摘要：由于GIS设备采用全绝缘设计，检修工序繁琐，无法及时准确掌握内部局部放电情况，因而需要加强对GIS内部局部放电的研究。本文结合110kVGIS变电站局部放电实际案例，采用超声波、不同频段的特高频以及在线检测装置多种局部放电检测方法，对比分析不同检测方法得出的图谱波形。通过合理安装传感器的位置对GIS局部放电进行了准确定位，运用在线检测装置所采集数据对GIS放电类型进行故障分类，。最后通过开孔检查验证多种检测方法的准确性，确定了刀闸在进行多次分、合闸操作过程中，因摩擦触头镀银层容易产生金属颗粒或碎屑，脱落后落于盆式绝缘子表面造成浮动电极放电，根据现场检验结果建议GIS设备生产厂家应提高制造工艺，并提出有针对性的改进方案。
关键词：GIS；局部放电；特高频检测；超声波检测；故障定位
Abstract:GIS equipment adopts full insulation and troublesome maintenance procedures, it is impossible to grasp the internal partial discharge in time and accurately. Thus need to strengthen the research on partial discharge in GIS. Based on the actual case of partial discharge in 110kV GIS substation, this paper uses different detection methods of ultrasonic, different frequency band UHF detection and live detection devices to compare and analyze the characteristics of the spectra obtained. Partial discharge was accurately positioned, using the data collected by the live detection device to classify the types of GIS discharges, and finally through the disintegration test to determine the accuracy of multi detection methods to determine the knife in the process of multiple points, closing operation , Easy to produce metal particles or debris due to friction, falling off the surface of the basin insulator floating electrode discharge, according to field test results suggest that GIS equipment manufacturers should improve the manufacturing process, and put forward targeted improvement programs.
Key word：GIS; partial discharge; UHF detection; ultrasonic wave detection; fault location
0引言
GIS变电站是将断路器、母线、接地刀闸、盆式绝缘子等部件组合在封闭的空间内，并通入绝缘气体使设备绝缘特性大大加强，与传统的敞开式变电站相比具有占地面积小，绝缘性能高等优点，与此同时，GIS由于采用的是全封闭、全绝缘设计，对于现场检修提出了不小的挑战，所以GIS局部放电在线检测就一直是研究热点。
局部放电是由于绝缘出现缺陷而产生的一种脉冲放电。局部放电发生时会在设备周围发生一系列的物理现象，如产生超声波信号、电磁信号、光热等。正因为局部放电会产生众多的物理现象，研究者们也尝试通过不同原理研究局部放电，常用的方法有电测和非电测法两种[1,2]，电测法包括脉冲电流法和暂态地电压法[3]，非电测法包括超声波法和特高频电磁信号法[4]。局部放电作为GIS绝缘劣化的征兆和表现形式，也是GIS最常见的故障之一，具资料数据统计，GIS变电站发生的故障中有接近60%是由于绝缘问题引起的[5]，显然，对GIS进行局部放电检测能够有效地发现其内部早期的绝缘缺陷，也可以进一步提高GIS供电的可靠性。
国内外研究学者在GIS局部放电检测研究上通过多年的不懈努力，技术上也在不断的进步，并取得了相应的成果。文献[6]通过试验与理论相结合方法，分析了实际案例中故障定位方法。文献[9-11]介绍了在GIS局部放绝缘缺陷放电相关进展研究。文献[7,8]介绍了几种GIS局部放电电检测的研究，获取了GIS不同劣化程度的表征方法。文献[12-13]通过对不同因素造成的GIS局部放电进行研究，得出了不同因素影响下对GIS局部放电的影响程度分析。文献[14]介绍了多种检测方法共同用在GIS局部放电检测当中，具有一定的指导意义，但研究深度不够，需要进一步分析不同种检测方法之间的优缺点及适用场合。本文结合了一起110kV GIS变电站局部放电案例，通过采用不同的传感器对同一局部放电源进行信号采集，并对放电位置进行定位，对不同传感器采集到的波形图谱进行分析，最后通过开孔检查查找故障位置及原因，现场检查结果与在线监测结果一致，为GIS变电站局部放电检测提供借鉴参考。
1 GIS局部放电检测技术
1.1GIS放电原因
通过长期现场观察和试验，总结出引起GIS设备局部放电现象与制造工艺、设备安装、以及运行工况有关。其中，制造工艺包括GIS内部组件绝缘子、金属导体在加工过程中绝缘层遗留有气泡或气隙，在外加高压电场的情况下容易导致局部电场不均从而引发局部放电；其次GIS设备在调试安装过程中，拆卸和组装相关组件，此过程中容易将肉眼难以观察到金属微粒遗留在刀闸、绝缘子表面，长时间工作在高压环境中也可能引发局部放电等一系列问题；还有就是刚投入的GIS新设备内部如刀闸、断路器等并没有经过长时间的分合闸，触头表面光滑度不够，在运行过程中触头表层会产生毛刺和划痕，长时间摩擦可能会产生金属微粒掉落在绝缘子表面造成绝缘子表面电场分布不均，引起局部放电。
1.2超声波检测技术
局部放电发生时会对周边的空气产生冲击从而引发振动并产生超声波[15]，通过检测超声波信号的强弱能反映出局部放电的严重程度，由于超声波是非电信号，不会受电磁信号的干扰，但易受其它设备机械振动的影响，在使用过程中应当采用合理的去噪方法对其去噪处理，才能得到的有效地局部放电信号。
图1传感器安装位置
Fig.1 Sensor installation location
1.3特高频检测技术
特高频检测思路是通过检测发生局部放电时发出的特高频电磁信号，通常频率主要集中在400MHz-8GHz[16]。通过采集这些特高频电磁信号以获取局部放电数据，对于GIS全封闭设备的特高频传感器有内置式和外置式两种，内置式特高频传感器采集数据准确、使用寿命长，受外界因素影响较小，唯一的缺点就是检修更换测量位置困难，外置式特高频传感器安装方便，需要测哪些位置直接就能安装到位，易于现场测试。特高频检测法具有较高的灵敏度和抗干扰能力，利用波形图谱特征可识别缺陷类型。通过在两个不同位置安装特高频传感器，根据电磁波到达时间差实现局部放电源的定位，可以快速找到GIS发生局部放电的位置并有效区分是GIS设备内部放电还是附近空间干扰造成的放电。
2GIS局部放电典型案例
2017年4月，某110kV GIS变电站局部放电在线检测装置发现靠近接地刀闸位置存在疑似局部放电信号。当时气温26℃，湿度60%，晴天，通过多次复测并采用屏蔽等方法对信号进行排查，确认存在局部放电信号，在线检测装置采用的特高频传感器型号为PDS-US05A，安装位置如图1所示，具体为接地刀闸与盆式绝缘子连接处。
相关监测图谱如图2所示。图横坐标为周期数，纵坐标为相位。
(a) A相放电图谱
(b)B相放电图谱
(c)C相放电图谱
(d)刀闸连接处放电图谱
图2 绝缘子及刀闸检测图谱
Fig.2 Bus and circuit breaker detection map
图2检测位置共有四处，分别为A、B、C三相刀闸以及盆式绝缘子与母线连接处，从图2(a)、(b)、(c)、(d)放电图谱分析可知，ABC三相接地刀闸附近存在局部放电信号，且放电信号在工频50Hz的频率下正负半周都会出现放电信号，放电脉冲幅值稳定，不同检测位置存在较小的放电差异，但每两次相邻放电的时间间隔基本保持一致，符合浮动电极放电的图谱特征，放电位置有待作进一步分析和研究。
3 局部放电定位分析
局部放电定位一直是电力设备在线检测的研究热点，常用的方法有，对于二维平面定位可以采用时差法、平分面法等[17,18]，本文采用示波器与特高频传感器对GIS局部放电进行综合定位检测，采用2个特高频传感器用来接收信号，通过时间差法和幅值来确定局部放电的位置。
首先根据在线检测装置测定结果，局部放电信号源位于位置1和位置2之间。测试传感器安装在图4上的位置1和位置2处，然后将2个传感器按相同朝向放置，通过同轴电缆将两个传感器采集到的局部放电信号实时显示在示波器当中，通过计算两条波形到达的时间差和电压幅值可基本掌握放电位置，不断调整传感器位置可进一步确定信号源的位置，经多次测试得出在位置1与位置2两者之间信号差20.35ns，定位结果如图3所示，图3中黄线信号图谱代表位置2测试结果，红线信号图谱代表位置1测试结果，假设电磁信号速度与光速相同，计算结果为位置2比位置1更接近放电位置6.1m，同时从黄线图谱可知接收到信号的起始时间非常短，基本可判定发生局部放电的位置就在位置2附近。
图3 示波器定位图谱
Fig.3 Oscilloscope Location Map
4试验平台搭建
4.1传感器选择与安装
经前文对比多种检测方法的优缺点，选择超声波和特高频两种检测方案，其中超声波采用的传感探头为LC无源谐振电路，谐振的中心频率为300KHz，因超声波不会受到环境电磁干扰，可靠性高且广泛应用在局部放电检测场合，特高频传感器一共有三种，一种为DMS传感器(400-1400)MHz、高频双极天线（470-900）MHz，还有一种为X波段标准喇叭信号范围为（6-18）GHz，以用来采集不同频带范围内的局部放电信号，通过对比不同传感器所采集到的局部放电信号波形，有助于选择一种最有效地局部放电传感器。
4.2局部放电检测系统
本文测试的电压等级为110 kV三相分箱GIS设备，测试系统如图4所示。测试范围为101和102编号开关间隔，测试传感器全部采用外置式，放置位置在靠近盆式绝缘子与母线连接处，如图5所示。信号采集卡可同时采集四路信号，将采集到的信号进行滤波和放大处理后送到示波器中进行显示和分析，示波器型号是LECROY，采样频率为50GHz，带宽为2.5 GHz，通过外插U盘可将采集到的数据保存，有助于后续作数据对比分析。
根据在线检测装置图谱可知，该局部放电具有明显的间歇性，为防止数据采集不全，特在每个位置重复测试50次，以保证采集数据的完整性。
图4 现场测试系统
Fig.4Field test system
4.3超声波检测结果
超声波传感器安装位置如图5所示，特高频定位图谱确定了局部放电的位置，主要为盆式绝缘子和母线连接处。
图5 多种传感器测试接线
Fig.5 Multiple sensor test wiring
图6 超声实测波形
Fig.6 ultrasonic test waveforms
(a) DMS特高频探头实测局放信号
(b) 双极天线实测局放信号
(c) X波段天线实测波形
图7 不同特高频传感器实测波形
Fig.7 Different UHF sensor test waveforms
超声波检测装置包括信号采集、信号处理、信号放大、信号分析以及数据保存等部分组成，信号采集采用LC谐振电路作为超声信号传感探头，由于每次采集的图谱频率都不尽相同，但根据统计规律得出主要集中在100kHz到500kHz之间，所以LC谐振中心频率设定为300kHz。信号处理包括信号去噪和信号模数转换，通过设置两路传感器，一路测环境噪声信号，一路测待测部位，通过两者数据作差从而获取局部放电信号。由于超声信号十分微弱需要放大电路进行调节，最后将数据进行分析处理和保存。
超声波检测装置采集到的现场局部放电数据后经示波器显示其图谱如图6所示，横坐标为时间，纵坐标代表信号幅值，以下图谱波形类似。由于超声波在现场测量过程中容易受到空间干扰信号的影响但幅值较小，采集到的局部放电信号只有短暂的一次脉冲，不具有明显的局部放电特征，用超声波无法准确测出该信号幅值是来源于故障缺陷还是来源于空间干扰，而且从波形可知大部分信号都被噪声信号所淹没，测试效果不太明显。
4.4特高频检测结果
特高频传感器采用三种频段，DMS检测频段范围为400MHz-1400MHz，双极特高频天线采集频段范围为400-900MHz，X波段天线测试频段范围为6-18GHz，对比三种传感器所采集的放电图谱可知，采用DMS特高频传感器所采集到的GIS内部局部放电信号特征明显如图7(a)，受到的环境影响较小，放电存在短暂的间隙，幅值稳定，符合局部放电基本特征，同时波形具有明显的间歇性，与在线检测装置图谱分析结果一致，初步判断为浮动电极在金属表面跳动导致放电，双极特高频天线虽然能采集到局部放电信号但是采集到的信号不具有明显的局部放电特征，只有短暂的一次脉冲如图7(b)，无法辨别是干扰因素造成还是真实局部放电信号，同时，在现场试验过程中，双极天线的朝向位置对于测试结果又较大影响，通过多次试验得出，只有当双极天线正对放电位置时采集到的信号强度最大，偏离正对位置信号强度将急剧的衰减，用于现场测试难度较大，且效果不是十分明显。X波段天线所采集到的局部放电信号为锯齿波形，从图谱7(c)可知该传感器能采集到信号，但是无法识别该信号是否真为局部放电信号，仍需要多次反复进行测试并加以验证才能得出结论，X波段测出的信号幅值要高于另外两种频段，符合频率越高信号穿透能力越强的基本原理。对比上述三种特高频传感器实测结果，采用DMS特高频传感器所采集频率范围更能体现完整的实际局部放电信号，更适合在现场使用，测试效果要比其它两种传感器方案要好。
5现场处理结果分析
为彻底查清GIS内部局部放电源情况，以及排除故障点，特组织检修人员到现场对GIS进行开孔检查。在开体检查之前已通过定位确定了发生局部放电的大致位置，实际测试波形和图谱显示故障类型偏向于浮动电极放电，可能是导体表面有灰尘或金属微粒，从开孔检查过程中发现，对于与母线相连的三相刀闸气室导体本身没有发现放电痕迹，内部导体组件也没出现松动和烧灼的痕迹初步判断刀闸部位不存在局部放电，需进一步排查。但在刀闸正下方在与母线相连的盆式绝缘子表面发现有金属微粒和碎屑，如图8所示。
(a)动静触头表面毛刺 (b) 盆式绝缘子表面污秽
图8 结果分析
Fig.8 Result analysis
采用吸尘器等处理方法将气室内金属微粒和碎屑进行清除，后经化学测试发现金属微粒主要为银铜，碎屑主要来源于气室内壁的绝缘漆老化脱落，金属微粒主要来源于刀闸多次分合闸操作过程中，触头表面镀银层磨损导致金属微粒掉落，如图8(a)所示。早期GIS设备在出厂前并未完全参照200次连续操作进行试验，导致在实际运行过程中刀闸多次分合闸因摩擦容易差生金属微粒。而刀闸正好位于母线的上方便掉落在盆式绝缘子表面如图8(b)所示，由于GIS内壁刷有绝缘漆，而且又长期在户外运行，四季温度差异较大，热胀冷缩容易造成GIS内壁在运行过程中容易有绝缘漆碎屑脱落。现场开孔检查结果和局部放电在线检测装置测定结果相符合，查明局部放电源。
将GIS内部盆式绝缘子和导体组件表面用酒精擦拭和吸尘处理，并对其内部按要求充入绝缘气体进行通电试验，后经局部放电在线检测装置测定图谱分析GIS内部三相刀闸和盆式绝缘子连接处均未测出局部放电信号，故障排除。图9为正常三相母线放电图谱。
图9 正常三相母线放电图谱
Fig.9 Normal three-phase bus discharge map
6结论
1)采用特高频、超声波等多种检测技术分析了GIS内部局部放电特征图谱，通过现场试验对GIS内部局部放电进行精确定位和波形分析，得出针对GIS内部局部放电采用特高频检测方法比采用超声波检测方法数据更加准确，超声检测应用在GIS中存在因信号衰减太快，信号采集不全等情况，在GIS局部放电检测中优先采用特高频检测法。
2)同时通过对多种特高频传感器探头获取局部放电波形特征可知，采用DMS特高频传感器比双极天线和X波段喇叭获取的数据要更加全面，更能反映出GIS内部局部放电真实情况。针对GIS内部浮动电极放电应首选DMS特高频传感器，通过安装两路传感器就能准确快速定位，测试精度高，速度快，有利于现场检修。
3)经开孔检查得出GIS在新投运时因频繁动作，磨合期未到，容易产生一些碎屑掉落到绝缘子表面造成浮动电极放电，建议相关厂家提高制造工艺，从源头上消除设备的安全隐患。
4)针对有疑似局部放电的GIS应进行长期跟踪，利用趋势分析、横向对比、纵向对比及统计分析等方法对局部放电情况进行综合的评估，为下一步GIS的状态检修提供可靠的数据支撑。
参考文献
[1]郝海燕，向聪.超声波、特高频局部放电联合定位方法的应用研究[J].陕西理工大学学报(自然科学版)，2017，33(05)：31-36.
HAO Haiyan, XIANG Cong. Application of ultrasonic and ultra high frequency positioning method[J]. Journal of Shanxi University of Technology(Natural Science Edition),2017, 33(05): 31-36.
[2]芦竹茂，刘庆，王天正，等.多种带电检测方法在GIS局部放电诊断中的综合应用与研究[J].高压电器，2017，53(10)：222-226+237.
LU Zhumao, LIU Qing, WANG Tianzheng, et al. Comprehensive application and research of multi live detection methods in partial discharge diagnosis for GIS[J]. High Voltage Apparatus, 2017, 53(10):222-226+237.
[3]郭超，杨新春，朱虎，等.GIS超声波局部放电检测方法与现场应用[J].电工电气，2017，36(10)：54-59.
GUO Chao, YANG Xinchun, ZHU Hu, et al. Ultrasonic detection method for gas insulated switchgear partial discharge and its field application[J].Electrotechnices Electric,2017, 36(10): 54-59.
[4]陈聪，关万琳，张德文，等.220kVGIS特高频法带电检测技术分析与应用[J].黑龙江电力，2017，39(04)：340-342+351.
CHEN Cong, GUAN Wanlin, ZHANG Dewen, et al. Analysis and field application of UHF live detection technology of 220kV GIS[J].Heilongjiang Electric Power,2017, 39(04): 340-342+351.
[5]李军浩，韩旭涛，刘泽辉，等.电气设备局部放电检测技术述评[J].高电压技术，2015，41(08)：2583-2601.
Li Junhao, Han xutao, Liu Zehui, et al. Electrical equipment partial discharge detection technology Review[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(08): 2583-2601.
[6]周钟，章晓春，郭碧翔，等.用于GIS局部放电的树状分形超宽带天线[J].高压电器，2017，53(06)：118-123
ZHOU Zhong, ZHANG Xiaochun, GUO Bixiang, et al. Ultra-wideband fractal tree-shape antenna for partial discharge in GIS[J].High Voltage Apparatus, 2017,53 (06): 118-123
[7]张强，李成榕.X射线激励下局部放电的研究进展[J].电工技术学报，2017，32(08)：22-32.
Zhang Qiang, Li Chengrong. Review on X-Ray induced partial discharge[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(08): 22-32.
[8]周宏伟，刘成华，盖磊，.一起GIS盆式绝缘子局部放电案例分析[J].电瓷避雷器,2017,59(02):186-190.
ZHOU Hongwei, LIU Chenghua, GAI Lei. Partial discharge case analysis of GIS basin insulators[J].Insulators and Surge Arresters, 2017, 59(02): 186-190.
[9]汲胜昌，王圆圆，李军浩，等.GIS局部放电检测用特高频天线研究现状及发展[J].高压电器，2015，51(04)：163-172+177.
JI Shengchan, WANG Yuanyuan, LI Junhao. Review of UHF antenna for detecting partial discharge in GIS[J]. High Voltage Apparatus, 2015, 51(04): 163-172+177.
[10]丁登伟，唐诚，高文胜，等.GIS中典型局部放电的频谱特征及传播特性[J].高电压技术，2014，40(10)：3243-3251.
DING Dengwei, TANG Cheng, GAO Wensheng, et al. Frequency attributes and propagation properties of typical partial discharge in GIS[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(10): 3243-3251.
[11]杨帆，杨旗，程鹏，等.电缆接头内部气隙放电缺陷下的绝缘劣化程度表征方法[J].电工技术学报，2017，32(02)：24-32.
Yang Fan, Yang Qi, Cheng Peng, et al. Study of cracking extent for gap discharge in insulating material of power cable joint[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(02): 24-32.
[12]严玉婷，王亚舟，段绍辉，等.GIS局部放电带电测试原理研究及现场缺陷分析[J].电瓷避雷器，2012，54(03)：51-56.
YAN Yuting, WANG Yazhou, DUAN Shaohui, et al. Study on live test principle of GIS partial discharge and analysis of site defects[J]. Insulators and Surge Arresters, 2012,54 (03): 51-56.
[13]孙曙光，陆俭国，俞慧忠，等.基于UHF法的GIS局部放电测量与分析[J].电测与仪表，2012，49(04)：5-8+23.
SUN Shuguang, LU Jianguo, YU Huizhong, et al. Measure and analysis of GIS partial discharge based on UHF method[J].Electrical Measurement and Instrumentation, 2012, 49(04): 5-8+23.
[14]孙强，董明，任重，等.现场用GIS冲击耐压试验及局部放电检测装置设计[J].高电压技术，2012，38(03)：639-644.
SUN Qiang, DONG Ming, REN Zhong. Field test and analysis of partial discharge on GIS under impulse voltage[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(03): 639-644.
[15]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(03)：99-103.
LI Dejun, SHEN Wei, GUO Zhiqiang. Application comparison between conventional and ultrasonic detection methods for GIS partial discharge[J]. High Voltage Apparatus, 2009,45(03): 99-103.
[16]王卫东，赵现平，王达达，等.GIS局部放电检测方法的分析研究[J].高压电器，2012，48(08)：13-17+23.
WANG Weidong, ZHAO Xianping, WANG Dada, et al. Analysis on the method of GIS partial discharge detection[J]. High Voltage Engineering, 2012, 48(08): 13-17+23.
[17]陈伟根，龙震泽，谢波，等.不同气隙尺寸的油纸绝缘气隙放电特征及发展阶段识别[J].电工技术学报，2016，31(10)：49-58.
Chen Weigen, Long Zhenze, Xie Bo, et al.Characteristics and development stage recognition of air-gap discharge within oil-paper insulation considering effect of cavitySize[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2016, 31(10):49-58.
[18]田妍，张锐健，董志雯，等.GIS局部放电缺陷定位分析[J].高压电器，2017，53(06)：182-185+190.
TIAN Yan, ZHANG Ruijian, DONG Zhiwen, et al. Localization of partial discharge defects in GIS[J] .High Voltage Apparatus, 2017, 53(06): 182-185+190.
广东电网有限责任公司科技项目资助（项目编号：GDKJXM20161927(031900KK52160023)）。
论文作者:王植,徐卫东,李通,陈江添
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：局部论文; 信号论文; 传感器论文; 图谱论文; 位置论文; 绝缘子论文; 超声波论文; 《电力设备》2018年第31期论文;