超高频技术在拉西瓦电站 750kV GIS设备的应用

何 霞 应伟刚

（黄河电力检修工程公司，西宁 810006）

1 引言

拉西瓦水电站共规划建设6台70万kW水轮发电机组，两条电压等级750kV线路送电。电站主要承担西北电网的调峰和事故备用，是“西电东送”北通道的重要骨干电源点，也是实现西北水火电“打捆”送往华北电网的战略性工程，具有支撑西北电网750kV网架作用。电站GIS和GIL设备均首次在青海境内电站安装先进的在线监测设备（局部放电检测装置），之前青海境内的大型电站龙羊峡、李家峡、公伯峡均未设计和安装该装置。据统计GIS故障中内部绝缘故障占全部故障的57.3%，且这类故障后果严重，其次是机械故障和气体泄漏故障，分别占全部故障的18.1%和12.4%。另据国际研究表明，70%以上的缺陷和事故可以通过有效监测得以避免。可见，实际运行中对GIS设备内部绝缘故障进行及时、有效地的在线监测，并能够精确定位，是预防GIS故障的主要途径。

2 GIS局部放电特点及特性

2.1 GIS设备内部常见缺陷

根据GIS设备局部放电现象分析，可以引发GIS设备局部放电内部常见缺陷有：①GIS设备中的导体表面存在突出物，如毛刺、尖角等，这种缺陷易发生电晕放电，在稳定的运行电压下一般不会引发绝缘击穿，但在冲击电压下可能导致绝缘击穿；②GIS 设备中固体绝缘材料内部的缺陷，如生产工艺过程中残存在盆式绝缘子内部或与导体交界处的气隙（空洞、气泡）；③GIS设备内残留自由导电微粒，如金属碎屑或金属颗粒，这是较为普遍存在的一种缺陷，一般是由于制造、安装等原因造成的；④GIS设备内的导体接触不良等缺陷，此类缺陷一般均能在设备带电后及时发现，图1为GIS内缺陷示意图。

图1

2.2 GIS设备内部缺陷产生局部放电的特征

（1）对于导体表面存在突出物，如毛刺、尖角等发生的导体周围电晕放电特征：由于气体中的分子是自由移动的，因此GIS设备中的电晕放电过程与空气中的电晕放电相似，在稳定的运行电压下一般不会引发绝缘击穿，但在冲击电压下可能导致绝缘击穿。

（2）对于GIS设备中固体绝缘材料内部的缺陷造成的GIS设备中绝缘子内部的气隙放电特征：该类型缺陷在出厂时可能并不出现，但在运输及安装过程中有可能造成进一步损伤。同时一些缺陷最初可能对电气设备运行无害，只是在机械振动和静电力作用下可能轻微移动，形成潜在的隐患。

（3）对于GIS设备内残留自由导电微粒造成的放电特征：绝缘子表面的缺陷（如金属碎屑或金属颗粒等）有积累电荷能力，在交流电压作用下，静电力可使导电微粒在GIS（GIL）封闭间隔内跳动，如直立旋转、舞动运动等。这种运动与放电的出现在很大程度上是随机的，这一过程与所加电压大小以及微粒的特性有关。如果一个跳动的微粒接近或运动至GIS设备中的高场强区时，伴随产生的局部放电有可能形成导电通道，造成绝缘击穿。从事故分析而言，GIS设备内残留的金属碎屑或金属颗粒产生的各种效应是最为严重的，因此，金属颗粒的放电对GIS设备的危害相对较大。

（4）对于如果电场屏蔽机械松动造成的放电特征：则可能形成电位悬浮，如果松动的屏蔽正好在带电的电极上，则会引起屏蔽和电极之间的放电，而此类放电将产生较大的声信号。

3 GIS设备局部放电检测方法

目前常用的检查方法是：超高频（UHF）检测法和AIA超声局放仪检测法，而对于电磁波检测法由于受电磁干扰和机械噪声影响较大，高频接地电流法由于现场GIS设备通常是多处接地，不易从外壳接地线上检测脉冲电流的局限性都在现场未得到很好应用。

在青海境内的大型水电厂，除拉西瓦电站首次使用DMS 公司的UHF局部放电在线监测系统外，其余电站在设计时未进行局部放电在线监测系统的设计，而采用人工“AIA超声局放仪检测法”进行GIS设备的局放检测。故本文只重点介绍超高频（UHF）检测法。

GIS设备中的SF6气体具有很高的绝缘强度，处于高气压下的SF6气体环境中的局部放电，其放电信号的上升沿及持续时间极短，一般为ns级。典型GIS设备局部放电信号的频谱可从低频到数百MHz甚至1 GHz以上。试验证明，GIS设备中的放电脉冲波不仅以横向电磁波的形式传播，而且还会以横向电场波和横向磁场波的方式传播。超高频检测法接收局部放电的超高频段（0.3~3GHz）信号刚好满足要求。同时对于多处安装的盆式绝缘子，因这些绝缘子均为非铁磁材料，可以透射超高频电磁波信号，当GIS设备局部放电产生的电磁波沿金属轴（筒）传播时，部分信号可通过绝缘子向外辐射，通过无线检测方式即可接收到这些从GIS设备内部传出的放电信号，通过盆式绝缘子、转角、T连接等信号时衰减3~6dB，因此可根据各部位UHF信号的大小可判断故障位置。UHF法具有抗电磁干扰能力强、灵敏度较高等特点，能够局部放电定位、故障诊断，适用于自动在线检测，并解决了AIA超声局放对GIS盆式绝缘子内部故障反映不灵敏的缺点。

超高频法的缺点是无法实现GIS(GIL)设备局部放电的放电量标定。超高频法测量的信号频率很高，所检测到的信号与诸多因素有关，除放电量大、小外，还涉及局部放电源的类型、电磁信号的传播路径、放电源的位置等。因此，与传统局部放电的放电量标定相比，超高频法进行放电量的标定比较困难。同时需要在GIS制造时设计和安装体内传感器，对于已投运的GIS无法实现困难；造价高，约为GIS价格的10%，限制了该技术的广泛应用。尽管如此，由于超高频法具有较高的抗干扰能力，该方法仍是一种很有发展前途的检测方法。

4 DMS公司的UHF局部放电在线监测系统应用

案例研究：某核电站中的GIS设备连接处断裂（见图2~4）。

图2 早期阶段的放电波形图

图3 过段时间后的波形图

图4 连接处断裂

5 结论

UHF法是最近l0年才发展起来的局部放电检测技术，由于其有效地解决现场干扰环境下的局部放电检测问题，同时只要GIS制造厂家在制造GIS设备时，安装内部超高频（UHF）耦合器传感器，就可实现检测时不需移动、分解GIS任何部件，不需停电，不影响GIS的正常运行，测试灵敏度高，故障定位准确。在新修订的2000年IEC60270及IEC60517标准中，均已将这种方法作为GIS局部放电检测的主要方法之一，该装置的应用，对GIS的安全运行有着重大的意义，有着宽广的应用前景。

[1] 韩小莲.GIS局部放电检测系统的研究[D].西安: 西安交通大学,1995.

[2] 邱毓昌.用超高频法对GIS绝缘进行在线监测[J].高压电器,1997(4).

[3] 王昌长,李福祺.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京: 清华大学电机工程与应用电子技术系,1996.

[4] 陈锦清,郑晓光.GIS故障检测新技术[J].广东电力,2001,14(5).

[5] DMS公司的UHF局部放电监测系统产品说明书.