因此通過接收這些電磁波信號并進(jìn)行分析，從而判斷有無局部放電和可能的局部放電類型。目前主要是采用內(nèi)置式UHF傳感器（internal sensor）或外置UHF傳感器（external sensor）檢測GIS內(nèi)部的局部放電。

圖6 UHF檢測示意圖

目前發(fā)達(dá)國家經(jīng)過多年的運行，為應(yīng)用超高頻法研究GIS局部放電提供大量可靠的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，如在英國所有新投入運行的GIS都被指定安裝用于超高頻監(jiān)測的內(nèi)部傳感器。但對于早期或已經(jīng)投運的GIS設(shè)備安裝內(nèi)置式傳感器是不可行的，只能采用外置式傳感器。相比內(nèi)置式，外置式傳感器的靈敏度相對較低一些，但安裝靈活、不影響系統(tǒng)的運行、安全性高，因而目前也得到了廣泛的應(yīng)用。

2.4 其他的檢測方法

研究表明，GIS中的局部放電會產(chǎn)生電磁波信號，而且接地線上有放電脈沖電流流過，捅死在GIS氣體中產(chǎn)生縱波或超聲波，也可導(dǎo)致六氟化硫氣體分解或發(fā)光。放電過程中的這些物理和化學(xué)變化特征都可作為局部放電檢測信號的傳感對象。除了上述介紹的UHF檢測方法外，目前還有以下幾種常見的檢測方法。

（1）耦合電容法又稱脈沖電流法

一般在GIS外殼上敷設(shè)絕緣薄和金屬電極，外殼與金屬電極間構(gòu)成一個電容，可將高頻放電信號耦合至檢測阻抗上。該法結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)。但在現(xiàn)場測試時，容易受各種噪聲干擾。此外還有內(nèi)部電極法和外接電流傳感器兩種方式。

（2）超聲波監(jiān)測法

由于GIS內(nèi)部產(chǎn)生局放時會產(chǎn)生沖擊振動及聲音，因此可用腔體外壁上安裝的超聲波傳感器測量局放量。這種方法抗電磁干擾性能好，但由于聲音信號在SF6 氣體中的傳輸速率很低（約140m/s），信號通過不同物質(zhì)時傳播速率不同，不同材料的邊界處還會產(chǎn)生反射，因此信號模式很復(fù)雜，且其高頻部分衰減很快。它要求操作人員須有豐富經(jīng)驗或受過良好的培訓(xùn)，另外長期監(jiān)測時需要的傳感器較多，現(xiàn)場使用很不方便。

（3）化學(xué)監(jiān)測法

通過分析GIS中局放所引起的氣體生成物的含量來確定局放的程度，但GIS中的吸附劑和干燥劑會影響化學(xué)方法的測量;斷路器正常開斷時產(chǎn)生的電弧的氣體生成物也會產(chǎn)生影響;脈沖放電產(chǎn)生的分解物被大量的SF6 氣體稀釋，因此用化學(xué)方法監(jiān)測PD的靈敏度很差。另外，該方法不能作為長期監(jiān)測的方法來使用。

（4）光學(xué)監(jiān)測法

局部放電過程中產(chǎn)生光子，因此利用安裝在GIS中的光電傳感器進(jìn)行光測量來評價局部放電的強弱，這也稱為光電法。光電傳感器可監(jiān)測到甚至一個光子的發(fā)射，但由于射線被SF6 氣體和玻璃強烈地吸收，且隨著氣體密度的增大而吸收能力越高，因此容易有“死角”出現(xiàn)，所以一般需要大量的傳感器。該法監(jiān)測已知位置的放電源較有效，不具備定位故障能力，且由于GIS內(nèi)壁光滑而引起反射帶來的影響使靈敏度不高，但這種方法不存在電磁干擾問題。

將以上4中檢測方法和UHF檢測方法進(jìn)行對比，可以得到表1的信息。

表1 不同檢測方法比較情況

監(jiān)測方法 優(yōu)點 缺點 適用性 精確定位 故障識別 應(yīng)用范圍

UHF法 靈敏度高 價格高 各種類型局放 能 能 較廣

耦合電容法 結(jié)構(gòu)簡單

靈敏度高 信噪比低 固定微粒、懸浮物、氣隙和裂紋 不能 能 早期應(yīng)用較廣

超聲波法 靈敏高，抗電磁干擾能力強 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 自由移動的微粒、懸浮物 能，但傳感器數(shù)量要求較多 能 較廣

化學(xué)法 不受電磁干擾 靈敏度差 嚴(yán)重放電缺陷 定位到氣室 不能 較少

光測法 不受電磁干擾 靈敏度差 固定微粒、針狀突出物 粗略定位 不能 較少

表2 典型缺陷類型的圖譜特征

缺陷類型 放電圖譜特征規(guī)律

帶電導(dǎo)體上的尖端 信號幅值不高，放電集中于外加電壓的峰值附近，負(fù)半周局放幅值明顯高于正半周，局放首先發(fā)生在負(fù)半周峰值處，隨著電壓的增加，正半周峰值出也出現(xiàn)局放，同時局放的相位帶也隨之變寬，放電量也會略有增加。

殼體上的尖端 信號幅值不高，放電量集中在外加電壓的峰值附近，正半周局放幅值明顯高于負(fù)半周，局放首先發(fā)生在外加電壓正半周幅值處，隨著電壓的增加，負(fù)半周峰值處也出現(xiàn)局放，出現(xiàn)局放的相位帶也隨著電壓的增加而變寬。

自由金屬顆粒 信號幅值高，外加電壓瞬時值高時，局放幅值也高，局放可發(fā)生在任何相位，局放圖譜呈現(xiàn)與外加電壓相對應(yīng)的兩個正弦半波，局放的發(fā)生分布也較均勻。

懸浮電位 信號幅值高，幅值分布較分散，局放主要發(fā)生在外加電壓幅值附件。

粘在絕緣子上的顆粒 信號幅值不高，局放在電壓零點前出現(xiàn)，電壓上升段局放發(fā)生率明顯高于下下降段，局放相位與外加電壓相位會出現(xiàn)偏移。

盆式絕緣子中的缺陷 信號幅值高，局放相位與外加電壓相位有偏移，電壓上升段局放發(fā)生率明顯高于下降段。

2.5 定位方法研究

另外通過采用UHF傳感器檢測時，一般還可以進(jìn)一步進(jìn)行局部放電的初步定位，具體的主要方法包括以下幾種：

（1）信號幅值衰減定位

UHF信號傳播過程中衰減比較快，離開放電源的距離不同，放電信號的幅值顯著不同。通過比較UHF放電信號的幅值可以進(jìn)行放電定位。但這種方式的定位比較粗略。

（2）平分面法

如果在很大的空間范圍內(nèi)都能夠檢測到放電信號，則首先可以通過信號幅值衰減定位對放電源進(jìn)行粗略的定位。定位的平分面法一般是首先選擇一個方位，調(diào)整傳感器和的位置，直到兩傳感器信號的時差為零，即兩信號同時到達(dá)。此時表明放電源處在、兩點的平分面上。以此類推換一個方位進(jìn)行同樣的測量，可得另一個平分面。依此方法，，可得若干個平分面。從理論上分析，三個平分面交于一點，該點即可確定為放電源的位置。

（3）信號時差定位

UHF局部放電脈沖電磁波信號具有ns時間量級的起始沿，采用多個UHF傳感器同時測量，能夠測得ns量級的脈沖時差，由此可實現(xiàn)m量級準(zhǔn)確度的放電源定位。

2.6 UHF抗干擾的主要方式

由于外置式UHF傳感器檢測的是電磁信號，因此實際應(yīng)用時主要需考慮如何對變電站的電磁干擾進(jìn)行處理問題。目前主要采用的抗干擾基于以下原理：

（1）電力系統(tǒng)中的干擾信號，包括空氣中電暈放電的干擾，其頻譜范圍較GIS設(shè)備內(nèi)的局部放電信號要窄得多，一般認(rèn)為頻率在150MHz以下，信號在傳播過程中衰減很快，幾乎對GIS設(shè)備局部放電測量裝置不構(gòu)成影響。如在距局部放電測量裝置10m左右（直線距離）處的GIS設(shè)備交流耐壓試驗裝置，其加壓裝置本身及接線均會產(chǎn)生明顯的電暈干擾，甚至火花，但通過GIS設(shè)備局部放電測量裝置觀察基本上無反應(yīng)。

（2）UHF信號傳播過程中衰減比較快，一處的UHF干擾信號只能局限在比較小的范圍，不會產(chǎn)生大范圍的影響。因此，采用局部放電UHF傳感，可以減小電力設(shè)備之間相互的放電干擾。

（3）基于局部放電UHF脈沖電磁的時差可以進(jìn)行局部放電定位，有效區(qū)分設(shè)備內(nèi)部的局部放電和設(shè)備附近的放電型干擾。

（4）在盆式絕緣子外層包裝屏蔽橡膠等對外界的電磁信號進(jìn)行屏蔽，保證測試到的信號主要為GIS內(nèi)部局放產(chǎn)生的信號。

簡而言之，采用UHF檢測方法能夠與空氣中電暈放電的頻帶完全錯開，有利于降低干擾的影響，可以獲取故障信號的特征，容易實現(xiàn)故障類型鑒別，整個系統(tǒng)應(yīng)用簡單。

3.不同絕緣缺陷類型的特征

如表2所示，GIS可能出現(xiàn)不同類型的局部放電，如浮電位部件放電、金屬顆粒放電、尖端放電、固體絕緣內(nèi)部缺陷放電等。局部放電類型識別主要依據(jù)放電信號的波形特征，這些波形來自于實驗室模擬試驗和已被驗證了的現(xiàn)場檢測。在局部放電在線檢測中，如果檢測到放電信號，并確定為GIS內(nèi)部的局部放電，則可以把所測波形和給定的局部放電波形進(jìn)行比較，確定其局部放電的類型。以下為GIS局部放電典型故障圖譜特征。

4.實際應(yīng)用方法

針對以上的分析，在線式GIS局部放電監(jiān)測系統(tǒng)可以基于UHF檢測方法進(jìn)行GIS局放的長期在線監(jiān)測應(yīng)用。系統(tǒng)應(yīng)由外置式UHF傳感器、采集前端和專家系統(tǒng)服務(wù)器組成，多個采集前端可以構(gòu)成分布式監(jiān)測系統(tǒng)，同時對多個設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測，且可以根據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行擴展，可以適合不同規(guī)模的變電站的GIS設(shè)備的在線監(jiān)測。整個系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖7 實際應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場使用外置式UHF傳感器進(jìn)行GIS局部放電的實時在線監(jiān)測時，一般應(yīng)對每個GIS間隔安裝1個UHF傳感器，如有條件則可以在所有的盆式絕緣子法蘭盤處均安裝UHF傳感器。同時應(yīng)在安裝的法蘭盤上加裝屏蔽橡膠，以盡可能減少外界的電磁干擾，如圖8所示。

圖8 UHF傳感器安裝示意圖

數(shù)據(jù)采集應(yīng)將傳感器送來的實時信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，將信號幅度調(diào)整到合適的電平;對混疊的干擾采用濾波器、極性鑒別器等硬件電路進(jìn)行抑制，以提高信噪比，該過程的實現(xiàn)一般是在計算機的程序控制下進(jìn)行的。為了滿足測量精度，系統(tǒng)應(yīng)配有很高采樣速度和轉(zhuǎn)換精度位數(shù)的采集裝置，以及適當(dāng)?shù)耐ǖ罃?shù)，傳感器與采集通道的連接一般可以通過同軸電纜進(jìn)行連接。如圖9所示，為現(xiàn)場使用時系統(tǒng)使用的采集前端示意圖，該前端可以同時連接8個UHF傳感器。

圖9 數(shù)據(jù)采集前端示意圖

數(shù)據(jù)處理時系統(tǒng)采用快速傅立葉變換及小波變換等方法，能夠更有效地從復(fù)雜的干擾雜波中提取微弱的不規(guī)則被測信號。當(dāng)把采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，將時域函數(shù)變?yōu)轭l域函數(shù)后，就可以得到更多的特征量，如幅值、頻率、諧波等等，以利于對被測信號進(jìn)行分析與判斷。總之，從本質(zhì)講，上述變換都是一種濾波技術(shù)。通過濾波抑制干擾信號，分離出被處理與分析的監(jiān)測信號，進(jìn)而提高信噪比。獲取反映設(shè)備狀態(tài)的特征值，為診斷提供有效的依據(jù)。最終在線式GIS局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)診斷軟件通過收集和分析來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，采用友好的人際界面，可以提供脈沖識別、特征譜圖分析等多種抗噪手段;并結(jié)合后臺專家系統(tǒng)結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫，保存所有局部放電的特征數(shù)據(jù)，同時使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計和智能診斷技術(shù)，對所有歷史信號進(jìn)行分析，給出高置信度的診斷結(jié)論并給出相關(guān)維護(hù)建議。如圖10所示，為現(xiàn)場應(yīng)用的系統(tǒng)主屏柜和軟件的指紋庫示意圖。

圖10 現(xiàn)場應(yīng)用的系統(tǒng)主屏柜和軟件的指紋庫示意圖

5.總結(jié)

電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)是電氣設(shè)備由傳統(tǒng)的“計劃檢修”向先進(jìn)的“狀態(tài)維修”過渡的技術(shù)手段，具有巨大的社會經(jīng)濟效益和廣闊的發(fā)展前景。而GIS的狀態(tài)檢修對提高電力系統(tǒng)的供電可靠性具有重要的現(xiàn)實意義，基于UHF檢測方法的GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采集性能穩(wěn)定可靠，檢測靈敏度高，可以全天候自動監(jiān)測GIS變電站多點局部放電信號的變化，并對信號的進(jìn)行多種分析同時可以判斷放電類型，現(xiàn)場應(yīng)用方便。同時通過現(xiàn)場運行，GIS局部放電的UHF檢測方法為狀態(tài)檢修提供大量的可靠數(shù)據(jù)，取得了良好的監(jiān)測效果，且適合在GIS變電站應(yīng)用，在整個電網(wǎng)安全的維護(hù)中具有廣泛的推廣價值，對于電網(wǎng)的安全運行具有無比重要的作用，是未來“狀態(tài)檢修”的必然趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]李德軍，GIS局部放電常規(guī)檢測和超聲波檢測方法的應(yīng)用比較[J].高壓電氣，2009，45（3）：99-103.

[2]李成榕，GIS局部放電的超聲波檢測頻帶試驗研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2007，1（1）：41-45.

[3]劉衛(wèi)東，GIS局部放電特高頻在線檢測和定位[J].高壓電器，1999（1），11-15.

[4]錢勇.基于超高頻法的GIS局部放電在線監(jiān)測研究現(xiàn)狀及展望[J].2005（1），40-43.

作者簡介：

汪滔（1976—），男，貴州遵義人，學(xué)士，工程師，現(xiàn)供職于云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，從事變電運行生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

張爾健（1972—），男，云南武定人，學(xué)士，工程師，現(xiàn)供職于云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，從事變電運行生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

杞海燕（1973—），女，云南武定人，學(xué)士，工程師，現(xiàn)供職于云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，從事變電運行生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

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