GIS局部放电检测原理及现场应用

鲁志冲，张逸峰

(国网上海市电力公司检修公司，上海 201204)

0 引言

GIS 已广泛应用于各个电压等级的变电站，将断路器、开关、互感器等高压电器元件封闭在充满SF6的金属筒体内，虽能大量减少维护检修工作，但也大大增加了设备缺陷的隐蔽性[1]，特别是GIS内部产生局部放电故障时，传统的电气试验方法很难发现该缺陷，只有当局部放电恶化到一定程度才会引起绝缘强度的下降。随着带电检测技术特别是局部放电检测技术的不断发展，特高频和超声波检测技术被普遍运用于变电站GIS 的巡检中，并结合时差法和声电联合法实现局部放电发生位置的精确定位。

1 检测原理介绍

1.1 特高频检测原理

当局部放电发生时，由于电场快速畸变，会向外辐射出数GHz 的电磁波[2]，电磁波能被GIS 的金属外壳屏蔽，但可通过GIS 绝缘盆子浇注口或无金属屏蔽的绝缘盆子向外传出，因此，在筒体内部或绝缘盆子处安装特高频传感器就可以接收到这些电磁波，从而判断有无局部放电故障。

特高频信号可在GIS 同轴结构中远距离传播，同时避免了设备运行中机械振动的影响，避开了电晕放电的频段。因此，特高频法具有灵敏度高、抗低频干扰能力强、检测范围广等优点。目前特高频传感器检测的频带一般为300 MHz 到1.5 GHz。

1.2 超声波检测原理

GIS 局部放电的同时也会引起机械振动，该振动频率一般大于20 kHz，属于超声波[2]，利用超声波传感器可检测相关信号，从而证明局部放电的存在。

超声波在传播过程中衰减很快，特别是在环氧树脂等绝缘材料中能量损失很大，因此，测试点一般选择在GIS 金属壳体上。该方式对绝缘内部缺陷的局部放电检测不灵敏，因检测的是机械振动，可避免现场复杂电磁环境的干扰[3]。

2 局部放电故障定位

2.1 时差法定位

时差定位法是利用布置在不同位置的特高频传感器接收到同源特高频信号的时间差以及特高频信号在GIS中的传播路径定位出局部放电源的位置[4]。

特高频电磁波信号的传播速度等于光速，为了定位的精确度，需要用到采样频率在1 GHz 以上的高速数字示波器。由于现场电磁环境复杂，确定信号起始沿的时间差需要丰富的经验，并且需要考虑GIS 结构中的转角对信号传播的影响，该方法可大致定位局放产生的部位。实际操作中经常使用等分平面法，即选取合适的位置安装传感器，使得两个特高频信号在示波器上几乎同时出现，那么可以认为放电源位于两个传感器中间的等分平面上。

2.2 声电联合定位

由于特高频电磁波在GIS 内的传播速度远大于超声波，特高频传感器接收到信号的时间可以忽略不计，以特高频接受到信号的时刻为局部放电发生的起始时刻，超声传感器接收到信号与特高频传感器接收到信号之间的时间差为超声信号传播的时间，结合超声波在GIS 内的传播速度以及传播路径来定位放电源的位置。

实际操作中，一般在GIS 筒体外壳上移动超声传感器找到与特高频信号时差最小位置的截面，再在截面上移动超声波传感器，找到与特高频信号时差最小的位置。该方法较特高频时差法定位更为精确。

3 实践应用

3.1 时差法定位应用

某220 kV 变电站采用双母双分段接线方式，在该站进行局部放电巡检时，发现在220 kV 副母C 相近2 号母联间隔附近内置传感器存在异常特高频信号。为了确定异常放电点的来源，采用特高频时差法进行初步定位。将1 号特高频检测通道连接在副母C 相(近2 号母联间隔)的内置传感器上，2号特高频检测通道连接在副母C相(近2B40间隔)内置传感器上，一次接线示意如图1。

测试结果如图2 所示，特高频通道2 的信号超前于通道1，可以判断放电源更靠近2B40 间隔。类似地，对多个位置的内置传感器的特高频信号进行分析，2B40 间隔副母C 相内置传感器上测得特高频信号均超前于其他邻近的内置传感器，因此该特高频信号应源于2B40 间隔C 相。

图1 时差法一次接线示意(初次定位)

图2 时差法图谱(初次定位)

为了进一步确定放电源在2B40 间隔的位置，对2B40 间隔的局放源再次进行时差法定位。将3号特高频检测通道连接在副母C 相(近2B40 间隔)内置传感器上，4 号特高频检测器通道连接在2B40间隔线路侧的内置传感器上，一次接线示意如图3。

测试结果如图4 所示，通道3 和通道4 的特高频信号无明显时差，可以推断放电源应大致在两传感器之间的中间的等分平面上，即2B40 间隔C 相断路器处。

3.2 声电联合定位应用

为了更精准地定位放电源的位置，采用声电联合法进行测试，通道3 和通道4 特高频检测通道保持不变，将超声传感器用耦合剂粘贴在2B40 间隔C 相断路器的外壁上进行检测，通过不断移动超声传感器的位置，找到了与特高频信号时差最小的点，测试图谱如图5 所示。

图3 时差法一次接线示意(二次定位)

图4 时差法再次定位图谱(二次定位)

图5 声电联合法图谱

两个通道的特高频信号几乎同时出现，大约50 ～100 μs 后出现超声信号，特高频信号与超声信号存在相关性，为同一局放信号所产生。因此，可确定放电源位置。

3.3 解体检查

经局放检测定位到放电源后，对2B40 间隔C相断路器进行现场停电解体维护，发现在该断路器内部的绝缘支撑杆表面附着一些细小的金属颗粒，同时在腔体底部发现大量的金属颗粒。从解体的情况来看，通过上述方法测定位到的放电源位置与实际情况一致。

4 结束语

GIS 局部放电检测技术能及时有效地发现、定位设备的绝缘缺陷，做到早发现、早诊断、早处理，降低跳闸事故的发生，保障电网的安全稳定运行。局部放电检测过程中，往往会遇到复杂的现场环境，需要检测人员不断积累经验，灵活的使用各种检测方法，取长补短，相互印证，不断提高检测的效率，确保设备安全稳定运行。