特高频带电检测技术在GIS设备中的应用研究和验证

郭勋

摘要：近年来，GIS设备在电网设备中的占比越来越高，其优点是内部结构集中、整体体积小、配置灵活，而且由于是全封闭结构，受外部环境因素的影响较小，因此正逐步受到电力用户的广泛青睐。然而，与其他设备一样，GIS设备在长时间运行后也会出现绝缘部件老化、气室内部受潮等安全隐患。一旦出现局部放电就可能导致严重的电网事故和设备事故，造成恶劣影响。由于GIS设备运行维护和检修存在难度大、周期长等问题，因此在试验周期内对运行中的GIS设备做好带电检测，及时发现内部放电缺陷对电网运行维护显得极其重要。本文针对特高频检测技术展开研究，通过一起GIS设备局部放电的现场真实案例，说明并阐述局部放电的缺陷定位、分析、诊断和验证的方法和标准，为其他类似的带电检测工作提供借鉴。

关键词：特高频;带电检测;特高频局部放电

1 特高频带电检测技术的基本原理

特高频带电检测技术的主要检测设备是特高频传感器和信号识别装置，检测的特高频电磁波信号范围为300 MHz～3 GHz， 在获得该波段电磁波的相关信息后，通过特征量的不同实现局部放电的判断。设备在很小范围内出现局部放电时，将产生上升时间小于1 ns的脉冲电流，其击穿过程快并能激发出数GHz的电磁波。由于变电站空气中电晕干扰的电磁波频段主要集中在300 MHz以下，因此该技术具有较高的抗干扰能力，能实现实际工作中局部放电巡检、定位及缺陷识别和诊断。

1.1 特高频局部放电分类

根据局部放电信号的不同类型，特高频局部放电的典型放电信号分别为电晕放电、悬浮放电、内部气隙/沿面放电、自由金属颗粒放电。

（1）电晕放电。

放电信号通常集中出现在每个工频周期的负半周或正半周，信号强度不高，相位分布较宽，高频分量较少;而在没有出现放电信号的另一半周期内，若电压等级较高，也可能存在放电信号，其幅值较大，相位分布较窄。

（2）悬浮放电。

放电信号通常在工频相位的正负半周期内出现，具有一定的对称性，幅值大，PRPS 谱具有“内外八字”的典型特征。

（3）金属颗粒放电。

放电特性是放电信号极性效应不明显，放电信号可能分布在任意相位，放电次数少，放电信号幅值大小不一，放电信号时间间隔不统一。如果提高电压水平，放电信号幅值增大，时间间隔有一定的减小。

（4）内部气隙/沿面放电。

放电特性是放电信号通常出现在工频相的全周期内，并具有一定的对称性。放电信号的幅值存在一定的规律性，高频成分较少，放电次数不多。

1.2 特高频带电检测定位方法

定位放电源有助于查找缺陷部件，提升工作效率。特高频定位方法主要包括幅值比较法、时差定位法、声电联合定位法等。

（1）幅值比较法是根据放电源附近信号最强的原理定位放电位置。该方法实施过程中需安放多个检测点，通常幅值最大的点即信号强度最高，由此可判定这类检测点最接近放电源。然而，该方法的准确性会受到现场检测条件的影响，如外界干扰很大、放电信号很强、同时存在两个及以上的放电源。

（2）时差定位法是利用放电源最接近的传感器的时域信号最超前的原理定位放电位置。高速示波器可获取放电信号的时域波形，读取两个传感器检测到的信号波头时差，并根据信号传播速度和传感器之间的物理距离计算出放电源的位置。

（3）声电联合定位法。由于声波的传播速度远低于电磁波的传播速度，因此可将特高频信号作为触发信号，利用超声波作为测量媒介，通过计算可大致判断放电源的位置。特高频与超声波两种检测方法具有互补性，使得声电联合定位不仅可避免机械振动的影响，还可防止电气干扰，实现放电源定位的准确性。

2 GIS设备局部放电实例分析及验证

某110 kV变电站采用室内GIS设备，母线筒结构为三相共箱式，其盆式绝缘子为非金属屏蔽结构。

2.1 特高频带电检测方案的实施

（1）特高频和超声波巡检。

对该GIS设备进行特高频和超声波巡检时，发现其1150间隔存在异常特高频信号，但未检测出异常超声波信号。由此可看出，该放电信号出现在工频周期的正、负半周，具有一定的对称性，其中放电信号幅值较分散，放电次数较少，且脉冲主要集中在一、三象限。通过排除外界干扰，可知该信号来自设备内部。

（2）幅值定位分析。

通过特高频信号普测，发现远离母线气室的盆式绝缘子特高频信号幅值逐渐衰减。根据该GIS的内部结构，通过检测母线侧三相上、下两组盆式绝缘子的特高频信号，实现对缺陷的幅值定位。由表1可看出，A相下部测点的信号幅值最大，为-55 dBm， 因此该局部放电缺陷最大概率来自1150间隔A相母线气室的下部。

（3）时差定位分析。

将特高频传感器分别置于1150间隔母线气室的3个盆式绝缘子处，其中检测点1、2、3分别对应3个盆式绝缘子的A、B、C三相。

其中，检测点1和3处的放电信号初始波峰相差4.5 ns， 且检测点1先于检测点3。而检测点1和2处放电信号的起始和初始波峰几乎同时到达，仅相差0.1 ns。由此可初步判断检测点1、2的中间位置为放电点，即A、B两相气室之间。

根据3个检测点之间的时差和距离计算出放电源与A相传感相距87.5 cm， 即放电源位于A相母线气室下部。由此可判断为A相母线的支撑绝缘子存在局部放电缺陷。

2.2 特高频带电检测方案的验证

為及时消除该局部放电缺陷可能导致的隐患，对该110 kV间隔进行了解体处理。

3 结语

本文利用变电站真实案例，验证了特高频带电检测技术能有效发现GIS设备内部的局部放电缺陷，即通过特高频和超声波带电检测巡检发现异常信号，根据其PRPS和PRPD图谱判断放电类型，利用幅值比较法、时差定位法等方法定位放电源，并结合GIS设备内部结构图、X光成像等手段验证了特高频带电检测技术的实用效果，证明了该检测技术能保证对GIS设备缺陷的精确分析和判断，有利于及时消除设备隐患，提高设备运行的安全性和可靠性。

参考文献

[1]左亚芳.GIS设备运行维护及故障处理[M].北京：中国电力出版社，2013.