GIS局部放電帶電測(cè)試特性研究

劉嘉琪

摘要：GIS對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很重要的作用。因此，有必要研究其運(yùn)維策略，提高高壓電氣設(shè)備運(yùn)行可靠性，確保電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。本文從帶電測(cè)試的角度對(duì)目前GIS故障診斷的類型以及局部放電檢測(cè)方法進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：GIS；帶電測(cè)試；局部放電檢測(cè)

1、 GIS局部放電帶電測(cè)試原理

電力設(shè)備的絕緣系統(tǒng)中，只有部分區(qū)域發(fā)生放電，而沒(méi)有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間，即尚未擊穿，這種現(xiàn)象稱之為局部放電。它是由于局部電場(chǎng)畸變、局部場(chǎng)強(qiáng)集中，從而導(dǎo)致絕緣介質(zhì)局部范圍內(nèi)的氣體放電或擊穿所造成的。它可能發(fā)生在導(dǎo)體邊上，也可能發(fā)生在絕緣體的表面或內(nèi)部。局部放電是一種脈沖放電，它會(huì)在電力設(shè)備內(nèi)部和周圍空間產(chǎn)生一系列的光、聲、電氣和機(jī)械的振動(dòng)等物理現(xiàn)象和化學(xué)變化。GIS內(nèi)部的局部放電在空間產(chǎn)生電磁波，在接地線上流過(guò)高頻電流，使外殼對(duì)地呈高頻電壓。同時(shí)，所產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)使管道內(nèi)氣體壓力驟增，產(chǎn)生聲波和超聲波，并傳到金屬外殼上，使外殼產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。另外，局部放電產(chǎn)生光效應(yīng)和熱效應(yīng)可使絕緣介質(zhì)分解?？傊?，這些伴隨局部放電而產(chǎn)生的各種物理和化學(xué)變化可以為監(jiān)測(cè)電力設(shè)備內(nèi)部絕緣狀態(tài)提供檢測(cè)信號(hào)。

目前，GIS絕緣帶電測(cè)試最方便有效的方法就是局部放電檢測(cè)。局部放電既是GIS絕緣劣化的征兆和表現(xiàn)形式，又是絕緣進(jìn)一步劣化的原因。由于絕緣擊穿的后果經(jīng)常比較嚴(yán)重，因而受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。顯然，對(duì)GIS進(jìn)行局部放電檢測(cè)能夠有效地發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部早期的絕緣缺陷，以便采取措施，避免其進(jìn)一步發(fā)展，提高GIS的可靠性。它還可以彌補(bǔ)耐壓試驗(yàn)的不足，通過(guò)局部放電在線監(jiān)測(cè)能發(fā)現(xiàn)GIS制造和安裝的“清潔度”，能發(fā)現(xiàn)絕緣制造工藝和安裝過(guò)程中的缺陷、差錯(cuò)，并能確定故障位置，從而進(jìn)行有效的處理，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，開(kāi)展GIS局部放電帶電測(cè)試具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2、 GIS內(nèi)部缺陷種類及其放電特征

造成GIS內(nèi)發(fā)生局部放電的原因往往是多方面的，影響介質(zhì)性能的缺陷主要有嚴(yán)重的裝配錯(cuò)誤、自由金屬微粒、導(dǎo)體之間電氣或機(jī)械接觸不良、電極突出物、絕緣子缺陷、SF6中混有水蒸氣等幾類。任何一種缺陷可能單獨(dú)發(fā)生，也可能其中某幾種同時(shí)發(fā)生，各種缺陷內(nèi)部示意如圖1所示，掌握GIS內(nèi)部的缺陷類型特征，研究各種缺陷的嚴(yán)重程度，將GIS內(nèi)的局部放電類型進(jìn)行分類，對(duì)于GIS的檢修工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 、GIS局部放電帶電檢測(cè)的方法比較

GIS的局部放電帶電檢測(cè)主要包括以下幾種方法：

3.1 耦合電容法

該方法又稱為脈沖電流法，它利用貼在GIS外殼上的電容電極耦合探測(cè)因局部放電而在導(dǎo)體芯上引起的電壓變化。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)。但是，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，無(wú)法識(shí)別與多種噪聲混雜在一起的局部放電信號(hào)，因此，這種方法的使用推廣受到了很大限制。

3.2 超高頻法

超高頻法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。UHF法測(cè)量的頻率范圍300 MHz～3 GHz（目前，國(guó)內(nèi)外GIS局部放電的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中頻率不超過(guò)1.5 GHz）。它采用測(cè)量GIS內(nèi)絕緣隱患在運(yùn)行電壓下輻射的電磁波來(lái)判斷GIS內(nèi)是否發(fā)生局部放電，該方法可以非接觸測(cè)量及在線監(jiān)測(cè)。UHF法檢測(cè)基礎(chǔ)是高壓SF6氣體中局部放電總是在很小的范圍內(nèi)發(fā)生，具有極快擊穿時(shí)間的特性。這種快速上升時(shí)延的局部放電脈沖含有從直流到超過(guò)1 GHz的頻率成分。同軸結(jié)構(gòu)的GIS是一個(gè)良好的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，超高頻電磁波可在其內(nèi)部有效地傳播，而且信號(hào)衰減相對(duì)很小。電力系統(tǒng)的電暈放電等主要電磁干擾信號(hào)的頻率一般在150 MHz以下，而且，因其在空氣中傳播，衰減很快。另外，超高頻段內(nèi)的其他干擾也相對(duì)較少。因此，可選擇超高頻段的電磁信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)，以避開(kāi)常規(guī)電氣測(cè)試方法難以避開(kāi)的電力系統(tǒng)中的干擾，從而提高局部放電檢測(cè)的信噪比。

超高頻段信號(hào)雖抗干擾性能好，但該頻段信號(hào)較弱，故需要較精密的儀器來(lái)測(cè)量和顯示，該段信號(hào)的檢測(cè)既可使用只有幾兆赫茲帶寬的窄頻法，也可使用達(dá)幾千兆赫茲帶寬的寬頻法。窄頻法一般除了需要頻譜分析儀外，還需要低噪音、高增益的UHF放大器來(lái)收集局部放電信號(hào)，在有特高頻干擾的情況下比較適用，且要求儀器較精密。寬頻法在一般的場(chǎng)合使用更廣泛，它需要可達(dá)ns級(jí)采樣率的示波器和截止頻率為250～300 MHz的高通濾波器。UHF法的靈敏度依賴于傳感器等測(cè)量裝置的可靠性。局部放電信號(hào)的強(qiáng)弱及特性與產(chǎn)生的放電的缺陷類型和嚴(yán)重程度有關(guān)。局部放電信號(hào)強(qiáng)度和傳感器與放電源距離的關(guān)系可確定局放源所在的隔室，不同位置傳感器接收信號(hào)的時(shí)差可定位局放源，但方法需研究、完善。有關(guān)GIS局部放電的鑒別、定位還需更多試驗(yàn)。

超高頻法測(cè)量GIS局部放電的首要條件是：局部放電電流波形有很陡的上升前沿，脈沖的持續(xù)時(shí)間只有幾個(gè)納秒，但微波在氣室中的諧振時(shí)問(wèn)達(dá)到毫秒數(shù)量級(jí)，使得在氣室中多次諧振的頻率最高可達(dá)1.5 GHz以上。GIS的同軸結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)良好的波導(dǎo)，信號(hào)在其內(nèi)部傳播時(shí)衰減很小。超高頻放電脈沖的特征參數(shù)有信號(hào)的幅值、放電起始點(diǎn)和脈沖間隔，這些參數(shù)都可以用于缺陷識(shí)別。電力系統(tǒng)的電暈放電與SF6中的放電特征不同，空氣中電暈脈沖的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，波頭上升較緩，其頻率一般在300 MHz以下，信號(hào)在空氣中傳播衰減很快。這樣使用超高頻段檢測(cè)GIS內(nèi)部的局部放電信號(hào)，可以避開(kāi)難以識(shí)別的GIS外部的電暈干擾，提高信噪比。在過(guò)去10余年里在300 MHz～1.5 GHz頻段已經(jīng)獲得大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在新修訂的IEC60270及IEC60517標(biāo)準(zhǔn)中，均將這種方法作為GIS局放檢測(cè)的主要方法之一。

3.3 超聲波檢測(cè)法

由于GIS內(nèi)部產(chǎn)生局部放電信號(hào)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生沖擊的振動(dòng)及聲音，因此，可以用腔體外壁上安裝的超聲波傳感器來(lái)測(cè)量局部放電信號(hào)。該方法抗電磁干擾性能好，但是，由于聲音信號(hào)在SF6氣體中的傳輸速率很低（約140 m/s），且信號(hào)中的高頻部分衰減很快，信號(hào)通過(guò)不同介質(zhì)的時(shí)候傳播速率不同，且在不同材料的邊界處會(huì)產(chǎn)生反射，因此，信號(hào)模式變得很復(fù)雜。

目前，在現(xiàn)場(chǎng)中工程技術(shù)人員往往更關(guān)心運(yùn)行GIS的局部放電檢測(cè)問(wèn)題，特別是當(dāng)放電量較大時(shí)，通過(guò)檢測(cè)局部放電以確定GIS絕緣的損壞程度，而這種情況適合超聲波法檢測(cè)。另外，還有一些廠家生產(chǎn)的部分型號(hào)的GIS為全金屬外殼，沒(méi)有可以進(jìn)行超高頻檢測(cè)的盆子，這部分GIS必須用超聲進(jìn)行GIS檢測(cè)。超聲波法檢測(cè)GIS局部放電具有以下特點(diǎn)：

1）便于空間定位；

2）可實(shí)現(xiàn)利用超聲波法進(jìn)行模式識(shí)別和定量分析；

3）超聲波法的進(jìn)一步研究有望得到一些新的放電信息。

4、結(jié)語(yǔ)

GIS局部放電在線檢測(cè)方法有多種。耦合電容法、光學(xué)監(jiān)測(cè)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的靈敏度較低，其推廣受到限制?；瘜W(xué)監(jiān)測(cè)法雖然在較大的閃絡(luò)事故后，能檢測(cè)SF6氣體的分解產(chǎn)物，但受GIS結(jié)構(gòu)限制，正常運(yùn)行中脈沖放電產(chǎn)生的分解物不易檢出。只能作為故障檢測(cè)的輔助手段。超高頻局放檢測(cè)和超聲波定位利用了GIS內(nèi)部局部放電的寬頻帶、衰減特性，是檢測(cè)GIS內(nèi)部故障的最有效手段。超高頻法容易發(fā)現(xiàn)內(nèi)部固體絕緣件的缺陷和GIS內(nèi)部導(dǎo)體的尖端等缺陷，且易于定位；但不易發(fā)現(xiàn)諸如簡(jiǎn)壁上有金屬顆粒、棉線或發(fā)絲等異物，而采用超聲波法則能有效檢出這些故障。因此，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試若將超高頻局部放電檢測(cè)和超聲波檢測(cè)法結(jié)合使用，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，有利于故障判別和定位。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1994.

[2] 邱昌容，王乃慶，等.電工設(shè)備局部放電及其測(cè)試技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[3] 劉衛(wèi)東，錢家驪.GIS內(nèi)部局部放電的高頻檢測(cè)[J].電器技術(shù)，1993（4）：43—44.