特高频法在GIS局部放电检测与定位上的应用

李鲁博，王荣亮，宋晓博

（1.国网天津市电力公司检修公司,天津 300000；2.国网天津市电力公司电力科学研究院,天津 300000）

0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）具有占地面积小、运行可靠性高、检修维护成本低、受环境影响小等优点，在电力系统得到了广泛的应用。由于在设计、制造、安装工艺方面的缺陷以及长期运行的原因，GIS设备内部会存在一系列导致局部放电的因素，主要有高压导体上的突出物、金属外壳上的突出物、浮动电极、自由金属微粒、绝缘子上的微粒、绝缘子中的气泡等。局部放电的发生会影响设备的绝缘性能和使用寿命，严重时会导致事故的发生[1]。通过对GIS运行过程中发生的局部放电进行检测，预先判断出缺陷的位置和故障类型，可有目的地切除故障，大大提高检修的效率和系统稳定性。

目前，应用于GIS局部放电带电检测中较为成熟的技术有超声波局部放电检测和特高频局部放电检测。相对超声信号在通过气体和绝缘子时衰减严重以及对绝缘子气泡引起的局部放电不敏感等缺点，特高频法因其抗干扰能力强，检测效率高，检测灵敏度高等优点被广泛用作主要检测手段[2-4]。

1 特高频法检测GIS缺陷

1.1 特高频法检测原理

当GIS设备内部存在局部放电时,击穿过程很快,会产生很陡的脉冲电流,其上升时间在ns级，激发出频率高达300～3 000 MHz的特高频电磁波信号。GIS的同轴结构相当于一个良好的波导，特高频电磁波信号在其内部传播时衰减很小，在经过盆式绝缘子等非金属连接部位时,特高频电磁波信号会向外传播。特高频局部放电带电检测就是根据局部放电所激发的电磁波的这些特性,利用内置或外置的特高频传感器来接收电磁波信号并对其进行分析,从而判断缺陷类型和进行缺陷定位[5,6]。

1.2 特高频局部放电定位方法

当检测到GIS内部存在有局部放电信号以后，需要结合局放信号的特征类型以及设备的结构对放电源进行定位，分析判断缺陷的严重程度，从而做出准确的检修策略。

1.2.1 粗略定位

在现场GIS局放检测中，由于罐体连通，特高频信号可在内部向四面传播，因此首先需要判断信号的来源方向。利用特高频电磁波信号在传播过程中的衰减，把传感器分别放在各个盆式绝缘子处，比较各处检测信号的大小，信号最大的位置即为靠近放电源的位置。

当多个盆式绝缘子处的放电信号幅值无明显差别时，可对相邻位置的信号进行先后比较从而确定放电源位置。如图1所示，把传感器A放在一个信号明显的盆式绝缘子上，把传感器B放在邻近的盆式绝缘子上及邻近空间不同位置，若A位置的信号始终先到达，那么表明放电源就在传感器A所在的盆式绝缘子附近。反之，若邻近盆式绝缘子中哪一处信号超前，则以该盆式绝缘子为中心，重复以上测量。以此类推。

图1 信号先后比较法定位

利用粗略定位方法能够方便地分辩信号的来源方向，判断信号来自哪个气室或者外部，为进一步的检测分析提供依据。

1.2.2 精确定位

如果在很大的空间范围内都能检测到放电信号，比如判断来自GIS外部的放电信号的具体位置时，可采用平分面法进行精确定位。如图2所示，先根据粗略定位的结果，选择一个方位，调整2个传感器的位置，直到2个传感器信号的时差为零，说明2个信号同时到达。此时表明放电源处在A、B两点的平分面上，换一个方位进行同样的测量，可得另一个平分面。通常在地面找到一个点后，可用同样的方法在垂直高度定位出一点，即可确定三维空间的放电源。

若经粗略定位放电源位置在GIS内部某个气室，由于可检测位置有限，无法通过平分面法定位，此时可采用时延定位。时延定位技术是根据所测信号的时间差与被测信号的传播速度的乘积来计算放电源到传感器的距离。基于特高频时域信号的时延定位即通过精确测量2个传感器信号的时间差及电磁波的传播速度来计算放电源的位置[7,8]。

图2 平分面法定位示意图

若判别式 L＞cΔt成立，说明局放源位于在2个检测位置之间，则通过式（1）可得到局放源位置；若判别式不成立，说明局放源位于2个检测位置范围外。

式中， L放电源至2个检测位置的距离之和；c为特高频信号在 SF6气体中的传输速度,3×108 m/s；Δt为放电源传播至2个检测位置的时间差；x为放电源距离时延最超前检测位置的距离。

2 GIS特高频局部放电检测与定位实例分析

2.1 特高频局放检测

使用DMS特高频局放检测仪对某站GIS设备进行局放普测。该站220 kV主接线形式为双母双分段。在检测过程中发现某出线间隔2条母线的隔离开关气隔-1与-2之间的A、B、C三相盆式绝缘子处均存在特高频局放信号，如图3所示，且在附近空气中测试无明显信号。

从图3可知，该放电信号在工频相位的正负半轴均会出现，放电相位较稳定，放电次数少，周期重复率低，放电幅值呈现分散性，具有较为典型的绝缘缺陷特征。

同时采用AIA-2超声检测仪进行测试，发现各处均无异常信号。由于超声对绝缘缺陷的不敏感性，初步推断该信号为绝缘类（沿面或空穴）局放信号。

图3 该间隔-1与-2气隔之间盆式绝缘子的特高频局放检测图

2.2 放电源定位

图4 220 kV出线间隔检测位置

使用上海华乘公司的G1500局部放电定位仪进行定位，该间隔的检测位置俯视图如图4所示。

图4中 1—9编号代表盆式绝缘子，其中1、2、3为该间隔-1母线隔离开关气隔与1B号母线气隔之间的绝缘盆， 4、5、6为-1与-2母线隔离开关气隔之间的绝缘盆， 7、8、9为-2母线隔离开关气隔与2B号母线气隔之间的绝缘盆。

由于1、2、3、7、8、9绝缘盆覆盖金属防雨罩，影响特高频信号向外传播，因此不能采用幅值比较法定位，在此通过比较放电信号的先后顺序判断放电源的位置方向，如图5。经过逐个比较发现，1号盆式绝缘子的位置信号最为超前，判断放电信号在此位置附近。

图5 3个盆式绝缘子处放电信号时域波形

从图5也可以看出，3个盆式绝缘子的信号时域波形基本相同，工频周期内放电时间一致，证明放电信号为同一来源。

采用基于特高频时域信号的时延定位法进行精确定位。特高频传感器分别位于图4中1号绝缘盆处和与之相邻间隔的A相对应位置的盆式绝缘子处。定位结果如图6所示。

图6 特高频时延定位法结果

由图6可知，1号绝缘盆处传感器信号超前，起始沿时间差约为5.4 ns。由于2个绝缘盆之间的距离为3.6 m。使用公式（1）计算可知放电源距离1号绝缘盆距离为0.99 m左右。现场情况如图7所示。

2.3 设备结构分析

根据特高频时延定位，局放源位于220 kV出线间隔与该间隔C相侧相邻间隔之间的1B号母线中，距离出线间隔1号绝缘盆0.99 m左右，位置在伸缩节附近。图8为母线气隔伸缩节两侧的内部结构图，经厂家确认在伸缩节左右侧均存在母线支撑绝缘子，因此判断存在绝缘缺陷的元件为伸缩节附近的母线支撑绝缘子，其结构如图9所示。

图7 放电源位置现场情况

图8 母线气隔伸缩节两侧内部结构图

图9 220 kV GIS母线设备内部结构图

3 结论与建议

a）通过本次检测结果及分析表明，特高频局放检测对于GIS内部缺陷能够灵敏反映，且检测效率高，抗干扰能力强，便于对放电源定位，可以作为GIS带电检测的主要手段。

b）采用多种检测手段及不同仪器对设备进行局部放电检测，利于对缺陷进行分析和确认。

c）采用基于特高频时域信号的时延定位法能够准确地确定缺陷的部位，在进行缺陷判断时应将定位结果与设备内部结构相结合，进行综合分析。

d）金属对特高频信号有屏蔽作用，检测时应注意检测位置的选择。此外在排除外部干扰时也可利用金属的屏蔽作用将特高频传感器进行铜网包围，避免外部信号的误入。

参考文献:

[1] 张建波，蒋宜杰，陆建宏,等．声电联合局部放电测试法在GIS中的应用 [J]．四川水利发电，2014，33(04)：161-163.

[2] 张哲．110 kV GIS局部放电故障类型识别技术的研究 [D]．天津：河北工业大学，2011.

[3] 秦锟．超高频法检测 GIS局部放电 [J]．云南电力技术，2014，42(2)：57-59.

[4] 李德军，沈威，郭志强．GIS局部放电常规检测和超声波检测方法的应用比较 [J]．高压电器，2009，45(3)：99-103.

[5] 国家电网公司运维检修部．电网设备带电检测技术 [M].北京：中国电力出版社，2014.

[6] 朱世明，王婕，汪涛,等．GIS UHF局部放电带电检测技术与缺陷识别判断 [J]．湖北电力，2015，39(10)：15-17.

[7] 吴水锋，齐飞，黎治宇,等．带电检测技术在GIS缺陷检测中的应用 [J]．湖南电力，2016，36(2)：76-79.

[8] 段肖力，吕玉宏，叶会生,等．多手段定位技术在GIS局部放电带电检测中的应用 [J]．湖南电力，2016,36(2)：43-49.