GIS局部放电带电检测技术分析与现场应用

魏翀， 熊俊， 杨森

(1.上海交通大学 电气工程系，上海　200240; 2广州供电局有限公司电力试验研究院，广东 广州　510410)



GIS局部放电带电检测技术分析与现场应用

魏翀1， 熊俊2， 杨森2

(1.上海交通大学 电气工程系，上海200240; 2广州供电局有限公司电力试验研究院，广东 广州510410)

局部放电带电检测是诊断GIS绝缘状态最有效的方式之一。在分析特高频法和超声波法各自优缺点的基础上，提出了适合现场应用的声电联合检测法。在一起220 kV GIS现场案例中，运用方法对GIS内部缺陷进行了快速、准确的定位。随后的停电解体验证了检测结果的正确性，为GIS局放带电测试技术的应用积累了宝贵经验。

GIS；局部放电；带电检测；声电联合；故障定位

0　引　言

封闭式气体绝缘组合电器(GIS)具有占地面积小、可靠性高、受外界环境影响小、维护简单等优点，近年来被广泛地应用于电力系统中[1-2]。由于设备结构复杂，在设计制造、安装调试过程中可能存在GIS内部绝缘表面脏污、尖刺、自由粒子、固体绝缘内部缺陷等。任由这些缺陷在运行过程中不断发展将会导致严重事故。另外，GIS具有封闭式的结构特性，故障后的检修需要较长的时间并耗费大量的人力物力。

对GIS进行局部放电带电检测是评估GIS运行状态的重要手段。可以提前发现GIS内部潜在的故障或缺陷，保证其安全可靠运行。带电检测是短时间带电的现场测试，具有灵活度高、经济性好、系统维护工作量小的优势，适合我国当前电力生产模式和经营模式。然而目前大部分GIS带电检测案例只是采用单一检测方法或先后采用特高频法和超声波法对GIS进行检测[3-5]。本文在辨析超声波法和特高频法各自特点的基础上，制定了一种声电联合的GIS局部放电检测方法，并给出了利用该方法检测220 kV GIS设备内部故障的实例。现场检测经验证明该方法具有效率高、定位准确的优势。

1　GIS局部放电主要带电检测方法

1.1特高频法(UHF)

特高频法对伴随局部放电产生的特高频电磁波信号(300 MHz≤f≤3 GHz)进行检测，抵抗现场电晕干扰能力较强。GIS的同轴结构是一种良好的波导结构，特高频电磁波在其内部传播过程中衰减较小，可以传播到较远的距离[6]。而GIS设备多处位置都装有盆式绝缘子，这些环氧材料的绝缘子可以透射特高频电磁波信号。现场检测经验表明，利用在放电点附近的多个盆子都可以检测到不同程度的特高频信号的特点，可大大提高现场检测的效率。

图1　上升沿起点难以确定的特高频信号

特高频法采用时差定位法实现GIS局部放电源的定位。即通过计算两个或多个不同位置的特高频传感器接收信号的时延来确定放电源的位置。根据费码最短光程原理，两路信号间的到达时延应为其各自波形上升沿起点的时间差[7]。电磁波以光速在GIS中传播，时延的计算精度对该方法的定位精度影响很大，每1 ns的时延误差将会带来空间上0.3 m的定位误差。当信号的起始脉冲较小而背景噪声较大或信噪比很低时，特高频信号的上升沿起点往往很难确定，如图1所示信号。该信号为现场实测信号仅通过检测人员的人工判断，将无法准确的定位放电源，造成定位点与实际放电点之间的距离偏差较大。因此在现场检测中，只使用特高频法难以实现局部放电的精确定位，定位的有效范围往往限制在1～2个气室内。

1.2超声波法

超声波法通过对GIS腔体外壁安装超声波传感器检测局部放电产生的超声波信号。超声波传感器与电力设备的电气回路无任何联系，抗电磁干扰能力较强但容易受到机械干扰[8]。相比特高频法，超声波法的测量位置不受盆子限制，测量方案灵活多变。但超声波法存在以下问题：信号的有效范围较小，现场经验表明每隔0.5 m～1 m需要布置一个测量点；操作不便，外置式超声传感器需要通过粘结剂贴在壳体表面。如果采用超声波法对变电站中所有GIS间隔进行普测，所需的现场工作量繁重且容易漏测。

超声波法对局部放电源定位的方法分幅值法和时差法两种。幅值法是根据超声波信号的衰减特性，利用其峰值或有效值的大小定位，一般离信号源越近，信号越大。但由于波的扩散、反射和热传导均可造成衰减，且超声波在不同媒介中传播的衰减强弱不同，该方法只可实现初步定位。时差法是根据传感器的空间坐标和超声传感器到达传感器的时差，通过联立球面方程或双曲面方程计算空间坐标。但由于GIS各个气室的结构、尺寸不同，传感器的空间坐标难以确定，使得在现场应用时受到一定的制约。

1.3声电联合检测法

声电联合检测法同时对局部放电源产生的超声信号和特高频信号进行检测。如表1所示，利用两者互补的特性，使其相比于单一超声法和特高频法有更强的抗干扰能力，并能提高定位精度。

该方法首先利用特高频法有效测量范围大的特点，高效率的对GIS间隔整体状况进行巡检。对存在疑似信号的区域再采用特高频法和超声法联合进行定位分析。根据GIS的同轴结构，利用了平分面法确定放电点所在平面。由于电磁波信号的传播速度远远快于超声信号的速度，以特高频信号作为基准，超声信号对基准的延迟时间乘以超声信号在介质中的传播速度即为超声传感器与放电点间的直线距离。以此实现了放电点的准确定位。其现场检测步骤如下：

(1) 将外置式特高频传感器a、b分别贴在可测得异常信号的盆式绝缘子上。若局放点位于如图2所示位置，则特高频传感器b测得信号超前特高频传感器a测得信号。可初步判定局放源位置处于传感器b两侧的气室，即气室B或气室C。

图2　声电联合法确定局放点位置示意图

(2) 特高频传感器b位置不变，将两个超声传感器分别贴在绝缘子两侧气室(如图2中1、2位置)。利用超声波在GIS常用材料介质中衰减较大的特性，比较两位置测得超声信号的幅值。如图2所示情况，则2号位置的超声传感器幅值较大，将放电位置进一步缩小在气室B。

(3) 以外置式特高频传感器b测得信号作为时间基点，保持一个超声传感器在2位置不变，在气室B外壁上移动另外一个超声传感器。根据平分面法，使得两路超声信号的到时间基点的时延相同(如图2中2、3位置)。则放电点位置在两超声传感器的垂直平分面上。

(4) 将一个超声传感器移动到该垂直平分面与GIS外壁的交线上任意一点(可选图2中4位置)。读取该位置下超声信号与时间基点间的时延，利用超声波的传播速度，确定放电点的具体位置。

表1　两种检测方法特点对比表

注：特高频法抵抗低频电晕干扰能力较强，但容易受到特高频范围内电磁干扰的影响。

2　现场案例分析

采用上海交通大学自行研制的JD—S100局放带电检测系统在某500 kV变电站内220 kV GIS多个部位检测到典型的局部放电异常信号。根据信号幅值的强弱和时延的大小确定了局部放电产生的间隔，该间隔主要包括断路器、刀闸、电流互感器、绝缘盆子等。通过声电联合检测法确定放电点位于220 kV GIS上方刀闸A相的传动机构。

2.1检测数据分析

在220 kV GIS上方刀闸A相附近测得的典型特高频及超声信号如图3所示。通道2表示特高频传感器a测得信号，通道3表示超声传感器测得信号，通道4表示特高频传感器b测得信号。其中，特高频传感器b贴在A相刀闸气室的盆式绝缘子上，特高频传感器a指向外部，用来检测背景。

图3　220 kV GIS上方刀闸A相典型测试信号

特高频传感器b检测信号峰峰值达到5.41 V，而检测背景的特高频传感器a的峰峰值仅为2.88 V。特高频信号每个工频周期内存在2个局放脉冲，脉冲之间相角差稳定在180°。超声波信号的幅值较大，峰峰值达到1.77 V，并具有明显的工频相关性。测得的特高频与超声脉冲信号之间一一对应，脉冲个数较少、幅值较大、存在间歇性与悬浮电极放电的特征相符，应为悬浮电极类放电[9]。两种检测方法相互佐证，可以有效的避免外部干扰对单一检测技术的影响，提高检测的准确性。

为了确定放电源的位置，首先将两特高频传感器分别贴于A相刀闸两侧的两个盆式绝缘子上，测得典型的信号如图4所示。通道4为在A相刀闸靠近出线侧盆式绝缘子上测得的信号，该信号超前另一路特高频信号。放电点位置靠近A相刀闸靠近出线侧盆式绝缘子，完成了初步定位。

图4　A相刀闸两侧绝缘子测得的特高频信号

图5　声电联合法定位测试现场照片

利用声电联合法对放电点进行精确定位。以特高频信号作为参考，同时采用两路超声传感器进行时延定位分析。如图5所示，将特高频传感器固定在A相刀闸靠近出线的盆式绝缘子上，将超声传感器a粘贴在刀闸的上端，超声传感器b贴在刀闸的下端。

图6　声电联合法定位测试结果

声电联合法测得的典型信号如图6所示。通道1为超声传感器a测得信号，通道3为超声传感器b测得信号，通道4为特高频传感器测得信号。超声传感器a测得信号在时间上超前超声传感器b测得信号，即放电源应该靠近刀闸的上端。根据平分面法，通过多次移动两个超声传感器进行对比分析，最终确定放电点靠近刀闸A相顶部。

由于声电联合定位法以电信号和超声波信号之间的时间差作为故障点到超声波传感器的时间，以等值声速乘以传播时间就是故障点到达超声波传感器的距离。当超声传感器贴近刀闸A相顶部时，特高频脉冲与超声脉冲之间的时间差Δt约100 μs，参见图6。如按照SF6中超声波的传播速率来计算，放电源与超声传感器之间的距离约为16 mm。考虑到GIS外壳有一定的厚度，该放电源应该临近GIS外壳。当局部放电源靠近GIS外壳时，产生的电磁波传播路径为沿GIS外壳内表面绕向传播路径而非直线路径[10]。沿直线传播的特高频信号到达时间应早于图6通道4测得信号到达时间，故障点与外壳内壁的距离应略大于16 mm。

2.2检测结果判断

图7　放电源位置定位

综上所述，刀闸A相放电源应位于如图7所示的位置，考虑到该处实际安装的是刀闸的传动机构，因此放电现象应是由于刀闸的传动机构产生的；此外由于放电类型为悬浮电极放电，该传动机构应该存在连接部件松动的情况。

2.3解体检查

图8　刀闸解体后照片

对异常220 kV GIS进行现场停电解体，GIS的内部情况如图8所示。在刀闸的绝缘杆与传动机构的连接处发现明显的放电痕迹，放电点四周有大量灰色粉末。

该故障是由于绝缘杆与传动机构的连接部位接触不良或经长时间的震动出现松动，造成连接部位形成非接触状态。进而造成悬浮电位并产生局部放电，长时间的放电引起金属件的电腐蚀进而又加剧放电产生恶性循环。验证了本文提出的声电联合法检测的准确性。

3　结束语

局部放电带电检测能在不断电、不改变运行状态的情况下了解GIS的设备工况。便于电力公司有针对性的指导检修工作。采用单一检测方法或先后采用特高频法和超声波法对GIS进行检测在现场应用时仍存在较多不足。笔者在辨析特高频法和超声波法特点的基础上，结合一起220 kV GIS刀闸局部放电异常的带电检测案例，给出了声电联合法的检测步骤、现场的检测信号波形和后续设备的解体照片。现场检测情况表明，声电联合法检测具有效率高，灵敏度强，定位准确的优势。

[1] 陈敏,陈隽,刘常颖,等. GIS超声波、超高频局部放电检测方法适用性研究与现场应用[J]. 高压电器,2015,51(8):186-191.

[2] 孙曙光,陆俭国,俞慧忠,等. 基于超高频法的典型GIS局部放电检测[J]. 高压电器,2012,48(4):7-12.

[3] 李军浩,侯欣宇,李海涛,等. 一起110 kV GIS PT气室放电缺陷的检测与分析[J]. 高压电器,2013,49(12):141-144.[4] 何胜红,苏杏志,陈志平,等. 一次GIS避雷器中的局部放电在线检测和故障分析[J]. 高压电器,2012,48(8):89-93.

[5] 曾雄杰,刘旭明. GIS设备局放类型图谱以及现场局放测试诊断图谱的应用[J].高压电器,2013,49(11):31-36+42.

[6] 张国光.电气设备带电检测技术及故障分析[M].北京：中国电力出版社,2015.

[7] 陈敏,卢军,陈隽,等. GIS局部放电源的时差定位方法研究[J].高压电器,2014,50(5):46-50.

[8] 李德军,沈威,郭志强. GIS局部放电常规检测和超声波检测方法的应用比较[J]. 高压电器,2009,45(3):99-103.

[9] 丁登伟,高文胜,刘卫东. 采用特高频法的GIS典型缺陷特性分析[J]. 高电压技术,2011,37(3):706-710.

[10] 刘君华,郭灿新,姚明,等. 局部放电电磁波在GIS中传播路径的分析[J]. 高电压技术,2009,35(5):1044-1048.

Analysis and Field Application of Live Detection of Partial GIS Discharge

WEI Chong1, XIONG Jun2, YANG Sen2

(1. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Electric Power Test and Research Institute, Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510410, China)

Live detection of partial discharge is one of the most effective methods for GIS insulation diagnosis. After analyzing the advantages and disadvantages of UHF method and ultrasonic method, this paper presents an approach combining both methods for field application. In a 220kV GIS on site, internal defects in the GIS are located quickly and preciously in the new method. The following service interruption and disintegration verifies the correctness of the detection results, thus providing valuable experience for live detection of partial GIS discharge.

GIS;partial discharge; live detection; combination of UHF and ultrasonic methods,;fault location

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.032

TM711

A

1000-3886(2016)02-0106-03

魏翀 (1991-)，男，安徽合肥人，硕士生，主要从事输变电设备局部放电带电检测技术的研究。熊俊 (1983-)，男，江西宜丰人，高级工程师，主要从事高压设备预防性试验管理、状态检测新技术应用与推广工作。杨森(1989-)，男，湖南长沙人，助理工程师，长期从事高压设备预防性试验、状态监测新技术应用工作。

定稿日期: 2015-12-04