GIS超高频局部放电试验研究

史恒超 李小叶 聂海全 李纪强

（平高集团有限公司，河南 平顶山467001）

0 引言

近年来由于GIS的优越性能，其在电力系统中得到了越来越多的应用。运行经验表明，GIS可靠性非常高，但其内部不可避免的缺陷仍会引起事故并逐步扩大。在GIS制造过程中，导体表面光洁度不良可能出现金属毛刺、绝缘件在浇筑过程中存在气隙、螺栓未紧固到位造成安装运输时的松动或接触不良、气室内部电极处理不良产生的金属自由微粒、以及绝缘介质在GIS运行中的老化等各种缺陷，都可能导致程度不同的局部放电。在局部放电长期存在的情况下，GIS的电气绝缘性能会逐渐劣化，从而导致GIS内部的绝缘击穿或绝缘件的沿面闪络，使设备出现运行故障而引起系统停电。

传统测量GIS内部局部放电的方法是脉冲电流法，也称为耦合电容法[1-2]，测量频率在10MHz以内。其优点是可对局部放电进行定量测量，试验前一般会通过校准系统对试验回路进行电荷量的校准，通过调整耦合电容与试品等值电容的比值，可以改变局放电荷量测量的灵敏度，工厂内常采用此方法测量GIS局部放电。如果试验工装本身产生超过试品的局放水平，则应对试验回路进行优化，一般工厂内的电磁干扰较小，试验背景值可小于2pC。超高频法（UHF）是利用装在GIS上的局放传感器捕捉超高频电磁波来对局放信号进行分析。UHF法的主要优点有：根据所测信号的频谱，可以区分不同的缺陷类型，从而便于对GIS绝缘强度进行分析；抗干扰能力强，可以屏蔽运行现场的电磁干扰，对GIS内局放信号进行甄别；可以对局部放电源进行定位，从而快速找出缺陷位置；运行时可以进行在线监测。由于GIS现场交接试验及投入运行后，现场会有大量的干扰，传统的电测法往往无法消除背景干扰的影响，因此近十年发展起来的超高频法是目前GIS中局部放电在线监测技术中具有很好应用前景的方法。

本文结合GIS中电磁波传播特性及内置圆板传感器的分析，介绍了一种超高频局放测量系统的调试、试验方法。

1 GIS中电磁波传播特性

GIS中发生局部放电时，局放脉冲电流持续时间很短，仅为纳秒级，其等值频率可大于1GHz，属于微波波段。当高压导体上有针状突出物时，正极性下通常发生局部放电，因为SF6气体中负离子能够释放电子产生自持放电，而不需要依靠场致发射电子。GIS内高压导体和筒体构成同轴波导，局部放电脉冲激发的超高频电磁波在其中传播时，不仅以横向电磁波(TEM)形式传播，而且还会建立横电波(TE)和横磁波(TM)。GIS装置内发生局部放电时所存在的电磁波形式，主要是横波TEM及纵波TE11、TE01和TM01。局放传感器分为内置式和外置式，外置式传感器的优点是不影响GIS内部的电场，但它容易受外部电场的干扰。内置式传感器可以有效屏蔽外部电磁信号的影响，通过优化设计可以将对内部电场的影响降到较低的水平。内置传感器将金属电极置于GIS内部，用金属电极耦合局放脉冲激发的电磁波信息，包括沿高压电极传输的横电磁波电场、以及沿波导传输的纵波。从天线原理分析，内置传感器相当于接收天线[3]，GIS内部局部放电源就是一个发射天线。

2 传感器模型

圆板电极对内导体和金属接地外壳都具有耦合电容，用C1、C2来表示。耦合电容大小与GIS模拟装置的尺寸、结构及传感器的尺寸、结构有关。圆板传感器对地耦合电容C2为传感器电极与凹形底面和传感器安装孔侧壁之间的耦合电容。

图1 超高频局部放电传感器模型

3 超高频测试试验系统

3.1 试验仪器

高频信号发生器（美国Agilent N9310A）；任意波形函数发生器（美国Agilent 33250A，美国HP 33120A）；脉冲调制器（日本Anritsu MA1610A）；衰减器（美国Agilent 8496B，8494B）；同轴电缆及N型接头。

3.2 试验过程及方法

图2 超高频局放传感器测试系统

测试系统如图所示，主要包括：高频信号发生器、脉冲调制器、函数发生器、衰减器、局放检出系统及试验用PC。试验时将频率为700MHz的高频信号，及50Hz的脉冲信号输入脉冲调制器中，信号经调制后，输出时间间隔为20ms的高频信号，再经过衰减器输入到局放检出系统。高频信号在局放检出系统内经过处理后，通过网线传入电脑进行分析、计算输出的局部放电的电荷量。

3.3 测试结果

表1 超高频局放测试结果

在此试验前已通过GIS试验装置，对高频脉冲模拟信号大小和局部放电电荷量进行了比对，表1中给出了局放检出系统输入电压和局放电荷量换算值的关系，从表1中可以看出，输入电压和放电电荷量不成正比。测试结果可以看出，局放测试系统能够很好地反映输入的模拟脉冲信号量。

4 结论

利用模拟高频脉冲信号，对GIS超高频测试系统的性能进行了试验验证，结果表明超高频测试系统能够很好地反映模拟的局部放电电荷量。然而，就超高频测试而言，检测信号的大小不仅和局部放电的真实放电量有关，还与放电源的类型和形状、信号的传播路径等因素有关，因此为了实现真实可靠的GIS局部放电在线监测，需要积累大量的实验室试验数据和现场数据，这方面有待进一步的工作。

［1］邱昌容,王乃庆,等.电工设备局部放电及其测试技术[M].北京:机械工业出版社,1994.

［2］IEC 62270.Partial discharge measurements[S].1981.

［3］Wanninger G.Antennas as coupling devices for UHF diagnostics in GIS[C]//Proc.9thISH.1995:5625.