GIS设备局部放电带电检测技术应用综述

毛文奇，吴水锋，谢国胜，段肖力，黄海波，叶会生，谢耀恒

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

GIS设备局部放电带电检测技术应用综述

毛文奇1，吴水锋2，谢国胜2，段肖力2，黄海波2，叶会生2，谢耀恒2

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

本文综述了特高频、超声波及SF6气体成分分析等GIS设备局部放电带电检测技术的原理、现场应用及主要优缺点。对不同的定位方法进行对比分析，讨论了目前GIS局部放电带电检测技术存在的不足。提出了GIS局部放电带电检测技术现场应用的发展趋势。认为GIS局部放电在线监测及智能化带电检测是后续局部放电检测技术发展的重点及难点。

特高频；超声波；局部放电；带电检测；定位技术；缺陷识别

气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear，以下简称GIS)由于具有占地面积小、运行可靠性高、检修周期长且不受环境污染和高海拔影响等优点，在电力系统得到了广泛的应用〔1〕。近年来，GIS设备故障频发，GIS设备故障不但会造成变电站全停或部分停电，还会造成电量损失、增加检修成本、影响电网供电可靠性，给电网安全运行造成很大的威胁。

GIS设备停电试验虽然能够发现部分缺陷，但停电试验电压较低，不能够反应设备运行状态下的真实状况；并且高压设备的绝缘劣化是一个累积和发展的过程，停电试验无法及时发现该类潜伏性缺陷〔2〕。据统计，GIS设备的各类缺陷中，绝缘缺陷占有很大比例，GIS设备内部的缺陷，极易发展为设备故障〔3〕。当GIS设备内部绝缘出现问题后，最先开始的是产生局部放电〔4〕，因此局部放电是反应GIS设备运行状态的重要参数之一〔5-6〕。

GIS设备带电检测技术能够在不停电的情况下，及早的发现设备内部局部放电及其它缺陷信号，检测出GIS内部缺陷信息及其严重程度，实现缺陷的精确定位，对故障提出预警，从而实现有计划的安排检修，减少设备损坏和事故发生。因此开展GIS局部放电带电检测具有十分重要的意义〔7-8〕。

GIS局部放电带电检测技术自2000年引入国内以来，得到了快速的发展，现场检测得到了广泛的应用，相关技术标准也相继形成。特别是2015年国家电网公司以竞赛的形式开展了GIS设备带电检测“自查互查”活动，共发现包括±400 kV柴达木换流站330 kV母线局部放电缺陷、±500 kV华新换流站5011、5012间隔B相局部放电缺陷等共523起异常缺陷，其中38起已得到了解体验证。通过该活动的开展，地毯式的检测了在运330 kV及以上GIS设备，确保了GIS设备运行安全，促进了带电检测技术的现场应用水平，极大的提高了带电检测人员的技术水平。

1 GIS局部放电带电检测技术

1.1 特高频检测技术

运行GIS内部充有高压SF6气体，其绝缘强度和击穿场强都很高。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，放电脉冲上升时间和持续时间都极短仅为几个纳秒，该脉冲信号在GIS腔体中传播时会引起电磁谐振，激发出频率高达数吉赫兹的电磁波信号。

根据研究表明，特高频电磁波在GIS中传播时，不仅以横向电磁波(TEM)形式传播，而且还会建立高次横向电波(TE)和横向磁波(TM)。TEM波为非色散波，可以以任何频率在GIS中传播，但频率越高衰减越快。TE和TM则不同，只有当信号频率高于截止频率时才能传播。GIS的同轴结构相当于一个良好的波导，信号在其内部传播时衰减很小，在经过盆式绝缘子等非金属连接部位时，特高频电磁波信号会向外传播〔9-10〕。

特高频法的原理就是根据局部放电所激发的电磁波的这些特性，利用特高频传感器来接收这些电磁波信号并对其进行分析，从而实现对GIS异常信号检测、缺陷类型分析和局部放电源定位。特高频局部放电检测具有检测灵敏度高、现场抗低频干扰能力强的特点，适用于现场对GIS开展带电检测。

GIS特高频局部放电带电检测传感器根据其使用位置的不同通常可以分为内置传感器和外置传感器两种。常用的内置传感器主要有平板式和锥形传感器，内置传感器通常用于在线监测，其优点是检测灵敏度高，抗干扰能力强，但其制作和安装成本高。采用外置传感器检测，容易受到周围环境中放电信号的干扰，给缺陷判断带来了很大的困难，并且对于无外露绝缘件的GIS无法开展特高频检测。

现场采用的特高频检测按其检测频带分为宽频检测和窄频检测，宽频检测频带一般在300 MHz到 1 500 MHz，能够在足够宽的频率范围内检测局部放电信号，可以有效避免漏测真实的局部放电信号，但缺点是抗干扰能力较弱，容易将干扰信号误判为局部放电信号，譬如DMS公司的检测仪器采用的便是宽频带检测；窄频带检测频带一般在几十到几百兆赫兹之间，采用窄频带检测对现场干扰抑制具有良好的效果，但是容易造成对真实放电信号的漏测。现场实际检测时一般采用宽带和窄带相结合的方法进行，采用宽带检测对GIS设备进行普测，当有异常信号时采用窄带检测进行进一步分析，譬如DMS公司宽频带检测仪器一般都配备有带通滤波器，可以根据现场需要有目的的选择所需检测频带，达到滤除干扰的目的，国内厂家如华乘电气等特高频检测仪器也可以选择频带进行测量。

现场干扰的识别及抑制是特高频检测的重点也是难点，干扰往往也是造成对检测结果误判和漏判的最主要因素。国内外学者对特高频抗干扰技术都进行过深入的研究，但归其根本主要分为软件去噪和硬件去噪两种，软件去噪主要是采用信号频谱分析技术对信号频谱特征进行分析，提取特征信号；硬件去噪主要是采用改进检测仪器系统结构、合理设计电路以及采用带通滤波器的方法，现场检测时还有一种最常用和直接的去噪方法是采用屏蔽工具对GIS盆式绝缘子或检测仪器进行屏蔽。为了达到最佳的检测效果一般多种抗干扰措施联合应用。

1.2 超声波检测技术

GIS发生局部放电时分子间剧烈碰撞并在宏观上瞬间形成一种压力，产生冲击的振动或声波，以球面波的形式向外传播，频率在20～100 kHz的声波称为超声波。超声波在SF6气体中以纵波的形式传播，并且衰减很大，而在带电导体、绝缘子和金属壳体等固体中传播的除纵波外还有横波，横波在固体中衰减较小。由于超声波的波长较短、方向性较强，所以它的能量也较为集中〔9-10〕。

超声波局部放电带电检测就是通过放置在GIS壳体上的压敏传感器接收传播到壳体上的超声波信号，再通过对声信号的分析判断来诊断GIS内部是否发生了局部放电或异常振动缺陷〔11〕，并实现对放电或异常振动缺陷进行定位。

超声波传感器按照使用方式主要可分为接触式传感器和非接触式传感器。对于GIS带电检测一般应用较多的是接触式传感器，但现场实际检测中常采用非接触式传感器进行外部干扰识别及干扰源定位。超声波传感器按照其结构形式可以分为单端式和差分式，单端式传感器结构比较简单，但是带负载能力较强；差分式传感器可以有效抑制共模干扰，具有较高的检测灵敏度，目前现场常使用的AIA超声检测仪采用的便是差分式传感器。

近年来诸多学者开始研究的光纤技术是将超声波信号转化为光强信号，再通过光敏元件将光信号转化为电信号。其优点是能应用于高电压、强电磁干扰的恶劣环境，且适合长距离信号传输。目前国内外对光纤传感器的应用研究主要集中在变压器类设备检测，对GIS设备应用研究较少，其实际应用到GIS带电检测现场还需要作深入研究。

超声波局部放电带电检测由于抗现场电磁干扰能力强，使用快捷方便，是现场GIS局部放电检测的重要手段之一。目前使用的大部分超声波检测仪器能够通过超声传感器的耦合将GIS内部局部放电的声音真实反映出来，现场检测时一般将典型放电图谱与典型放电声音综合比对，能够更加直观、高效的判断GIS内部缺陷类型。

现场进行GIS超声波局部放电带电检测时，会受到检测现场附近的施工及机械振动、附近设备局部放电等因素的影响，给检测结果的准确判断带来干扰，文献〔12〕对检测现场常见的干扰类型及排除措施都进行了详细的阐述。

1.3 SF6气体成分分析

GIS内部SF6气体及绝缘材料在局部放电作用下会与少量的水分发生反应，生成一系列的分解产物。根据研究表明〔13〕，当GIS内部放电类型、放电强度、电极材料及微水含量不同时，分解产物的组分也会有所不同。近年来根据SF6分解产物判断设备缺陷类型在电网中得到广泛的应用，取得了良好的效果〔14〕。

采用SF6气体成分分析，对GIS内部局部放电检测的灵敏度较低，现场经常遇到特高频及超声波法均能检测到明显局部放电时，SF6气体成分无异常，或者在内部无放电缺陷的断路器气室检测到SF6气体分解组分，容易造成对GIS运行状态的漏判、错判。其原因是受以下三方面因素的影响:设备内部吸附剂的影响；短脉冲放电不一定会产生足够的分解物；断路器开断电弧也会造成分解物的变化〔15〕。

因此现场检测时，将特高频、超声波及SF6气体成分分析有效结合，对准确发现GIS设备缺陷具有十分重要的作用。

2 GIS局部放电源定位技术

GIS带电检测中现场常用的定位技术主要包括幅值定位、时差定位及平分面定位法。其中平分面定位法主要用于干扰源的定位及排除。

幅值定位主要包括特高频幅值定位法、超声波幅值定位法。超声波幅值定位精度较特高频法高，是由于特高频电磁波在GIS中传播时衰减较小，在较大范围内检测到的特高频信号幅值无明显变化，而超声波在GIS中传播时衰减很大，信号幅值随放电源距离迅速减小。

时差定位法和平分面定位法的核心都是根据不同信号在介质中传播的时延规律来进行定位的方法。根据基准信号的不同，时差定位法又可以分为电电联合定位法、声声联合定位法及声电联合定位法，现场实际应用中根据是否能检测到声或电信号选择性的使用一种或多种定位方式。不同定位方法优劣及精度对照如表1所示。

表1 定位方法比较

另外还有一种定位方法在GIS带电检测早期缺陷定位中应用较多，当检测到异常放电信号时，对GIS逐间隔或气室停电检测，当某一间隔或气室停电后，局部放电信号消失，则说明放电源位于该间隔或气室。该定位方法的优点是对带电检测定位仪器要求不高，定位比较准确，缺点是检测时要反复操作设备，增加运维人员工作量，容易产生操作过电压，对某些缺陷(如尖端放电缺陷)存在击穿危险，并且该定位方法只能大致定位到某一间隔或气室，对进一步准确定位具体位置较为困难。

3 GIS带电检测技术不足及发展趋势

3.1 精确检测技术尚需进一步研究

GIS五类典型局部放电缺陷中，绝缘材料的沿面放电缺陷无疑是对GIS运行健康状况影响最为严重的缺陷类型，沿面放电一旦发生极易造成绝缘击穿，导致闪络故障〔16〕。然而根据现场实际运行经验表明，绝缘材料表面缺陷检出率较低，部分装设内置传感器的GIS在发生沿面闪络故障前未能准确检测到异常信号，甚至国内也多次存在刚开展完带电检测后发生闪络故障的案例。说明现有的特高频及超声波检测手段不能够在沿面放电早期准确的检测出来。造成该现象的原因有如下几种〔17〕:(1)由于沿面放电发生在绝缘材料表面，绝缘材料对超声波具有一定的吸收作用，放电产生的超声波信号大部分被绝缘材料吸收，因此以目前超声波检测仪器灵敏度，在GIS壳体只能检测到很小的超声波信号或者完全检测不到；(2)沿面放电本身会导致电荷的泄漏，因此会造成放电脉冲的前沿相比其他放电类型要缓，其所激发的特高频信号也相对较弱，以目前特高频检测仪器灵敏度，在沿面缺陷发展的早期较难检测到明显的特高频信号；(3)沿面放电一般持续时间较短，极易导致闪络故障，放电产生的气体分解产物被GIS内部吸附剂吸收造成SF6气体中分解组分含量较少，现场基本较难检测到。

因此，研究更为精准的检测技术，提高检测仪器现场检测灵敏度，开展SF6气体成分痕量研究对准确发现GIS内部缺陷，提高缺陷检出率具有重要作用也是后续局部放电检测技术研究重要内容。

3.2 缺陷劣化程度量化评估

GIS局部放电带电检测的最终目的是通过检测结果判断GIS设备的运行状态，对缺陷劣化程度进行准确评估。然而，经过多年来的现场检测和实验室研究，众多学者及检测人员发现，通过单一的检测幅值及检测结果图谱并不能够准确的反应GIS设备具体的运行状况及缺陷劣化程度。缺陷劣化程度的准确评估需要充分考虑局部放电类型、放电机理、放电位置、检测幅值及缺陷的发展趋势等综合因素。近几十年来，国内外学者对各放电类型的机理研究较多，对通过局部放电检测判断缺陷劣化程度具有很好的促进作用。

国内有学者提出过基于局放的GIS缺陷危险程度评估方法及流程，主要基于放电类型、缺陷位置、缺陷发展程度和局放幅值4个因素对缺陷劣化程度进行评估，但是对具体的劣化程度的划分尚具有一定的主观性，无大量的实验室及现场检测数据的支撑。因此如何进行缺陷劣化程度的准确评估，给出定量的评估及预警依据也是后续局部放电检测技术的重要研究内容。

3.3 带电检测仪器校验及标准体系的建立

2013至2014年国家电网公司组织开展了特高频及超声波局部放电检测装置性能检测工作，对国内市场上的局部放电检测仪器综合性能进行了比对校验，对规范和引导仪器开发和制造技术起到了积极的推动作用〔10〕。然而目前市场上的检测仪器仍然参差不齐，某些检测仪器的部分性能参数并不能够满足现场检测的要求，一旦流入电网，极易对检测结果误判及漏判，危害性较大。开展检测仪器的入网检测及定期校验是阻止不合格检测仪器进入电网及保证检测仪器性能的重要手段。自2014年以来，北京电科院等各网省公司电科院相继建立了局部放电检测仪器的校验平台，开展了初步的校验比对工作，然而由于缺乏比较权威的带电检测仪器的技术规范，对仪器校验的进一步发展也造成了一定的制约。目前虽然国家电网公司及南方电网公司出台了一些相关的企业标准和行业标准，但这些标准尚未上升到国家标准或国际标准的程度。

3.4 现场耐压条件下局放源的快速定位

为进一步加强GIS设备管理，提高GIS设备入网质量，及时发现GIS内部缺陷，近年以来，国家电网公司及南方电网公司相继出台相关措施要求在GIS现场工频耐压时开展局部放电测试。GIS现场工频耐压对发现GIS内部缺陷特别是绝缘缺陷及颗粒放电具有很好的效果，但是GIS内部一旦存在这类缺陷，在工频耐压值下容易形成放电并迅速造成闪络击穿，由于GIS的封闭结构，各种保护措施不完善，很难快速查找内部放电点，有时甚至需要逐段、逐间隔检查，带来很大的工作量，并且现场打开完好间隔检查容易给设备后期安全运行带来隐患。因此在GIS发生闪络能够通过检测仪器迅速定位其闪络放电位置，就显得非常必要。

目前国内有部分厂家在快速定位方面有过相关研究，并研制出相应产品，但是这些产品并未在现场广泛应用，其有效性和准确性尚需进一步观察和研究。

3.5 GIS局部放电在线监测

在线监测技术曾在GIS设备上广泛应用，然而由于监测装置本身故障频发并且可靠性低、常常出现误报、漏报等原因，引起过较大争议。但是从目前带电检测情况来看，虽然在检测时能够发现部分放电缺陷，但是由于受检测周期的限制，在一个检测周期内新发生的放电缺陷不能够及时有效的被检测出来，容易错过缺陷处理的最佳时机，造成设备故障，特别是对于重要设备而言，将会造成较大的损失。另外对于存在缺陷的GIS设备，采用在线监测装置实时观察其缺陷发展趋势，对准确把握GIS设备状态具有十分重要的作用。

因此，发展GIS局部放电在线监测技术，特别是对重要设备及带缺陷设备的在线监测，将是未来GIS局部放电检测的重要手段。相应的，进一步提高在线监测装置自身的质量水平，加强在线监测装置的灵敏性和抗干扰性能，提高在线监测数据准确性也将是下一步研究的工作重点。据了解，为了提高在线监测装置质量，加强在线监测装置入网质量控制，部分省份已提出GIS内置传感器入网前需送该省电科院进行检测等相关措施，这些措施也具有很好的借鉴意义。

3.6 GIS局部放电智能化带电检测

目前，现场进行GIS带电检测对人的依赖性比较大，无论现场检测还是结果分析都是由现场检测人员进行，对人员素质及技术水平要求较高。对于相同的检测信号，不同的检测人员给出的判断结果有可能并不相同，容易造成对检测结果的误判。采用智能化检测手段，建立大数据平台及专家诊断系统，综合收集设备检测历史数据、运行状况、检修数据等数据，提取检测结果特征信息，通过系统自动分析，准确判断设备运行状况，能够减少现场检测人员工作量、有效弥补检测人员的不足，提高检测结果准确性。然而尚未见有机构或厂家构建智能化检测平台，目前部分仪器自带的专家诊断系统对缺陷类型的分析准确率还较低，GIS局部放电智能化带电检测的研究工作还任重而道远。

4 结论

(1)目前现场常用的GIS带电检测技术主要有特高频、超声波及SF6气体成分分析，实际应用中将三种检测方法有机结合，能够更加有效的发现GIS内部放电缺陷。

(2)GIS带电检测中现场常用的定位技术主要包括幅值定位、时差定位及平分面定位法。

(3)GIS局部放电带电检测技术在现场已得到了广泛的应用，并已检测发现众多设备缺陷，极大的确保了设备安全稳定运行。但仍存在一定的不足:缺陷的精确检测技术尚需进一步研究，缺陷劣化程度尚不能实现量化评估，还需要建立更为规范的带电检测仪器校验及标准体系。GIS局部放电在线监测及智能化带电检测仍是后续局部放电检测技术发展的重点及难点。

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Review of application on GIS partial discharge measurement technology

MAO Wenqi1，WU Shuifeng2，XIE Guosheng2，DUAN Xiaoli2，HUANG Haibo2，YE Huisheng2，XIE Yaoheng2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The principle of UHF，ultrasonic testing and gas composition analysis is reviewed，as well as advantages and disadvantages of field application.Different positioning methods are compared and analyzed.Moreover，existing problems of PD detection are discussed.Suggestions are proposed for guiding possible future applications in flied of PD detection.On-line monitoring and intelligent charging detection is key points and difficulties for the development of PD detection.

ultra high frequency(UHF)；acoustic emission(AE)；partial discharge(PD)；live detection；positioning technology；defect recognition

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0009-05

毛文奇(1981)，男，硕士，高级工程师，主要从事变电专业技术与管理工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.002

2016-02-25