基于UHF的GIS局部放电检测技术的研究

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引言

GIS以结构紧凑、可靠性高等优点逐渐成为超高压电力系统中的主流设备。但由于制造、运输、现场装配等多种原因，GIS不可避免地存在绝缘缺陷而影响其长期可靠的运行。鉴于绝缘介质在发生击穿前都会产生局部放电，因此，对GIS进行局部放电监测可以发现绝缘的早期故障。目前，测量GIS的局部放电的方法有光电法、化学气体分析法、超声检测法和高频CT耦合检测法等，由于受灵敏度和设备运行情况的限制，这几种方法在实际中难以推广，而超高频法可以有效地避开电力系统的电晕和广播电视无线电干扰，灵敏度高，可实现定位，适合于现场带电检测和在线监测[1]。

1 超高频局部放电检测技术

超高频局部放电检测技术是在UHF(0.3~3GHz)频段内选择合适的频段进行局部放电的电磁波信号检测。GIS设备运行现场的干扰源主要集中在300MHz以下频段，而在300MHz以上频段的衰减很快，并且很容易被屏蔽。选择超高频段的电磁信号作为检测信号，可以避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统干扰，显著提高局部放电检测的信噪比[2]。UHF法的优点是原理简单、运用方便，由于所测信号的时差在ns级，不仅需要测量设备具有很高的采样率和频宽，还要求被测信号的起始脉冲清晰，以读取信号的起始时间。由于GIS中盆式绝缘子通常是环氧树脂材料，对电磁波信号的衰减较小，因此，UHF定位法得到了广泛应用。

2 GIS中典型的放电类型

GIS中典型的放电类型分为：母线电晕(固定粒子放电)、壳体电晕(固定粒子放电)、自由粒子放电、浮动电极放电、绝缘缺陷放电。

母线电晕(固定粒子放电)：母线电晕指的是由母线上的尖锐的突出物所产生的PD，这种突出物可能是由于小的金属屑附着在母线上而产生的。突出物的尖端高度受力并在母线电压达到峰值时产生电晕。

壳体电晕(固定粒子放电): 壳体电晕与母线电晕比较相近，不同的是突出物附着在壳体管壁上而不是母线上。在这种情况中，局部放电图像以母线电晕放电图像的镜像形式显示。

自由粒子放电: 自由粒子指的是GIS中的微小的金属物体，如金属碎屑。粒子在高电场的作用下移动，并且在壳体管壁上弹跳。每次粒子接触到壳体，他都会产生一个放电。自由粒子的移动表现出随机性，所以放电也会发生在AC周期的任何位置。

浮动电极放电: GIS上没有接地或者接到母线上的一部分被称为浮动元件或浮动电极。浮动电极的表现形式很像一个放电电容器，并有很高的幅值(>100pC)。这个局部放电信号会达到满幅值(100%)，其输出可能将使系统的输入放大器达到饱和。

绝缘缺陷放电: 绝缘缺陷的类型可能是GIS的绝缘子内有空穴或是绝缘子表面有污垢。绝缘缺陷在图谱中显示的特性为较小的及中等幅值的信号分布于整个周期。最高幅值的信号出现在AC波形的正负周期的峰值处。绝缘缺陷的放电率往往在第三象限最高，并且随着电压趋向零点而递减并消失。

3 GIS传感器

UHF传感器是UHF局部放电在线监测系统的关键，用来检测GIS中由局部放电所激发的频率为300MHz~3GHz的电磁谐振波，通常它要具备抑制低频(300MHz以下)干扰的能力。UHF传感器根据安装方式可分为内置式和外置式两种[3]。内置传感器可获得较高的灵敏度，但对制造安装的要求较高，特别是对早期设计制造的GIS安装内置传感器通常是不可行的，这时只能选择外置传感器。相对于内置传感器，外置传感器的灵敏度要差一些，但安装灵活、不影响系统的运行、安全性较高，因而也得到了较为广泛的应用[4][5]。

4 试验回路及试验方法

试验采用退役的110kV GIS罐体，如图3所示[6][7]，充纯SF6气体0.43Mpa。在该段GIS上设置了如下缺陷：

1. 在母线上设置了长0.5cm、直径0.5mm的铜线，模拟固定金属微粒;

2. 在盆式绝缘子的表面设置了一长0.3cm、直径0.2mm的铜丝，模拟金属粉末;

3.在母线上设置一块含空气浇注的环氧树脂，模拟盆式绝缘子内气泡。

天线和频谱分析仪之间通过50Ω电缆连接并加一20dB前置放大器。连接的频谱分析仪可采集9kHz~1.8GHz的频域信号。从试验变压器高压端取一分压信号，通过电压比较器得到频谱分析仪的外部触发信号，即在工频过零相位时触发频谱分析仪并开始采样。试验时先采集无电压时背景频谱，再给GIS加压使其产生局部放电，用频谱分析仪采集宽频带的频谱图，比较背景频谱和产生局放的频谱确定局放电磁信号分布在哪个频带，再用窄带法检测。

图4为实验室背景频谱和不同类型的局放频谱图(dB的基准为mW)。前者在0.72GHz附近和0.9~1GHz间都存在固定干扰，故用高频宽带法测量时，选取1.0~1.8GHz频段。该频带采集信号可有效避免外界干扰(包括电晕、电台、电视、手机)，所得到的3种缺陷频谱见图5。可见3者整体线形分布存在差异，可作为模式识别特征参数提取，同时还可见同类故障在不同电压下的频域分布大致相同，仅幅值随着电压的升高变大[8][9]。

图6 时域波形

图6为在20ms 周期内1~1.8GHz频带内选一频率用窄带法扫描得到的时域波形，可见其中3种故障的波形分布差异明显，有利于模式识别特征参数的提取。研究还发现，同种故障在不同电压下的时域波形(在一定电压范围内)大致相同，仅幅值随着电压的升高而变大，但接近击穿电压时波形会变化[10]。

5 结论

采用超高频法对GIS中3种典型绝缘缺陷类型进行了试验研究。固定金属微粒、金属粉末、含气泡的盆式绝缘子都有各自不同的特征频谱，有效结合宽带和窄带频谱分析法，利于模式识别特征参数提取，能够更加准确定位故障的类型，进而指导下一步检修工作。

参考文献：

1. 张鸣超;王建生;邱毓昌 GIS中局部放电测量用超高频传感器[期刊论文]-电网技术 1998(08)

2. 邱昌容，王乃庆.电工设备局部放电及其测试技术[M].北京：机械工业出版社.1994.

3. 李信，李成榕，丁立健，等.新型GIS局放超高频传感器抑制干扰的研究[J].高电压技术，2004，30(2)：37-39.

4. 唐炬，刘明军，彭文雄，等.GIS局部放电外置超高频检测系统[J].高压电器，2005，41(1)：6-9.

5. 李 信，GIS局部放电特高频检测技术的研究[D].华北电力大学.2005.

6. 李忠，张晓枫，陈杰华，等.外部传感器超高频GIS局部放电检测技术[J].西安交通人学学报，2003，32(12)26-28

7. 王建生。 邱毓吕， 周新利 气体绝缘开关中电磁波的传播特性. 电网技术，1999, 23 ( 9 ) :1-3

8. Person JS, A Continous UHF Monitor for Gas-insulated Substations. IEEE Trans on E1 1991,6(3):469-478

9. Judd M D, Hampton BF, Farish O. Partial Discharge Excitation of UHF Modes in a Cylindrical Cavity. 9thISH, Graz, 1995:4561

10. CIGRE WG33/23.12 Insulation Coordination of GIS: Return of Experience On-Site Tests and Diagnostic Techniques. Electra, 1998, 176(2):67-95