220kV GIS特高频法带电检测技术分析与应用

张家口供电公司 任志强 申 浩

1 引言

带电检测是GIS 局部放电检测中用以评估设备绝缘性能的有效方式。特高频带电检测是根据内置或外置传感器设备接收来自局部放电的特高频（UHF）电磁脉冲信号，然后根据信号的时间差对设备缺陷位置进行定位[1]。因其抗干扰能力强、故障定位精准度高，所以目前已成为用来评测GIS 运行状态的有力手段。

2 GIS 特高频法带电检测技术及其工作原理

2.1 GIS 特高频法带电检测技术

特高频局部放电检测是指利用内置传感器或外置传感器接收局部放电产生的0.3GHz 至3GHz 特高频段的电磁波信号，对设备进行相应的放电检测。由于电设备绝缘体绝缘强度高、击穿力强，所以局部放电一般仅存在于小区域内，但是击穿迅速极快，其上升时间通常小于1ns，同时产生相应的脉冲电流。运用特高频检测局部设备放电情况时，若发现特殊信号，应先判断信号来源，以排除非外界因素的干扰[2]。通过对干扰信号图谱、检测信号图谱的分析，判断设备放电异常问题是否存在。

2.2 GIS 特高频法带电检测的工作原理

特高频带电检测的工作原理是对放电信号进行检测。当设备发生局部放电时，可利用传感器可对电磁波信号进行检测，获取局部放电的相关数据。特高频传感器通常有内置和外置两种类型。在实际应用中，内置式传感器往往安装于GIS 设备内部，由GIS 生产商制造时置入；外置式传感器主要用于高压开关柜的检测，通常置于未有金属屏蔽的GIS外壳介质窗或者盆式绝缘子外侧。

3 220kV GIS 特高频局部放电类型及其缺陷分析

3.1 电晕放电

电晕放电的电信号一般在工频周期的正负半周集中出现，相位分布稍宽，信号强度较低，且高频分量少。但是在未出现放电信号的半周期内，电压较高时，可能也会出现放电信号，该放电信号相位分布较窄，幅值较大。该类型放电次数较少，极性效应显著。这一放电类型往往易受外壳毛刺、导体毛刺影响，使气体中极场产生不均匀放电现象，且这一现象通常发生在设备内部[3]。当缺陷较小时，可能会出现表面烧蚀，对设备危害较小，然而在过电压下，则可能导致设备击穿隐患，所以要对放电信号的幅值给予一定关注。

3.2 沿面放电

沿面放电的放电信号一般出现在工频相位全周期内。这一类型的放电幅值相对分散，且放电次数少，时间间隔不稳定，但放电相位相对稳定，高频较少，没有明显的极性效应。这一放电类型存在的缺陷是，绝缘内部裂纹、脏污及空穴，容易导致设备内部出现非贯穿性放电，也是导致设备绝缘击穿的重要因素。引起沿面放电异常的原因往往也与工频电场相关。

3.3 悬浮放电

悬浮放电的信号一般出现在工频相位的正半周期或负半周期，且存在对称性。PRPS 谱呈现“内外八字”。然而，当悬浮金属出现不对称情形时，其正半波、负半波的检测信号则会产生极性差异。悬浮放电时，设备内部的悬浮部件跟随振动，也因此又有固定间隙与可变间隙悬浮放电之分。悬浮放电的缺陷是，一旦设备内部的金属部件和相关导体出现间隙，丢失了电位连接，这时便容易引发接触不良放电现象。

3.4 金属颗粒放电

金属颗粒放电在全工频相位周期内均分布有放电信号。放电信号一般放电次数少、间隔不规律，且放电极性效应不明显，放电幅值分布也较为广泛[5]。当提高电压水平时，金属颗粒的放电幅值会相应增大，相对的放电信号时间间隔减小。这一类型的放电缺陷往往由金属碎屑导致。当设备的内部电场发生变化时，其内部的金属微粒将会随之进行跳动，若此时加大导体与金属外壳之间的高低压，极可能会引发设备击穿现象。

4 220kV GIS 特高频法带电检测技术的优点

4.1 检测灵敏度高

特高频电磁波会在GIS 内部产生反射，并在GIS 罐体形成谐振，一定程度上延长了局部放电信号的振荡时间，降低了特高频电磁波信号在传播过程中的损失，因此特高频带电检测技术的检测灵敏度得以提高。

4.2 抗低频信号干扰能力强

特高频传感器的信号频段在0.3GHz 至3GHz 范围内。而电晕干扰又是检测现场信号干扰的主要因素，其频段通常在300MHz 以下，所以特高频检测法可以有效防止现场出现的电晕干扰，抗低频信号干扰能力较强。

4.3 能实现局放源定位

局部放电的特高频电磁脉冲信号抵达GIS 盆式绝缘子的时间与其传播距离紧密相关。因此，检测过程中如果发现异常局部放电信号，检修人员可依据放电信号抵达传感器的时间差，确定局部放电的具体位置。

4.4 绝缘缺陷类型识别功能

据相关研究表明，局部放电缺陷不同，检测获得的相应特高频信号图谱特征存在着一定差异。因此，检修人员可依据特高频信号图谱，分析其放电相位、放电频次、放电幅值等特征，确定放电类型，了解其缺陷程度。

5 220kV GIS 特高频带电检测技术的定位方法

时差定位法是运用放电源最为接近传感器，时域信号最超前原理，进而来判断放电位置。在进行检测时，通过高速示波器可以得到时域信号的波形，获取两个传感器检测的信号波形时间差，之后根据传感器之间的距离及其信号传播速度，即可计算出局部放电位置。

幅值比较法是根据放电位置信号最强原理来判定放电位置。幅值比较法的实施需要设立多个检测点，根据幅值最大处信号最强原则，以定位放电源。然而，受现场检测条件影响，其检测准确性也会出现误差，如放电信号强或者现场存在两个以上的放电源，则检测结果可能与实际情况相偏离。

声电联合定位法，声电联合定位法是依据声波传速低于电磁波传速的原理来判定放电位置。在实际检测时，特高频信号可以作为触发信号，同时以超声波为检测媒介，计算并判定放电源位置。另外，由于超声波和特高频检测法存在优势互补，因此该检测方法不但可以免受机械振动干扰，而且还能避免电气影响，进而精准定位放电源。

6 220kV GIS 特高频法带电检测技术的实际应用

6.1 局部放电的在线监测与定位

某一地区220kV 变电站安装有相应的GIS 设备，实行局部放电在线监测时，技术人员在后台监测系统发现该站的多个耦合器都存在明显的连续性局部放电信号，并且其最大幅值已超过-25dBm。据此，经专家分析判断，认为这一放电信号确为浮动电极信号。其局部放电信号发展较为迅速，如图1所示，可以看出，其放电频次与放电幅值存在明显突变现象。

图1 局部放电发展趋势

经持续监测，发现这一信号频率由间歇性逐渐转化为连续性，且幅值已超过监测系统最大值，具体如图2所示。

图2 连续性局部放电信号

为了排除外界电磁干扰和监测仪器自身是否正常工作的影响，检修人员联合采用便携式与超声波局部放电测试仪改变 GIS 设备的运行方式，并对其局放信号进行检测，测得1号分段的间隔气室布置，如图3所示。对GIS 气室进行分段停电，分别在不同状态下对1号分段间隔气室的多种盘式绝缘子进行测试，具体测试数据见表1。

表1 改变运行方式测量局放信号幅值

图3 1号分段气室布置及定位测试点

根据上述分段停电测试基本可排除外界环境干扰因素与监测仪器自身问题的影响。同时，这也说明GIS 设备内部确实存在局部放电信号。结合上述监测结果和系统运行情况分析，可预测出局部放电位置位于1015开关、靠近1M 侧气室附近。

6.2 具体原因分析

通过对该站1015开关、靠1M 母线侧气室进行开盖检查，发现固定座连接、三相导体均未有松动情况，并且导体表面的气室桶壁内也未见出现有任何粉末(现场气体分解物试验SOHS 和HF均未超标)。之后，检修人员将这一气室的母管以及通往开关气室的绝缘盘、导体拆下检查，结果发现绝缘盘面向开关气室侧B 导体接触面存在放电痕迹，在其连接触头的导电杆表面发现大量粉末。后续经技术人员分析，认为该粉末为金属物质。

分析该类型的GIS 连接结构可知，静触头座和导电杆是由嵌在触头座弹坑内的相关卡簧电气连接。装配环节时，工装存在尺寸偏差使得导电杆与静触头座圆心偏离(在解体中发现)，导致其一部分紧紧压住静触头座卡簧，另一部分由于与卡簧接触面减少，接触不良，造成静触头座与导电杆接触电阻增大，出现接触电阻压降，进而导致放电现象的发生。放电烧蚀金属表层，产生金属粉尘。而金属粉尘与杂质在强电场的作用下又不断跳动，引起类似浮动电极放电现象及声音，导致特高频局部放电监测仪与超声波监测仪捕获到了相应的放电信号。

7 结语

随着GIS 特高频法带电检测技术的日益成熟，为GIS 运行状态的评估提供更加精确、有效的信息将成为现实。GIS 特高频检测技术的应用，能够帮助检修人员及时、准确地发现其内部隐藏的缺陷，对其实行精准定位，为检修提供有力的支撑数据。同时，考虑到不同设备的实际运行及故障情况，检修人员应有针对性地选择定位方法，保证检测结果更加准确。