基于UHF的GIS局部放电在线监测研究

基于UHF的GIS局部放电在线监测研究

摘要：GIS 设备的正常工作对电网安全运行和降低维修成本具有重要意义，局部放电监测是GIS 绝缘在线监测与诊断最有效的方法。通过比较化学检测法、振动检测法、常规电气检测法和超高频检测法4种常用的局部放电在线监测方法，指出超高频法具有良好的抗电磁干扰能力、监测范围大等其他检测方法无可比拟的优点。介绍了超高频检测法的研究现状、检测原理、检测系统结构及其存在的问题，具有理论指导意义。关键词：GIS ；局部放电；超高频检测法

中图分类号：TM 595 文献标识码：A 文章编号：1002-1140（2011）08-0016-05

王雷，秦立军

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)

Research of UHF On-line Detection for Partial Discharge in GIS

WANG Lei, QIN Li-jun

(Department of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)Abstract ：The good performance of GIS equipment has great significance for safe operation of power grid and reducing the cost of repair, and the partial discharge detection is the most effective method for GIS insulation on-line monitoring and diagnostics. By comparison of the four partial discharge on-line monitoring methods which are chemical detection, vibration detection, conventional electrical detection and ultra-high frequency detection, pointed out the ultra-high frequency detection has good resistance to electromagnetic interference and large scope of monitoring etc advantages. The research situation, detection principle, detection system structure and the existing problems were introduced and it has theoretical guiding significance.

Key words ： GIS; partial discharge; ultra-high frequency detection

0 引言

根据CIGRE 23.10工作组国际调查报告的统计数据，1985年以前日本投运的GIS 的562次故障中绝缘故障占60%，1985年以后投运的GIS 的247次故障中绝缘故障占51%，而且绝缘故障又多发生在较高电压的设备中[1]。GIS 是大型的封闭式组合结构系统，故障检修时除需要投入大量的人力物力外，还需要较长的维修时间，必将给国民经济造成重大的损失。GIS 电压等级越高，停电损失越大，维修成本也越高。因此，深入研究各种GIS 在线检测技术，保证GIS 设备的可靠运行，显得尤为重要。

局部放电既是G I S 设备内部绝缘故障的先兆，又是绝缘故障的典型表现，因此， 局部放电监测是G I S 绝缘在线监测与诊断最有效的

方法。近年来，国内外学者根据局部放电的特征，研究了各种局部放电的检测方法，如化学检测法、振动检测法、常规电气检测法和超高频（ultra-high frequency, UHF ）检测法等，其中，UHF 检测法具有良好的抗干扰能力，监测范围大，是当今局部放电在线监测的研究热点。

1 GIS局部放电

1.1 GIS简介

以S F 6作为绝缘介质的气体绝缘组合电器设备(Gas Insulated Switchgear ，GIS)，也称全封闭式组合电器，将变电站中除变压器以外的电气设备，包括断路器、隔离开关、接地(快速)开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线、进出线套管和电缆终端等全部封装在接地的金属

外壳内，壳内充以0.3MPa~0.4MPa 的SF 6气体作为绝缘和灭弧介质[2]，单母线单相单筒式布置的G I S 剖面示意图如图1所示。与常规敞开式户外变电站相比GIS 具有结构紧凑、整个装置的占地面积大为缩小、不受外界环境的影响、运行可靠性高、检修周期长等优点，所以GIS 在城市电网中得到广泛应用。目前，国外GIS 建设和常规变电站之比约为1:6。

1.2 GIS局部放电原因

GIS 绝缘制造工艺和安装过程中的缺陷和差错常会引发局部放电现象。GIS 设备内部的常见缺陷如图2所示[3]。

GIS 设备内部常见缺陷主要有以下几种：

(1) GIS 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。

(2) GIS 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。

(3) GIS 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。

(4) GIS 设备内的导体接触不良等形成的悬浮电位体。

局部放电对于GIS 设备而言是一个非常危险的信号，一旦出现轻微的局部放电，如不及时检修排除，必将导致严重的绝缘破坏，造成严重后果。因此，检测局部放电是对GIS 设备进行评估的有效途径，也是实现GIS 状态检修的关键技术之一。

2 GIS局部放电的在线监测方法

GIS 中的局部放电会在外壳上产生微弱的电流，使接地线上有高频放电脉冲流过；局部放电还会使通道气体压力骤增，在GIS 内部气体中产生纵波或超声波，并在金属外壳上出现各种声波；局部放电还会导致SF 6气体分解或发光。这些物理和化学变化特征，都可作为局部放电信号检测的对象。目前，国内外在线检测GIS 局部放电的方法主要有化学检测法、振动检测法、常规电气检测法和UHF 检测法。

2.1 化学检测法

在GIS 内部电弧放电的作用下，部分SF 6气体会发生分解，SOF 2和SO 2F 2为两个重要的中间分解物，化学检测法通过在线分析SOF 2和SO 2F 2的浓度，判断GIS 内部放电状况的严重程度。

化学检测法的优点是检测结果不受外界电磁干扰的影响。其缺点是：(1) 由试验统计结果表明，该方法对自由微粒引起的局部放电检测效果差；(2) GIS 中的吸附剂和干燥剂会对测量的准确性产生严重影响；(3) 短脉冲放电不一定能产生足够的分解物；(4) 一次试验需要做多种分解物的气相色谱试验和红外谱图分析；(5) 断路器动作时产生的电弧亦会影响测量。2.2 振动检测法

GIS 局部放电会产生声波，包括纵波、横波和表面波。在腔体外壁中传播的声波有纵波和横波，因此采用超声波传感器接收局部放电产生的振动信号，也能达到检测GIS 局部放电的目的，这就是振动检测法的原理。由局部放电产生的声波和金属屑末撞击外壳引起机械振动的频率，在数千赫兹和数十千赫兹之间，为去除其他的声源的干扰，传感器的检测频率一般选为1kHz~20kHz 。

振动检测法的优点是传感器与GIS 设备的电气回路无任何联系，不受电气干扰。其缺点是现场中除了局部放电，其它原因也可能引起外壳振动，从而影响检测结果。不同原因引起的振动频率不同，因而可采用带通滤波器减小外界的影响

。

1-隔离开关；2-电流互感器；3-吸附剂；4-断路器灭弧室；5-操动机构；6-控制柜；7-伸缩节；8-三相母线筒；9-绝缘子；10-导电杆；11-电缆头；12-电缆；13-接地开关

图1 单母线单相单筒式布置的GIS剖面示意图

图2 GIS内部可能出现的缺陷类型示意图

2.3 常规电气检测法

(1) 外复电极法

原理结构如图3所示，在GIS 外壳上敷设绝缘薄膜和金属电极，局放信号经外壳与金属电极形成的小电容耦合到监测阻抗上，经放大后被检测出来[4]。这种方法结构简单、较为实用，但易受外界干扰，最小检测量约为300pC 。

(2) 内部电极法

内部电极法分为两种：一是在法兰内部加装金属电极与外壳构成耦合电容，以提取局部放电的脉冲信号，如图4所示，最小检测量为7pC 。这种方法结构简单、较为实用，缺点是易受外界干扰。二是在盆式绝缘子内预先埋设一个电极，如图5所示。其优点是抗干扰性能好、灵敏度高，最小检测量为5pC 。缺点是内电极只能在生产过程中预先埋设，现场安装不易实现。

(3) 脉冲电流检测法

当GIS 内部产生局部放电时，接地线流过高频电流，脉冲电流检测法利用带有铁钛氧等磁芯材料的罗可夫斯基线圈做传感器来测量此高频信号。此方法可在很宽的频率范围内保持很好的传输特性，灵敏度高，放电量可以标定，但地线需穿过线圈，易受电磁干扰。最小检测量为100pC 。

2.4 UHF检测法

UHF 检测法是目前局部放电检测技术的研究热点，该方法利用内置或外置的超高频传感器，接收并分析GIS 内局部放电时发出的电磁波，从而判断缺陷类型和故障定位[5]。

UHF 法的特点在于：(1) 传感器接收UHF 频段信号，避开了电网中主要电磁干扰的频率，具有良好的抗电磁干扰能力；(2) 根据电磁脉冲信号在GIS 内部传播具有衰减的特点，利用传感器接收信号的时差，可进行故障定位；(3) 根据放电脉冲的波形特征和UHF 信号的频谱特征，可进行故障类型诊断；(4) UHF 传感器相对于振动检测法而言，其局部放电有效检测范围大，因此需要安装传感器的检测点少，适用于自动在线监测系统。

通过对各种GIS 局部放电检测方法的分析可知：(1) 化学检测法的灵敏度相对比较低，一般不用于在线检测。(2) 常规电气检测法需要与外部耦合电容匹配使用，也不适用于对GIS 局部放电的在线监测。(3) 脉冲电流法、振动检测法以及UHF 方法的灵敏度都比较高。(4) 就适用范围来说，UHF 法比较适合于局部放电的连续在线监测，而振动检测法只适用于现场监测。(5) 振动检测法和UHF 方法可以实现对局部放电源定位，但常规电气检测法不能。因此，UHF 法在局部放电在线监测领域具有其他检测方法无可比拟的优点。

3 GIS局部放电的的超高频检测

3.1 UHF法原理

在高压力的S F 6气体中，局部放电总是在很小的范围内发生，因此具有极快击穿的时间特性。这种具有快速上升时沿的局部放电脉冲包含有从直流到超过1G H z 的频率成分[6]。G I S 的同轴结构是一个良好的波导，超高频（300MHz~3000MHz ）电磁波可在内部有效地传播[7]。电力系统中电磁干扰信号的频率一般在500MHz 以下，而且在空气中传播衰减很快。因此，选择超高频段的电磁波作为检测信号能够有效地避开各种现场干扰，提高信噪比，测试灵敏

1-导电杆；2-GIS 外壳；3-绝缘薄膜；4-电极；5-监测阻抗；6-放大器；7-监测系统；8-接地导体

图3 外复电极法原理图

1-输入1；2-输入2；3-示波器

图4 内部电极法原理图（1）

1-导电杆；2-GIS 外壳；3-盆式绝缘子；4-内埋电极；5-监测阻抗；6-高通滤波及放大器；7-整形电路；8-监测装置

图5 内部电极法原理图（2）

度高[8]。

超高频法利用内置或外置的超高频传感器，接收并分析GIS 内局部放电时发出的超高频电磁波，从而判断缺陷类型和故障定位。3.2 超高频局部放电测量系统

超高频局部放电测量系统由UHF 传感器、光转换单元(Optical Converter Unit ，OCU)和处理单元组成，如图6所示。现场检取的信号首先经带通滤波器、放大器后调制为调频波，再经电光转换成光信号，信号通过光纤送往控制室的处理单元[9]。

(1) UHF 传感器

断路器内局部放电（P a r t i a l D i s c h a r g e ，PD ）脉冲所含频率成分范围很广(从直流到超过1GHz)，持续时间极短，仅有约几个纳秒，具有极短的波头上升时间，这种具有快速上升时沿的PD 脉冲具有极快的击穿特性。传感器作为断路器PD 检测的关键部件，为了有效接收并传输PD 信号，被要求在足够宽的频段内具有良好的频率响应特性，并且能够响应纳秒级的陡脉冲信号，有足够高的灵敏度。

UHF 传感器根据安装方式可分为内置式和外置式两种，如图7和图8所示。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[3]，在GIS 盆式绝缘子外部检测局部放电产生的超高频电磁波信号。GIS 上通常有很多盆式绝缘子，置于连接法兰之间，使连接法兰间存在绝缘缝隙，宽度在几个厘米左右。GIS 内部的局放超高频信号经过法兰传播时，可通过该缝隙辐射到GIS 体外，因此在GIS 体外可接收到这一信号，实现局部放电信号的传感。

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[10]，因而也得到了较为广泛地应用。本文图6中采用内置式传感器，将埋在盆式绝缘子接地端处的环形电极作为耦合器[11]，用来监测局部放电信号。图7中(b)、(c)为重庆大学最近研制的两种内置传感器。这两种传感器可用于测量纳秒级的局部放电信号，在不经放大的情况下均可由示波器直接检测局部放电信号。

对于内置及外置传感器，都有一些需要注意的问题。对内置传感器的基本要求是不应损害GIS 的可靠运行，无论是使气体发生泄漏还是使内部场强增加都可能导致绝缘击穿；对于外置传感器，选择合适的检测位置是确保检测灵敏度的关键[12]。

(2) 光转换单元OCU

U H F 信号在传输过程中衰减很严重，传输距离不宜过长，因此就地用O C U 将U H F 信号转换为光信号，通过光纤发送到处理单元。O C U 由信号处理模块和光电转换模块两部分组成。信号处理模块对UHF 信号进行放大和调节，使之成为持续数微秒的脉冲信号，并将这些脉冲信号的幅度峰值进行数字化；光转换模块将数字化的信号转化成光信号进行传输。

(3) 处理单元

处理单元由数据接收处理装置及P C 组成。处理单元接收来自O C U 的幅值信息

和

1-导体；2-GIS 外壳；3-盆式绝缘子；4-环形电极；5-同轴电缆；6-光纤；7-监测器；8-光电转换单元OCU ；9-处理单元；10-输出；BPF-带通滤波器；AMP-放大器；REC-整流器；CP-比较器；E/O-电光转换；P/C-脉冲转换；A/D-模数转换；PC-微机

图6 超高频在线监测系统原理框图

图7 内置传感器

图8 GIS外置传感器安装原理图

监测器的工频相位信息，P C用相关软件程序对其进行分析处理，识别局部放电类型并定位。3.3 UHF法的应用

20世纪80年代，UHF法开始在GIS设备的检测中得到应用[13]。

UHF法率先在英国、法国、日本和德国展开了部分理论分析和试验研究。日本东芝电气公司曾应用UHF法对2个300kV变电站的局部放电进行过测量，发现可以通过对比传感器超高频信号的幅值定位放电源。瑞士ABB高电压技术公司在550kV的GIS试验装置中对UHF法的适用性与灵敏度进行了深入的研究[14]。

近年来，我国对GIS局部放电UHF法检测也开展了研究，并已取得初步成果[2,15-16]。西安交通大学对放电脉冲产生的电磁波在GIS同轴腔体的传播特性进行了理论分析和测量。清华大学利用外置传感器在多家GIS生产厂商和40多个变电站进行实地测量，对GIS设备内部的金属颗粒进行针对性的研究，并粗略地标定视在放电量。

4 结论

本文分别介绍了化学检测法、振动检测法、常规电气检测法和超高频检测法4种常用的GIS局部放电在线监测方法的原理和优缺点，并通过分析超高频检测法的检测原理、检测系统结构，指出对于GIS设备的运行现场而言，UHF法具有良好的抗电磁干扰能力，监测范围大等其它检测方式不可替代的优点。同时，指出超高频法目前存在的一些问题：(1) 检测结果不可避免地受到外界电磁干扰的影响，且不易进行长期固定式的监测[17]。(2) 不能有效排除外界干扰源，精确定位检测到的信号源，也不能精确识别放电类型。(3) 无法确定设备内部故障的视在放电量，而视在放电量是确定GIS设备绝缘故障严重程度的重要标准[18]。解决这些问题对超高频法在GIS局部放电在线监测系统中得到更广泛的应用具有重要意义。

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收稿日期：2011-06-25

作者简介：

王雷（1987—），女，硕士研究生，主要从事智能配电网技术的研究；

秦立军（1967—），男，教授，华北电力大学电气与电子工程学院，研究方向为电力系统自动化、配电自动化，qinlj@126.com。

(责任编辑 吴珂)