在役GIS内置特高频传感器校验方法研究∗

李义鹏，胡海燕

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)是在其内部充入一定压力的SF6绝缘气体，将高压断路器、互感器、母线等器件全部封闭在接地的金属外壳中，组成的一个完整气体绝缘开关站，因其结构紧凑、占地面积小、检修周期长、噪音低等优点，正逐步取代传统的敞开式设备。但近些年来，号称“免维护”的GIS却安全事故频繁，据统计GIS故障率远大于IEC、CIGRE规定的每年每一百个间隔不超过0.1次。

研究表明，高压电气设备在故障发生前或发生时，会诱发局部放电，表现为气体、液体、固体小范围的局部重复击穿，放电能量很小、时间很短、有微弱的脉冲信号出现，同时伴随有声、光、热以及化学分解等特征，这些微弱的放电能逐渐劣化，最终导致设备整个绝缘击穿。为提前发现电力设备的潜伏性运行隐患，基于微弱脉冲信号检测的状态检测技术应运而生，其主要包括高频电流法、特高频脉冲法、暂态对地电压等，而目前应用最广泛的是特高频信号检测。特高频信号频率在300～3 000 MHz之间，具有较强的绝缘介质穿透能力，通常通过内置传感器或外置传感器进行检测[1-5]。外置传感器安装比较灵活，易于维护；内置传感器具有较高的灵敏度，但内置传感器的设计安装通常在GIS制造时完成，已经运行的GIS经过改造后也可以安装(如利用手孔处的盖板替换)，但所能安装的内置传感器的个数和安装位置受到限制[6，7]。内置传感器安装后，除非GIS停电大修，否则无法对传感器进行拆装，因此运行中的GIS不易对内置传感器的可靠性及有效性进行校验，而内置传感器一般用于GIS局部放电在线监测，一旦发生传感器故障将无法表征GIS内的局部放电情况，存在较大的安全隐患，对此开展相关研究工作。

1 特高频信号在GIS内的传输特点

GIS相当于一些不同特性阻抗的低损同轴波导的串联，并有许多不连续点，将引起驻波和复杂谐振。研究发现，GIS内特高频电磁波的传播特性具有以下特点[8-11]。

a)在GIS直腔体中的传播特性。在GIS腔体内部由于原始波形和原始波在GIS腔体中不断反射的波形叠加，使得特高频信号在GIS腔体内的电场强度最大值并不是一直减小，而是呈现出震荡衰减的过程。大约每1 m特高频信号会衰减1.5 dB，到了5 m位置时，信号衰减到了原来的一半。

b)绝缘子对UHF信号传播的影响。UHF信号在GIS腔体中有绝缘子的情况下，在GIS腔体中传播有时间和空间上的衰减，经过一个环氧树脂绝缘子后衰减了2.15 dB。而内置传感器直接安装在GIS腔体内，不会因绝缘子的存在产生信号衰减。

c)拐角T型头对UHF信号传播的影响。特高频经过拐角T型头时，会出现一定的衰减，试验结果表明，特高频信号经过每个GIS内部的拐角T型头后信号的衰减大约是1.78 dB。

2 内置式特高频传感器校验方法

特高频传感器既可以接收局部放电信号还可以作为天线发射局部放电信号，根据这一特点再结合GIS的结构特点以及特高频信号在GIS内的传输特点[12-17]，提出以下方法对内置式特高频传感器的有效性进行校验。

a)在GIS间隔上选择一内置式特高频传感器，并把固定的标准信号通过该传感器注入到GIS内。

b)在相邻最近的内置式特高频传感器上通过局放测试仪检测信号的幅值大小。

c)依次选择不同的内置式特高频传感器，并把参数不变的标准信号通过该传感器注入到GIS内，在其相邻最近的内置式特高频传感器上检测信号的幅值大小。

d)根据GIS的结构特点以及特高频信号在GIS内的传输特点对比检测数据，如果所检测到数据相差不大，说明该GIS上的内置式特高频传感器性能正常；如果出现数据相差太大的情况，则在该内置式特高频传感器相邻的另一个传感器上重复测试，并根据GIS的结构及特高频信号的传播特点计算信号的衰减，确认传感器的有效性。检测点的信号幅值可以根据公式(1)来计算。

式中:S——检测点处的信号幅值，dB；

S0——标准信号的幅值，dB；

L——两个测点的距离，m；

n——拐角T型头个数。

e)传感器校验完毕后，通过在线监测数据进一步复核传感器的有效性。

3 内置式特高频传感器校验方法现场应用

某变电站220 kV GIS上应用了内置特高频传感器，应用内置式特高频传感器校验方法对其进行了现场校验，如图1所示。

图1 特高频内置传感器现场校验

3.1 校验设备

采用PDS-CL21特高频信号发生器，该发生器能够产生各种放电类型的特高频局放信号，并且强度可调，可用于局放信号模拟。采用PDS-T95多功能局放巡检仪检测特高频局放信号的幅值，该设备使用特高频法、超声波法对电力设备局放进行检测，手持式，快速判断局放存在。设备照片如图2所示。

图2 校验用设备

3.2 校验结果

使用PDS-CL21特高频信号发生器在GIS各间隔上的内置传感器上注入特高频信号，使用PDS-T95多功能局放巡检仪在其相邻的内置传感器上检测特高频信号的幅值。经现场测试，得到的结果见表1。

3.3 数据分析及结果

从表1的校验数据可以看出，该GIS内除I母分段处的3个内置传感器外，其他位置传感器检测到的特高频信号幅值基本接近，说明特高频传感器运行正常。I母分段处的3个传感器，由于其与相邻传感器间存在多个盆式绝缘子以及T形头，所以根据GIS的结构特点以及特高频信号在GIS内的传输特点，对检测数据进行分析。

表1 内置特高频传感器校验数据

a)特高频信号在GIS内大约每1 m衰减1.5 dB。该GIS上，距离最近的传感器其距离1 m且为直管段，检测到特高频信号为57 dB，则特高频信号发生器发出的信号大约为58.5 dB。

b)特高频信号在GIS内大约每1 m衰减1.5 dB，特高频信号经过每个GIS内部的拐角T型头后信号的衰减大约是1.78 dB。I母分段距其最近的传感器6 m左右，中间还有2个拐角T型头。相邻传感器特高频信号发生器发出的信号大约为58.5 dB，根据公式(1)可以计算出该位置的信号幅值约为45.94 dB，与检测结果接近。

c)所有内置传感器均能够正常工作，不影响特高频信号的检测。

3.4 传感器在线监测数据复核

特高频传感器校验完成后，传感器复位并投入运行，监测到的特高频信号正常，其中典型的图谱如图所示，该图谱有一定的局放特征，经便携式局放测试仪复核，判断该处信号为干扰信号。

图3 GIS内特高频局放图谱

4 结论

根据GIS的结构特点以及特高频信号在GIS内的传输特点，提出了一种简单的特高频内置传感器校验方法，通过注入固定的特高频信号，在相邻传感器上检测信号幅值，结合幅值大小及信号衰减特性进行计算，判断特高频传感器的有效性。经现场验证，该方法简单有效，可方便的对内置特高频传感器的有效性进行校验。