1100 kV GIS出厂试验中内置式局部放电监测装置有效性校核方法研究

李 钊，邹 炜

（1.国网物资有限公司，北京 100120；2.国网北京市电力公司城区供电公司，北京 100034）

1100 kV GIS出厂试验中内置式局部放电监测装置有效性校核方法研究

李 钊1，邹 炜2

（1.国网物资有限公司，北京 100120；2.国网北京市电力公司城区供电公司，北京 100034）

通过在特高压1 100 kV G I S真型上开展特高频法与传统脉冲电流法测局部放电的比对研究，以及在G I S罐体底部置入异物的方式激发局部放电，确定了两种方法测试值的对应关系。提出了局部放电监测装置在特高压气体绝缘金属封闭开关设备G I S出厂时的试验建议，为确保G I S局部放电监测装置的有效性提供技术参考。项目的成果满足我国超特高压工程的运行急需，可一定程度减小G I S运行事故及现场抢修造成的经济损失。

特高压；气体绝缘金属封闭开关设备；特高频法；脉冲电流法；局部放电

0 引言

我国1 000 kV特高压交流试验示范工程正式投运以来，越来越多的特高压气体绝缘金属封闭开关设备（简称“GIS”）已投入运行。作为变电设备中的重要装置，如此大量GIS的质量和运行稳定性将直接影响特高压电网的运行可靠性。

特高压GIS尺寸大、参数高，国际上没有长期运行经验，对于内部缺陷监测和诊断技术研究仍处于起步阶段。对于GIS尤其是盆式绝缘子状态监测和缺陷的早期预警技术仍不成熟，尤其是目前GIS配用的局放监测设备在GIS出厂试验过程中尚无有效的检验方法，相关技术亟待研究。

本文拟通过在GIS出厂过程中开展特高频局放检测与传统脉冲电流法局放检测的数据比对、分析，研究GIS出厂试验中局放监测装置的校核、试验技术。研究成果满足我国超特高压工程的运行急需，可一定程度减小盆式绝缘子乃至GIS运行事故及现场更换造成的经济损失。

1 研究现状及存在问题

1.1 研究现状

GIS以SF6作为绝缘介质，具有占地空间小，运行可靠性高、检修周期长、运输安装方便等优点，自20世纪60年代起，在国内外得到日益广泛应用。GIS设备的运行可靠性也逐渐引起了国际社会和电力部门的普遍关注。从近50年的运行经验来看，绝缘故障始终是影响GIS可靠性的重要因素之一。局部放电不仅是GIS设备绝缘劣化的先兆和表现形式，而且能够引起绝缘的进一步劣化，致使GIS的电气绝缘性能逐渐降低，最终可能导致绝缘击穿或沿面闪络。目前国内外主要通过局部放电的检测和诊断来实现对GIS设备内绝缘缺陷状况的判断。

特高频法UHF（Ultra High Frequency） 是20世纪80年代发展起来的一种GIS局部放电检测技术。特高频法通常利用装设在GIS内部或外部的天线传感器，接受局部放电辐射出的300～3 000MHz频段的电磁波信号，进行局部放电检测。当局部放电在很小的范围内发生时，气体击穿过程很快，将产生很陡的脉冲电流，并向四周辐射出特高频电磁波。GIS的壳体结构相当于一个良好的同轴波导，非常有利于电磁波的传播。

特高频传感器的安装方式目前应用较为广泛的主要有两种：外置式和介质窗口式（即内置式）。外置式传感器将传感器贴在GIS盆式绝缘子的外表面或封闭式盆式绝缘子的浇注口处，依靠绝缘子表面电磁波的泄漏进行UHF信号的检测，此方法可带电安装。介质窗口式传感器是将传感器安装在检修手孔处，此方法需停电安装或在设备出厂时安装。特高频法具有抗干扰性好、灵敏度高、可实现放电定位以及检测效率高等优点，因而在近年来得到了迅速的发展和广泛的应用。

德国Stuttgart大学的研究人员曾同时应用IEC 60270方法、超声波方法和特高频方法，对550 kVGIS模型内部的尖刺缺陷放电进行检测，然后对比不同方法的灵敏度和抗干扰特性。试验发现应用IEC 60270方法的灵敏度最高，检测到的最小视在放电量为0.1 pC，但是试验环境和试验电源需要完全进行电磁屏蔽。超声波和特高频法的结果相近，但是超声波方法容易受到现场噪声的干扰。他们所用特高频传感器的带宽为300～3 000MHz，天线类型有锥形天线、鞭形天线和圆板天线，并专门通过试验对天线进行优化设计。同时也研究了特高频信号在GIS筒体内的衰减情况，试验表明，信号通过绝缘子之后衰减约为2～3.5dB，T型接头处衰减约为1dB，在GIS母线筒内，传感器可测量到距离10m处视在放电量为10pC的放电源。

日本东芝公司曾应用特高频法对2个300 kV变电站的局部放电进行过测量，研究表明，变电站内部的电磁干扰可从套管处传入，影响内置传感器的接收效果，但是干扰的频带范围多在500MHz以下，且衰减很快。同时，他们发现GIS同轴结构内部有许多不连续处，局部放电信号经过时，将衰减到原来信号强度的1/3～1/10，并且不同相之间接收到的局部放电信号幅值差别很大，因此通过对比传感器特高频信号的幅值可进行放电源的定位工作。

1.2 现存的问题

目前局部放电特高频检测系统，不论内置还是外置，多为自身检测合格后即交付GIS制造商，经安装后直接使用，缺少与GIS匹配后的验证环节和校核方法，其有效性、精度以及投入运行后能否有效识别缺陷和干扰难以确定，工程实践中未能提前对缺陷发出预警，也充分印证了该问题。

2 研究内容

通常认为局部放电特高频检测技术的抗干扰能力比较强，特别是采取内置式传感器安装方式，可以有效抑制绝大部分低频电晕型干扰和窄带周期性干扰以及外部空间干扰。但对于外置式特高频检测方法来说，仍有大量处于特高频检测频段的窄带通讯干扰以及设备外部（套管）的脉冲型干扰会影响局部放电检测的有效性及故障判断的准确性，甚至造成对故障信号的误判或无必要的告警，影响GIS设备正常运行。对同一盆式绝缘子缺陷同时采用外部传感器与内置传感器进行检测，其效果存在较大差别，如图1所示，在绝缘子缺陷、传感器带宽和增益相同的情况下，内置传感器对局部放电的检测效果优于外部传感器。

图1 内、外置传感器检测灵敏度的对比

因此建议重点工程优先考虑装用内置式传感器，本课题主要针对预装好内置式传感器的真型GIS产品，开展特高频局放检测与传统脉冲电流法局放检测的数据比对、分析，研究GIS出厂试验中局放监测装置的校核、试验技术，具体内容如下。

2.1 特高频局放检测与传统脉冲电流法局放检测的比对研究

通过在GIS真型产品上开展特高频局放检测与传统脉冲电流法局放检测（IEC 60270法），进行数据比对、校核，试图在特高频法测量结果（dBm，mV）与局部放电量（pC）之间建立联系。文献[1]在这方面做了尝试：首先根据实际GIS的局放图识别缺陷类型，然后根据灵敏度曲线（UHF法和IEC 60270标准方法同时测量得到）来标定每一类缺陷的视在放电量。然而，这种校核方法受到很多因素的影响，如不同缺陷的处理将对应不同的灵敏度曲线，还有注入人工脉冲的当量（pC值）问题等，这些都将使得不同制造部门或研究机构得到各不相同的结果。另外，文献[2]也做了类似研究，使用IEC 60270描述的方法和UHF检测法对不同类型的GIS局部放电进行检测。根据两种测量方法的结果，dBm单位（UHF检测系统的结果）与pC单位之间的转换是可能的，且结果表明转换曲线与局放源及箱体大小无关。

通过搭建图2所示的比对试验真型，在工频耐压、局放试验过程中，同时采用脉冲电流法和特高频法进行检测。

图2 比对试验真型

按照国家标准GB/Z 24836—2009《1 100 kV气体绝缘金属封闭开关设备技术规范》[3]的试验要求（见表1），对试品施加工频激励电压1 100 kV，保持1min；随后降至762 kV，进行局放测量。试验使用便携式局放监测仪代替局放在线监测IED，通过内置式局放传感器监测GIS内部产生局放的情况；检测频带为300～1 500MHz，增益为20 dB。

表1 1 100 kVGIS测量局部放电量的试验电压

试验结果表明，在脉冲电流法测得试品局放正常（放电量＜5 pC[3]）的情况下，特高频检测法测量结果均为0 pC，结合德国Stuttgart大学的研究结果可知，特高频法的精度对5 pC以下的放电信号并不敏感。

因此，通过在GIS罐体内设置缺陷的方式，进一步开展研究，试验形态如图3所示，具体试验顺序如下。

a）将异物放置于真型1 100 kVGIS筒体内，如图3所示的相应位置，施加电压使其产生局部放电。

b）按照IEC 60270的试验方法调整施加电压，使其放电量为10 pC（脉冲电流法）。

c）测量局放传感器2的输出电压约为300mV。

d）回收气体，解体检查，将异物向局放传感器2的方向逐渐移动（期间需跨越1支盆式绝缘子），进行多次试验，测量局放传感器2的输出电压约为300～400mV。

至此，可初步认为在图3所示的产品形态下，即单纯直线段母线结构且中间相隔1支盆式绝缘子，脉冲电流法测得10 pC局部放电量时，对应特高频法测得的信号约为300～400mV。

图3 设置异物进行局放检测

2.2 特高频局放传感器功能有效性快速检验方法的研究

目前特高频局放传感器在开关设备出厂时难以实现测量功能有效性的检验，而灵敏度是一个极其重要的性能指标，尤其对内置式传感器，该问题也一直为相关研究机构所关注。由于特高频传感器测得信号幅值取决于诸多因素，如设备结构、缺陷位置以及传感器本身等等，因而难以确定总的传递函数[4-6]。

参考CIGRE TF15/33.03.05推荐的校核方法[6]，在图3的试验形态中，由局放传感器1注入脉冲信号（上升时间不大于1.0 ns、脉宽50 ns），由2号传感器检测该注入信号激发的特高频信号。试验结果显示，在局放传感器2输出的电压为300mV时（表征10 pC放电量），脉冲信号的大小为300 V。因此，在GIS工厂进行组合试验时，可注入该脉冲信号进行校核，也可以进一步升高脉冲电压幅值。

为了进一步研究，搭建了如图4所示的试验回路，图5为真型实物，1、2号传感器间隔2支盆式绝缘子，以便试验结果适用于较长的母线形态。由1号传感器注入脉冲信号，由2号传感器检测该注入信号激发的特高频信号，并通过便携式局放测量系统进行检测。当注入信号在500V以下时，测量系统显示为0 pC，升压至500 V、600 V、700 V时的试验结果见表2。与图3中间隔1支盆式绝缘子的试验结果比较，脉冲信号需提高200V才能达到10 pC左右的放电量。另外，根据CIGRE TF15/33.03. 05推荐的校核方法[6]，2号传感器测量值允许偏差为±20%。

表2 传感器灵敏度校核试验数据

图4 灵敏度校核试验原理图

图5 灵敏度校核试验实物图

2.3 研究GIS出厂试验中局放监测装置的校核和试验技术

综合a）和b）的研究结果，在GIS出厂试验中局放监测装置有效性的校核试验可采用图4所示的原理，在相邻的两个传感器间交替进行脉冲注入和信号检测，注入脉冲电压为500～700V，每增加1支盆式绝缘子则提高200 V，局放测量值对应约为13～62 pC，允许偏差为±20%。

3 结论

本文对GIS出厂试验中局放监测装置有效性的校核和试验方法开展了试验研究，提出了局部放电监测装置在特高压GIS出厂时的试验建议，为确保GIS局部放电监测装置的有效性提供技术参考。项目的成果满足我国超特高压工程的运行急需，可一定程度减小GIS运行事故及现场抢修造成的经济损失。

[1]Toshihiro Hoshino,ShiroMaruyama,KenichiNojima，etal.A Unique Sensitivity Verification Combined With Real-time Partial-discharge Identification Method[J].IEEETrans.on Power Delivery，2005，20（3） :1890-1896.

[2] Kato T，Endo F，Hironaka S.Sensitivity Calibration ofUHFPartial DischargeMonitoring System in GIS[J].Transactionsof the Instituteof ElectricalEngineersof Japan PartB，2002,122(11):1226-1331.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/Z 24836—2009 1 100 kV气体绝缘金属封闭开关设备技术规范[S].北京：中国标准出版社，2009.

[4] Feger R，Feser K，Neumann C，et al.Non-conventional UHF Sensors for PDMeasur ements on GIS of Different Designs[C].IEEE PowerCon 2000，Conference，Perth，Australia，2000:1395-1400.

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[6]PD Detection System for GIS:Sensitivity Verification for the UHF Method and the AcousticMethod[C].CIGRE TF15/33.03.05.Electra No.183，1999.

The Testing M ethod for Internal PD Sensor in 1 100kV GIS Plant Test

LIZhao1，ZOUW ei2
（1.State Grid M aterials Co.，Ltd.，Beijing 100120；2.State Grid Beijing Power Supply Company，Beijing 100034，China）

In this paper，comparative research on the UHFmethod and the pulse currentmethod for partialdischargemeasurement of1 100kVGISwas carried out,and the dischargewas generated by artificialdefectmodels set in the tank.The relationship of test results contained by the twomeans abovewas determined.Advices for testof partial dischargemeasurementdevices is given，which can provide technical reference to GISpartialdischargemonitoring system.The achievementsabove can be applied to the UHV engineering in China，whichmay reduce the economic losses caused by GIS failuresand on-site restoration.

UHV；GIS；UHF；pulse currentmethod；partialdischarge

TM595

A

1671-0320（2015）05-0028-04

2015-06-29，

2015-07-05

李 钊（1985），男，北京人，2013年毕业于华北电力大学电气工程专业，工程硕士，工程师，从事物资及设备管理工作；

邹 炜（1984），女，北京人，2014年毕业于北京交通大学工程电气工程专业，硕士，工程师，从事电力营销管理工作。