基于局部放电图谱的 GIS复合缺陷识别

侯苏元

摘要：对GIS局部放电实验装置中4中典型模型进行组合，通过测试得到局部放电图谱。不同的图谱对应了不同的放电故障类型，利用图谱可以区分出不同的放电故障类型。从而达到了识别GIS中复合缺陷的目的。

关键字：局部放电; GIS（气体绝缘全封闭组合电器）; 缺陷识别

引言

由于带电检测技术可以超前防范事故隐患、降低事故损失、提高工作效率，状态检修工作现已进入带电检测时代。对于开展带电检测的变电设备，试验周期为基准周期的2倍^[1]。从而使得带电检测技术得到了广泛应用，有效避免了设备故障或由此引发的电网故障，成为电力设备安全、电网稳定运行的重要保障。本文中利用GIS局部放电模拟装置模拟GIS内部的复合缺陷，通过测试得到复合缺陷的局部放电图谱，来进行复合缺陷的识别，从而给现场的局部放电测试工作提供参考。

1 GIS模拟装置

1.1 GIS局部放电模拟装置

由杭州西湖电子研究所生产的型号为XD5936的GIS局部放电实验装置（如图1-1）是本文最主要的检测实验平台，该GIS装置可在实验室内准确模拟100-500kV GIS内部金属自由颗粒放电、绝缘内部气隙放电、壳体尖端放电和悬浮放电这四种性质的放电类型。同时通过辅助的控制电路可控制不同放电类型的起始电压、熄灭电压、放电强度等各种特性。并以多种局部放电检测方式进行GIS设备实施相关检测。

图1-1 XD5936GIS局部放电实验装置图

1.2 GIS模拟装置缺陷类型

1.2.1金属自由颗粒模型

金属颗粒结构的下端是一个玻璃罩，2颗大颗粒，20颗小颗粒放在玻璃罩里面，中间是聚四氯乙烯绝缘材料，起到跟上端金属连接件绝缘的目的，金属杆模型底座的旋杆连接模型，方便模型位置高度的调节。

1.2.2绝缘内部气隙模型

气隙模型结构的下端是金属电极，作用是跟高压母线接触，中间的是聚甲醛绝缘材料，起到跟上端金属连接件绝缘的目的，金属杆模型底座的旋杆连接模型，方便模型位置高度的调节。

气隙放电原理是升压时模型旋到底，金属电极跟高压母线接触，使聚甲醛里的气隙电荷分布不均匀，当下端金属电极和上端金属间聚集足够多电荷时，满足放电条件进行放电。

1.2.3悬浮模型

悬浮模型的下端是金属电极，作用是跟高压母线形成两个电势差不同的放电极板，中间是聚四氯乙烯绝缘材料，起到跟上端金属连接件绝缘的目的，金属杆模型底座的旋杆连接模型，方便模型位置高度的调节。

现场组合电器内部金属断裂会产生悬浮放电，断裂的金属会产生很小的细缝，金属断裂的细缝很小，它会导致断裂层两侧产生电势差，两侧会有大量的电荷聚集，当电荷达到一定数量时就会产生放电，这就是悬浮放电模型原理。

1.2.4尖端模型

尖端模型结构是经过精细打磨过的铜制尖端模型，上端跟模型底座连接，所以实验装置的尖端是指GIS设备上的低压尖端。

尖端模型的放电机理为负极性时发射的电子和撞击阴极的正离子双重作用下，在针尖附近形成不同程度的不断放电过程，并且随着外加电压的不断升高和反复变化，针尖附近的电场也在不停的变化。当电场强度大到气体的击穿场强，就出现了不断的放电现象，这就是尖端放电模型原理。

2 GIS局部放电检测的方法

电气设备的绝缘结构中产生局部放电时，会伴随产生超声波、光、电脉冲、电磁辐射、化学反应和局部发热等物理和化学现象。根据局部放电产生的物理和化学变化特征，局部放电检测方法也多种多样。气体绝缘组合电器GIS的局部放电检测方法主要分为非电检测法和电检测法两大类^[4]。化学检测法和振动检测法属于非电检测法，其中超声波检测法就是振动检测法的主要检测方式。电检测法主要是指特高频法，简称（UHF）。本次复合缺陷的检测主要使用特高频法，辅以超声波检测法。其余检测方法不一一赘述。

2.1 特高频法（UHF法）

局部放电过程伴随着异性电荷的中和，会在放电区域产生超窄的脉冲电流，其上升沿很陡并且持续时间极短，由此产生携带丰富的局部放电信息的特高频电磁波信号，这就是特高频检测的依据。GIS发声局部放电时产生小于纳秒级的上升沿脉冲，生成特高频信号。由于特高频具有的独特优点，特高频法目前广泛且成熟地运用于GIS局部放电检测中，其检测频率高达3GHz，频带宽在300MHz-3GHz之间。

2.2 超声波检测技术

超声波检测系统由于与高压电气回路之间没有直接的电气联系，可以从根本上杜绝电磁干扰的影响，故具有良好的抗电磁干扰能力，同时具有定位准确度高的优点。基于超声波定位准确优点，不仅在电气领域，其他方面超声波检测方法也得到了非常广泛的应用。随着超声波法逐步应用于电力设备局部放电检测，现在已作为状态检修的重要手段。

3 GIS局部放电图谱的识别

在获得相位同步的条件下，以单一缺陷类型的局部放电信号识别为基础，将复合缺陷的局部放电信号类型识别出来。

3.1 单一缺陷局部放电信号识别

金属自由颗粒其特高频放电信号特征有：

（1）放电在整个周期和360°相位杂乱分布，没有任何明显的相位特征，整个周期内任何时刻都有可能出现放电，极性效应不明显；

2. 放电重复率很低，放电较为稀疏，放电时间间隔不固定，间歇性明显；

3. 放电幅值不稳定，变化较大，放电幅值最大的信号一般出现在电压峰值处；

（4）电压等级提高，放电幅值增大但放电间隔降低。

绝缘内部气隙放电其特高频放电信号特征有：

（1）放电信号在工频相位的正、负半周均会出现，且具有一定对称性，放电幅值较分散，且放电次数较少；

（2）随电压的逐渐增大，放电重复率明显增大，放电幅值也明显增大。

悬浮放电其特高频放电信号特征有：

（1）局部放电信号在整个工频周期内分布规律，在工频信号的正、负半周均有放电，主要集中在第一、第三象限，放电相位特征明显；

（2）放电次数较少，但放电幅值较大较稳定，放电重复率较低。

尖端放电其特高频放电信号特征有：

（1）电晕放电的极性效应非常明显，通常在工频相位的负半周或正半周出现，放电信号强度较弱且相位分布较宽，放电次数较多；

（2）在较高电压等级下另一个半周也可能出现放电信号，幅值更高且相位分布较窄，放电次数较少。

（3）由于此次实验装置模型为接地体的尖端，所以对于接地体的尖端突起物，局部放电脉冲主要集中于电源电压波形的正峰值附近，而且信号的幅值较高。

4 结束语

　本文首先介绍了杭州西湖电子研究所生产的型号为XD5936的GIS局部放电检测实验装置，以及分析了实验装置其中的尖端、悬浮、金属自由颗粒和绝缘内部气隙四种典型GIS缺陷的模型设计原理。在实验装置上的复合缺陷产生的局部放电图谱的成功识别，对现场工程师判断局放类型有着重要意义。因为现场的环境更为复杂，图谱中的放电脉冲和干扰都交织在一起。通过将图谱中的一部分人工提取识别，可以有效的排除其余脉冲和干扰信号的干扰。相信在今后智能化的发展会让缺陷的识别更加准确，工作效率也会增加不少。

参考文献

[1]Q/ND 10501 06-2018内蒙古电力（集团）有限责任公司输变电设备状态检修试验规程（2018版）.

[2]邵涛，周文俊.特高频法检测GIS局部放电的试验研究[J].高电压技术，2001,27(3):15-16.

[3]王天健.GIS局部放电检测与故障识别[M]，北京交通大学，2010.