特高频时差定位法在GIS局部放电检测中的应用

马建涛，冯新岩，崔 勇，杨承龙，石秀岩

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250018）

0 引言

由于气体绝缘金属封闭开关（GIS）设备具有体积小、占地面积少、易于安装、受外界环境影响小、运行安全可靠、检修周期长等特点，近来在全国范围内应用越来越广泛［1］。为及时掌握GIS设备的健康状况，确保设备的安全稳定运行，对运行过程中的GIS设备进行带电检测非常必要。据统计［2］，GIS设备故障中绝缘缺陷占57.3%，机械缺陷占18.1%，若能有效检测出GIS设备内部的缺陷，对GIS设备长期运行与电网系统安全稳定运行意义重大。大部分GIS绝缘缺陷在故障发生前产生局部放电，通过捕捉局部放电产生的信号，并对其进行分析、判断、定位，可及时处理相应缺陷并成功阻止设备缺陷的进一步扩大。GIS设备内发生局部放电时，电流脉冲（上升沿为纳秒级）能在内部激励高达数吉赫兹的电磁波［2-3］，该类电磁波信号可通过特高频时差定位法进行检测。

GIS 设备带电检测手段很多［2，4－5］，目前国内外最常用的局部放电检测方法主要有两种，分别是特高频局部放电检测和超声波局部放电检测。由于超声波信号（本质是机械波）具有快速衰减的特性，导致其现场检测过程中检测点密集，且检测范围小，定位只能通过幅值法来确定，对精确定位放电源位置有一定局限性［2］。特高频局部放电检测主要是检测异常信号发出的电磁波信号，电磁波在GIS内部导体传输近似等效为同轴传输模式［6-7］，因此其信号衰减较小，检测范围广，抗干扰能力强，可减少检测时间从而提高检测效率，因此得到较快发展。特高频时差定位技术是特高频局部放电检测技术的升级应用，通过放置在GIS上不同检测点上的两个或多个传感器，计算信号源到达不同传感器间的时间差，从而精确定位放电源［2，7］。

1 特高频局部放电检测原理

局部放电过程由于其伴随正负电荷的中和，会出现陡度较大的电流脉冲，并向周围辐射电磁波［2］。当局部放电在GIS内部很小的范围内发生时，击穿过程快，产生很陡的脉冲电流，其上升时间小于1 ns，并激发频率高达数吉赫兹的电磁波，其行波不仅以横电磁波（TEM）形式传播，还以更高阶横电波（TE）即纵向磁场分量传播和更高阶的横磁波（TM）即横向电场分量传播。由于电磁波导的不连续性，导致电磁波的传播发生反射后会成驻波，部分分量方向改变，沿气室间隔之间的盆式绝缘子缝隙传出，可通过外置式特高频传感器进行检测。因此，时差定位法可通过放电源附近外置传感器进行信号检测。GIS设备特高频局部放电传感器安装形式及检测原理如图1所示。

图1 GIS设备特高频局部放电传感器安装形式及检测原理

2 特高频时差定位检测法

对局部放电源的准确定位能快速有效地方便缺陷元件查找及放电类型的诊断，提高检修工作效率。特高频时差定位法原理基于距离放电源最近的传感器检测到的时域信号最超前。时差定位法主要适用于采用高速数字示波器的带电检测装置中，定位方法如图2所示。将传感器分别放置在GIS设备上2个相邻的测点，通过计算放电检测信号的时差，计算局部放电源位置。放电检测波形如图3所示。

图2 GIS中局部放电源位置

图3 示波器检测波形

局部放电源具体位置计算公式为

式中：x为放电源距离左侧传感器的距离，m；L为图2中两个传感器之间的距离，m；c为电磁波传播速度，3×108m/s；Δt为 2 个传感器检测到的时域信号波头之间的时差，s。

3 案例分析

对某变电站GIS设备进行带电检测时，使用特高频局部放电检测仪发现其500 kV GIS 5021间隔内存在幅值较小的异常特高频放电信号，利用特高频时差定位法定位放电源位于5021开关1号母线侧支撑绝缘子。解体后，支撑绝缘子外观上未发现异常，对更换下来的支撑绝缘子进行X射线探伤时，发现支撑绝缘子内部存在两个明显的气泡。更换新的支撑绝缘子，恢复后复测，异常信号消失。

3.1 特高频局部放电信号检测

使用特高频局部放电检测仪发现某变电站500 kV GIS 5021间隔气室内部存在幅值较小的异常放电信号，特高频示波器检测信号如图4。检测信号具有周期性，周期为20 ms，脉冲数量较少，由此分析该缺陷类型为空隙放电。

图4 示波器检测波形及时差定位

3.2 局部放电信号时差定位

为了精确查找GIS内部放电位置，使用特高频时差定位系统对放电信号进行放电源定位，将2个传感器分别放在该气室的两侧的盆式绝缘上，通过高速示波器检测放电源到达各气室的时刻，时差定位、检测现场、GIS结构示意分别如图4～图6所示。

通过图4，图5可知，传感器1与传感器2的时差为6.5 ns，2个内置传感器距离3 m，代入式（1），计算得放电源距传感器1处1.1 m处，对照GIS尺寸结构（图6），此处正好对应于开关支撑绝缘子处。

图5 现场检测

图6 设备结构示意

3.3 GIS解体检查处理

解体后，外观上未发现异常，对更换下来的支撑绝缘子进行X射线探伤时，发现支撑绝缘子内部存在2个明显气泡。X射线探伤及切割如图7所示。对该支撑绝缘进行更换，处理后进行复测，异常信号消失。

4 结语

特高频时差定位检测法能有效排除干扰，准确定位GIS设备内部放电源位置，从而提高检修效率，缩短检修时间，减少检修成本。

现场实际检测中的放电谱图与典型放电谱图不完全一致，因此在实际诊断放电类型时，需分清各类放电谱图的主要特征，并结合放电源位置等因素对放电缺陷类型进行综合分析、判断。

某些绝缘类缺陷可由绝缘件浇筑过程中工艺缺陷引起，因此，对绝缘件的出厂需要严格按照试验规程和流程，进行百分之百检查，从根本上杜绝异常设备或附件投入使用。