GIS 设备局部放电诊断方法及性能对比研究

杨鼎革，高 健，孙浩飞

（国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710100）

0 引 言

GIS 设备自20 世纪50年代便开始在电力行业投入使用，其发展速度和势头相当迅猛。就目前情况来看，GIS 的相关技术已经较为成熟，因此在我国电网建设中被广泛使用。但是，运行过程中它也出现了一些问题，其中较为突出和常见的就是绝缘性故障。GIS 的绝缘性故障会造成内部击穿，直接引发跳闸停电事故。GIS 设备的绝缘主要分为对地绝缘和相间绝缘，而它的绝缘主要靠的是SF6气体和不同片数的支撑绝缘子。当这些绝缘介质或者绝缘通道存在一定缺陷时，会使设备内部或者外部发生局部放电。局放发生数次后，GIS 里起着绝缘作用的SF6气体将在外加放电的作用下经过一系列化学反应生成其他的生成物，且GIS 的固体绝缘介质也会在局放的条件下出现老化、绝缘强度不够等现象。

综上所述，正是因为GIS 设备在发生局部放电时伴随着一些化学反应，可以根据不同放电的不同特征量进行相关检测。目前，已经运用的检测手段主要有以局部放电产生的脉冲信号作为检测信息来源的脉冲流法，采用局部放电产生的电磁波信号作为检测信息来源的无线电干扰法和特高频诊断法，以及运用局部放电的电动力产生的机械振动波作为检测信息来源的超声波法。本文将对这4 种常见的局部放电诊断方法原理进行分析，并对其性能进行对比研究[1-4]。

1 不同诊断方法的原理分析

1.1 脉冲电流法

当GIS 设备的壳体内部出现了局放现象时，内部的绝缘介质将会存在一些电荷。这些存在于绝缘介质中的电荷能够诊断采用电极两端产生不定大小的脉冲电流，那么通过检测由于局放产生的脉冲电流使得被检测设备的两端产生的脉冲电压，就能够得到相应的视在放电量。这种诊断方法整体来说比较容易实现，但是外界的电磁信号会对其造成一定的干扰，导致局部放电信号不易被识别出来。所以，这种方法的灵敏度较低，在作业现场使用时存在局限性。

脉冲电流法的基本原理可以用图1 的电路图进行简单描述。当被检测试品Cx发生了局放现象时，局放产生的脉冲电流i会对Ck这个耦合电容进行充电，从而会在检测阻抗Zd的两端出现电位差，即脉冲电压ΔU。这个有脉冲电流产生的脉冲电压可能很小，但是通过相关处理仪器传输、放大等处理后，可以测量设备局放过程中的一些基本参数。脉冲电流法一般来说只对一些低频成分（数量级一般为数千赫兹至数兆赫兹）进行采集，可以减少无线电的一些干扰[2-3]。

图1 脉冲电流法原理图

1.2 瞬态对地电压（TEV）诊断法

空气虽然是良好的绝缘体，但是在湿度较大时也易被高压击穿。所以，在电力系统中的绝缘需要采取效果更好的绝缘措施，如采用环氧的PT、CT 以及固体绝缘子和穿墙套管等。局放一般会出现在绝缘材料的内部，电荷会在接地引下线附近大量聚集，会向周围产生一定的脉冲信号。在这样的放电模式下，放电产生的能量在最开始会汇集在设备屏蔽层内部的表面上。所以，若设备的屏蔽层一直处于封闭状态，那么外部不可能接收到局部放电发出的信号。但是，屏蔽层一般都会存在一定的缺陷，如垫圈的连接处、电缆终端等部位，如图2 所示。如此局部放电信号就能够通过缺陷处泄露到外部，外部的传感器就能够接收到来自局放的高频信号，从而出现暂态对地电压。

图2 TEV 诊断法检测原理

在电力设备中的局部放电类型主要包括电晕放电、表面放电、内部放电以及悬浮放电等，如图3 所示。通过相关理论可以知道，发生放电的过程中会在一定的区域内产生较多的带电粒子，而这些带电粒子的存在会造成附近电场出现一些变化。交变的电场会产生交变的磁场，电磁波也就出现了，还会在设备的外壳上出现一个暂态的对地电压。一般情况下都采用电容探测器采集暂态对地电压（TEV）的信号，从而能够得到局放的电压幅值和脉冲周期。

图3 局部放电类型

对于传统的脉冲电流法来说，视在电荷量一般能够通过测量获取。一般用“pC”表示局部放电的放电强度，用“dB”表示暂态对地电压的放电强度。脉冲电流法在测量时能够反映出的内容有限，仅仅能够反映局放在电极两端的电压变化量，而局放的放电路径不能捕捉到。因此，脉冲电流法在局放定位方面存在明显不足。现阶段，虽然已经逐渐开始为了找到dB 和pC 之间存在的定量关系进行相关的研究，但目前dB依然无法做到对放电强度的量化。结合上述分析，TEV一般用于局部放电的定性检测，现场使用时大多情况下用来将一组相同类型的设备的运行状况进行比较，进而确定检修的先后，也能够跟踪测量单个的设备，以发现和掌握该设备的绝缘是否良好[4-5]。

1.3 超声波诊断法

声波和冲击振动波一般也会伴随着局部放电现象发生出现在设备中。用于检测超声波的传感器大都装在壳体的外部接收局放产生的信号。此方法的最大优点是用来接收信号的传感器与电力设备的任何回路都无关，所以没有所谓的电磁信号干扰，但会在现场使用时受到外界环境的影响。超声波信号在向远方传播的过程中强度有很多衰减，尤其在绝缘材料中更为明显。但是，超声波信号在故障定位方面却有着较高的准确度。结合此分析可以看出，超声法存在一定的局限性，检测范围较小，灵敏性较低。局部放电现象本质上看，实际上是间隙被高压击穿的一个过程，它的放电区域半径一般十分小，因此在某种程度上可以把一个局放的点看作是一个点声源。局部放电的超声波检测法的基本原理如图4 所示。

图4 超声波局部放电检测原理

声波在不同形式的介质中的传播方式不同，如在气、液体中的传播方式与在固体介质中有较大区别。气液体中是以纵波向外传递信号，纵波主要依靠分子间的碰撞传递信号能量。在固体介质中，声波的传播形式会同时包含横波和纵波。横波与纵波的不同之处是传播时质点的振动方向与波的传播方向成垂直关系，而不是平行关系，那么这需要质点与质点之间有一个较大的力牵动其进行传播。因此，横波的传播介质一般会是密度较大的液体或者固体。一般来说，横波会在纵波完全透过气体介质或液体介质抵达外部固体壳体时出现，然后才会在壳体上持续传播，如图5 所示。

图5 声波的传播路径示意图

如果声波的频率和类型不尽相同，那么在温度不一样的情况下，通过不同介质进行传播时，传播的速率也会有较大差异。纵波的传播速度约是横波的2 倍，且随着频率的增高，传播速度也会增加。但是，在矿物油中是个例外，传播速率反而会在温度升高的情况下有所降低；在气体介质中的传播速度往往比在固体介质中小得多。同时，声波在任何介质中传播，其能量都会存在一定程度的衰减。传播媒介是气体和液体时，衰减主要是波的扩散造成的。传播媒介是固体时，衰减主要是由于分子之间的碰撞将能量转换成了热能。通过采集超声波信号到达设备上安装的各个传感器上的时间差，结合声波在各个介质中的传播速率，能够定位放电位置所在的平面或者空间，通过对比多个超声波信号的强度，就能够计算出放电源的幅值[6-7]。

1.4 特高频诊断法

特高频法（UHF）一般是用来检测设备局放发出的电磁波信号，在GIS 设备中的应用尤为广泛。但是，受GIS 自身结构的一些影响，局部放电发出来的电磁信号经过GIS 设备传到UHF 检测传感器会出现一些变化，造成局放电源信号的评估难度更大。那么，需要对电磁波信号在GIS 设备中传输过程中的一些特点和变化规律进行研究，这对于特高频法在GIS 设备上的应用十分重要。GIS 一般是同轴结构，如果是在工频条件下，在计算分析电磁波的传输特性时，一般可采用集总参数来表示。暂态的电磁波信号在传输时一般可以当作分布参数进行处理，对于微波来说应该看作是同轴波导。此外，GIS 因为绝缘子的存在，它的特性阻抗与波阻抗在某种程度上会不连续的，会造成高频波在GIS 内部进行多次折射或者反射。因此，局放的UHF 信号变得非常复杂。

在GIS 设备内部发生局放现象时，发出来的特高频电磁波将会顺着设备的腔体进行传播。GIS 与波导有着类似的结构，均为同轴结构。因此，特高频电磁波能够进行一段较长距离的接近无损的传播，那么只需要将接收天线布置在GIS 盆式绝缘子附近，则由GIS内部传播出来的相应信号就能够被容易地采集。但是，GIS 设备内部的材质也不会完全理想化。电磁波必然没有办法无损耗传递，但是其能量的损耗与传播长度呈正比。GIS 中有着很多采用法兰进行连接的结构会构成不连续的点，会导致UHF 信号在向外传播过程中会发生一定的衰减。有实验证明，使得UHF 信号能量造成损失的主要原因是这些不连续点的反射。高次模波的色散会导致局部放电信号的幅值有较大的衰减，且波形的一些特征也会发生一些变化，但对于UHF 信号的检测来说并不会受到很大影响。对于通过绝缘子之后的信号，信号中的低频部分会发生微小衰减。信号中的高频部分衰减快慢与频率有着正相关关系。电磁波信号经过GIS 设备中各不连续构件之后的衰减特性，如表1 所示。

通过以上叙述可知，GIS 设备中由于局部放电而出现的特高频电磁波（0.3～3 MHz）可以通过UHF 的传感器采集，从而达到监测设备局部放电的目的。UHF法最大的优点是能够较为明显地降低噪声对测量的干扰，如可用宽频的UHF避免受到低频信号的干扰。另外，如果能够把相应的传感器较为合理地安装到GIS 壳体上，就能够十分精确地定位放电源[8-9]。

2 不同诊断方法性能对比

通过上述局部放电的诊断方法原理的分析以及查阅相关资料[2-9]，对GIS 设备局部放电不同诊断方法的性能进行了总结，如表2 所示。

3 结 论

本文对GIS 设备局部放电诊断中常见的4 种方法的基本原理进行分析，并结合其原理和相关资料对这4种方法的性能进行对比分析，以便在不同的场景和要求下选择最合适的诊断方法。

表1 电磁波信号经过GIS 设备各构件后的衰减特性

表2 GIS 设备局部放电诊断方法性能对比