声电联合技术检测GIS局部放电的试验

胡伟涛

（河北省电力公司检修分公司，石家庄 050070）

气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear，GIS）由于占地面积少、受外界环境影响小、运行安全可靠和维护简单等优点被广泛应用于高压输变电领域［1］.但在GIS的制造和装配过程中，往往由于工艺、现场清洁度低等问题使GIS内部留下一些小的缺陷，如金属微粒、绝缘气隙等，这些微小的缺陷在GIS运行过程中可能会引起局部放电，并最终引起绝缘击穿事故［2］.随着电气设备状态检修的实施，设备例行停电基准周期为3年，因此，为预防GIS设备的绝缘故障［3］，保障电力系统的安全运行，对运行中的GIS进行局部放电检测就显得日益重要.

目前，国内外多采用特高频（UHF）法和超声法进行局部放电检测及定位［4-7］.UHF法由于原理简单、灵敏度高的优点得到广泛的应用，但它难以实现设备缺陷的准确定位.特别是当缺陷位于绝缘子附近时，难以准确确定其所在的气室，这就增加了检修维护的复杂性.超声波定位法虽然灵敏度较好，定位准确度高，但其有效范围较小，现场应用时工作量较为繁重.因此，如何有效结合两者的优点，提高局部放电检测水平，成为近年来现场维护人员关注的焦点.文献［4，8-9］介绍了UHF法和超声波法在现场局部放电检测的应用，并分别采用2种方法进行检测，而且结合两者优点同时采用2种方法进行检测.

笔者通过分析现有GIS局部放电检测技术的优缺点，采用能同时采集特高频信号和超声波信号的检测系统对局部放电进行试验研究.

1 声电联合检测方法的原理

声电联合检测技术是同时采用UHF法与超声波法对GIS设备进行检测，通过检测信号的相关性及时间差，排除外界干扰，提高局部放电检测水平及缺陷类型识别的准确性，有利于及早发现可能存在的潜伏性缺陷，确保设备安全稳定运行.如果被测设备上没有能够辐射出电磁波信号的绝缘缝隙，例如使用内置的或带有金属环的盆式绝缘子（浇筑孔金属屏蔽不能打开），则只能使用超声波法逐点进行检测.声电联合检测方法的具体步骤如下.

1）如果电和声信号都存在，则根据盆式绝缘子的位置使用特高频法确定电信号来自哪个GIS腔体，同时使用超声法进行精确定位.如果两者都定位到同一个GIS腔体且信号具有相关性，则可明确判断该腔体内部存在放电故障，结合SF6气体分解物检测结果判断局部放电的危害程度.

2）如果只测量到特高频电磁波信号而没有超声波信号，则首先应通过改变传感器的位置摆放和方向，找到接收信号最强的部位，判断信号是否来自周围的电气设备或者存在未知的干扰源.如果发现只有当UHF传感器贴近某个盆式绝缘子时测得的信号最强，离开盆式绝缘子后将明显减弱，则基本可判断该腔体内存在放电性缺陷，且有可能发生在中心导体或盆式绝缘子上，因为超声波法对此类缺陷的检测灵敏度通常较低.

3）如果超声波法测量到声信号而特高频法没有测量到电磁波信号，则首先应使用超声法逐点检测，找到接收信号最大的部位，然后再根据所测信号的图谱特征及对应GIS的内部结构，判断信号是否由电磁振动引起，或者设备内部存在自由移动的颗粒等缺陷.

4）如果特高频和超声信号均没有检测到异常信号，则可判断设备不存在明显放电.

2 声电联合检测技术的试验研究

GIS设备局部放电检测方法有效性的对比试验研究不能脱离实际设备的运行情况.如简单地以同轴圆柱体进行模拟，试验结果与实际情况可能会有较大差别，因此，笔者以实际126kVGIS实物构建各种模拟试验，结构示意如图1所示.

图1 模拟实验系统Figure 1 Simulation system

在试验GIS设备中设置好典型缺陷，密封完好后，首先使气室达到足够的真空度，用真空泵将设置局部放电典型缺陷的气室抽真空，将气室内的空气、水分、杂质抽出气室，其中压力保持在100Pa，时间不小于4h；如果不用N2置换气室内的杂质，抽真空的时间应不少于16h.然后注入0.48MPa额定压力的SF6气体，静置24h后，进行微水检测，确保微水含量合格，且每次模拟试验的微水含量基本相同，排除微水含量对局部放电的影响.

模拟试验加压前，首先利用特高频法的自动选频技术，选择信噪比最高的中心频率，并采用50MHz的窄带频段进行检测，确保传感器能检测到有效的局部放电信号，确定中心频率后，进行不加压时的背景干扰测试，一般为-90dBm左右，如果背景干扰较大，应查找干扰源并排除，以免导致较大误差，影响测量结果.

2.1 GIS内部的尖端

在中心导体上固定一段导线，模拟内部尖端放电，尖刺距离外壳约30mm，尖刺曲率半径约1mm.特高频法的中心频率为1 100MHz，不加电压下背景噪音为-89.5dBm，尖端放电模型如图2所示.

图2 GIS内部尖端放电的试验模型Figure 2 Partial discharge experimental model of state-of-the-art test in GIS internal

当电压升到27kV、局部放电量为12pC时，超声波通道检测到微弱局部放电信号，特高频通道没有检测到局部放电信号；电压升到47kV时，超声波通道检测到明显局部放电信号，特高频通道检测到微弱局部放电信号，如表1所示.超声波通道检测的典型图谱如图3所示.

从表1的检测数据和图3的典型图谱特征可判断，对于靠近GIS壳体上的金属尖刺放电，由于放电所产生的超声波信号不需通过SF6气体介质就可方便地传递到壳体，且超声波传感器可靠近放电部位进行检测，故此时超声波法比特高频法的检测灵敏度略高.

表1 模拟内部尖端放电检测数据Table 1 Data of state-of-the-art test in GIS internal partial discharge

图3 超声波法检测尖端放电的典型图谱Figure 3 Detected partial discharge spectrum of point discharge by ultrasonic method

2.2 GIS外壳内壁的自由金属颗粒

在GIS外壳内壁散落少许金属颗粒，模拟自由金属颗粒放电.特高频法的中心频率为1 075MHz，不加电压下背景噪音为-90.5dBm.外壳内壁自由金属颗粒放电模型如图4所示.

当电压升到30kV、局部放电量为6pC时，超声波通道和特高频通道均检测到微弱局部放电信号；电压升到50kV时，2个通道均检测到较强的放电信号，如表2所示.特高频通道检测的典型图谱如图5所示.

从表2的检测数据和图5的典型图谱特征可判断，GIS内壁金属颗粒在电场作用下产生微弱局部放电信号时，使用超声波及特高频法都能够检测出放电信号，但如果超声波传感器远离放电部位，则会明显降低其检测灵敏度.

图4 GIS外壳内壁自由金属颗粒局部放电的试验模型Figure 4 Partial discharge experimental model of free metal particles in GIS shell wall

表2 模拟内壁自由金属颗粒放电检测数据Table 2 Data of free metal particles in GIS shell wall partial discharge

图5 特高频法检测GIS内壁自由金属颗粒的典型放电图谱Figure 5 Detected partial discharge spectrum of GIS inner wall of the free metal particles by UHF

2.3 GIS内部绝缘子上的金属颗粒

GIS内部绝缘子上散落少许金属颗粒，为避免自由金属颗粒放电烧蚀绝缘子，将自由金属颗粒放置在与绝缘子同种材料的垫块上.特高频法的中心频率为1 075MHz，不加电压下背景噪音为-90.5 dBm.内部绝缘子上自由金属颗粒局部放电模型如图6所示.

图6 GIS内部绝缘子上自由金属颗粒局部放电的试验模型Figure 6 Partial discharge experimental model of free metallic particles in GIS insulators

当电压升到5kV、局部放电量为15pC时，超声波通道只检测到微弱局部放电信号，特高频通道检测到较强的局部放电信号；电压升到30kV时，超声波通道仍然检测不到明显的局部放电信号，特高频通道检测到很强的放电信号，如表3所示.特高频通道检测的典型图谱如图7所示.

从表3的检测数据和图7的典型图谱特征可判断，对于绝缘子上自由金属颗粒模型出现微弱局部放电信号时，由于金属颗粒向高压导体快速移动，造成了起始局部放电量较大.但是现场测量时，部分较小金属颗粒已经完成了移动过程，附着在金属导体之上，而较大的金属颗粒尚未移动，因此超声法测量自由金属颗粒放电较为困难，此时特高频法检测比超声波法较为灵敏.

表3 模拟内部绝缘子上自由金属颗粒放电检测数据Table 3 Data of free metallic particles in GIS insulators partial discharge

图7 特高频法检测绝缘子上自由金属颗粒的典型放电图谱Figure 7 Detected partial discharge spectrum of free metal particles on the insulator by UHF

2.4 GIS内部高压导体单点接触不良

将1只10mm螺母放置于绝缘子垫块上，距离金属导体约1mm，用于模拟GIS内部高压导体单点接触不良时GIS的局部放电情况.特高频法的中心频率为1 100MHz，不加电压下背景噪音为-89.5dBm.高压导体单点接触不良时的局部放电试验模型如图8所示.

图8 高压导体单点接触不良局部放电的试验模型Figure 8 Test model of the high-voltage conductor for a single point of contact with non-performing partial discharge

当电压升到22kV、局部放电量为750pC时，2个通道均检测到明显的局部放电信号；当电压升到34kV时，2个通道均检测到很强的局部放电信号，如表4所示.特高频通道检测的典型图谱如图9所示.

从表4的检测数据和图9的典型图谱特征可判断，GIS内部高压导体单点接触不良故障放电时，起始局部放电信号很强，而且放电量与外施电压高低几乎无关，通过超声波法和特高频法都可检测到明显的放电信号，但特高频法检测到的典型图谱具有明显的局部放电特征.

表4 模拟高压导体单点接触不良局部放电检测数据Table 4 A single point data of contact with non-performing partial discharge

图9 特高频检测单点接触不良局部放电图谱Figure 9 Detected partial discharge spectrum of a single point contact with non-performing by UHF

2.5 GIS内部高压导体多点接触不良

将2只10mm螺母放置于绝缘子垫块之上，距离金属导体约10mm，用于模拟GIS内部高压导体多点接触不良时GIS的局部放电情况.特高频法的中心频率为1 100MHz，不加电压下背景噪音为-89.5dBm.GIS内部多点接触不良时的试验模型如图10所示.

当电压升到55kV、局部放电量为1 200pC时，超声波通道和特高频通道均检测到很强的局部放电信号；电压升到65kV时，2个通道均检测到较强的放电信号，如表5所示.但特高频通道检测到的典型图谱具有明显的放电特征，如图11所示.

从表5的检测数据和图11的典型图谱特征可判断，GIS内部高压导体单点接触不良故障放电时，起始局部放电信号很强，而且放电量与外施电压高低几乎无关，通过超声波法和特高频法都可检测到明显的放电信号，但是特高频法检测到的典型图谱具有明显的局部放电特征.

图10 GIS内部多点接触不良试验模型Figure 10 Poor contact of the GIS internal test model

表5 模拟高压导体多点接触不良局部放电检测数据Table 5 Poor contact data of the analog high-voltage conductor partial discharge

2.6 检测灵敏度

通过对GIS几种典型缺陷的模拟试验研究及相关文献的分析得出，超声波法对中心导体上尖端放电及固体绝缘内部放电灵敏度很低，而特高频法对此类缺陷的灵敏度较高；同样，特高频法对内部松动或振动的灵敏度很低，超声波法的灵敏度很高.声电联合检测技术集中了2种检测方法的优点，因此，对常见的缺陷类型都具有较高的检测灵敏度［2，10-11］.3种检测局部放电的灵敏度如表6所示.

表6 检测局部放电灵敏度Table 6 Detection of partial discharge sensitivity

3 现场检测实例及分析

图12，13是对220kVGIS进行局部放电检测时声电信号的变化趋势.从图12，13中可见特高频信号（图12）和超声波信号（图13）同时出现、同时消失，具有非常好的相关性，据此，可彻底排除外部干扰的可能性及内部元器件松动缺陷，准确地判断为放电缺陷，并且通过计算声电信号到达检测部位的时间差，或依据超声法检测到的信号强弱程度可大致确定放电源的部位.

图12 特高频法检测图谱Figure 12 Detect spectrums by UHF

图13 超声波法检测图谱Figure 13 Detect spectrums by ultrasonic method

从图14数据分析图谱可以得出，局部放电信号幅度非常稳定且较为一致；信号相位较为固定，PRPD谱图具有明显的“悬浮”特征，且正负半周对称出现；特高频信号很强，同时检测到超声波信号；可以排除外界干扰，诊断为悬浮放电.

专业人员将缺陷上报，并邀请专家进行诊断测试，诊断结果为罐体内部存在悬浮放电，同时肯定声电联合检测技术检测局部放电的有效性，并制定了缺陷预控措施，申请停电处理.停电解体后发现罐体底部有少许金属颗粒及其他杂质，如图15所示.清除金属颗粒及杂质，停电例行试验合格后，进行交流耐压试验，试验通过，在耐压时和投运后进行局部放电检测，均未检测到放电信号.

图14 数据分析图谱Figure 14 Data analysis spectrum

图15 现场解体后罐体内积有杂质Figure 15 Impurities in the tank body after the disintegration of the site

4 结语

1）应用声电联合法检测局部放电，充分发挥各自检测方法的优点，避免各自的不足，可对GIS设备内部局部放电准确检测.声电联合检测技术通过检测信号的相关性及时间差，排除外界干扰，通过模拟试验及现场普测，结果表明，声电联合检测技术对GIS设备典型缺陷检测灵敏度高，为准确评估设备健康状况提供科学依据.

2）特高频法采用选频技术，自动选取信噪比最高的频段，避开外界干扰，提高局部放电检测的有效性.

3）在GIS出厂试验、交接验收、投运后开展局部放电检测，对于例行停电、带电检测项目是有益的补充，采用声电联合检测技术能及早、有效发现GIS设备可能存在的潜伏性缺陷（如壳体上尖端缺陷等），掌握GIS设备绝缘性能状况.

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