国网湖北省电力有限公司十堰供电公司 胡 丹

1 引言

目前，在一些新投建的大型变电站中大多采用安装GIS设备，其主要原因在于GIS设备具有整体结构布置紧凑、设备占地面积较少、性能可靠性高、故障率低等特征。工程实践中，GIS内部存在局部放电、绝缘破损的现象，由于本体设计紧凑的原因，对于停电检查和运维的工作量相对较大。因此，需要对GIS设备进行实时可疑的内部放电信号的检测，关注GIS的运行状态，避免不良事故发生[1]。其中，超声波（AE）法、特高频（UHF）法是目前GIS内局部放电信号的检测较为常见的两种检测方法。

文献[2]论述了在GIS壳体上安装超声波（AE）检测器，通过检测声音及振动，实现对GIS内局部放电信号的检测。文献[3]通过特高频传感器检测GIS设备的局部放电引起的电磁波信号，基于电磁波信号频带的存在高低峰值，也就能够有效避免一些常见的电磁干扰，实现放电引起的电磁波信号的检测。文献[4]研究变电站高压电设备的局部放电检测方法时，验证了同时联合应用超声波（AE）法和特高频（UHF）法检测放电信号，可以提高检测精准性。为此，本文通过以某220kV变电站2号主变A相正母闸刀气室，局部放电缺陷利用超声波和特高频检测分析案例，精准诊断定位此起220kV变电站GIS内部局部放电信号源。

2 GIS局部放电原理及常见检测方法

目前，在GIS内部发生局部放电故障中，尖端放电和悬浮放电是较为常见的两种。GIS内部发生局部放电是因为部分GIS设备，由于生产加工或者安装调试过程中，GIS设备内部的壳体由于多种客观原因导致出现可能出现一些毛刺或者尖端。在强电场的作用中，这些毛刺或者尖端一旦集中，就会强度击穿GIS设备内部的六氟化硫气体，同时也就伴随放电现象的产生。

基于此种现象定义为尖端放电，而所述的这种尖端放电同时也会激发大量的能量，若六氟化硫气体将此激发的能量吸收后，就会对其六氟化硫气体产生分解，最终将影响绝缘性能。此外，在这种尖端放电的这种情况下，GIS设备中的某一相就存在释放电弧导致电极导电杆发生单相接地短路故障，同时也存在相间短路故障。上文所述中的短路故障最终将击穿设备外壳烧伤电极导电杆。悬浮放电故障通常是因为GIS内部一些连接部件松弛也所导致，一般情况下，GIS内部所属连接部件附加的电压低于电极导电杆电压，但是连接部件附加的电压高于地电位，由于存电位差的存在也就相应存在一个悬浮电位，基于此种现象定义为悬浮放电。

2.1 超声波（AE）检测原理

一般情况下，若GIS内部存在局部放电缺陷时，都伴随异常振动和异常声音的出现。在设备正常运行中内部的平均应力和电场应力是处于平衡状态。但是出现局部放电时，所产生的电荷就会瞬间释放和游离移动，打破内部原有的平衡状态，同时还会在介质周围出现振荡变化，进而引发周围介质的异常振动激发出声波信号。为此，所使用得超声波（AE）探仪就能检测到这些异常振动所激发的声波信号，此种检测方法的优点在于传感器可以受到电磁波信号的干扰，但是缺点就是容易受到其他设备振动的影响。通常在对设备检测时，超声波（AE）探测仪都是连接于设备壳体表面上，同时还使用一些用粘接剂粘合以防止其他设备振动引起的干扰。超声波（AE）检测整体实施过程主要通过检测仪传感器，将检测到声波信号转换为模拟信号后，将此模拟信号传输到检测仪主服务器，基于I/D转换器转换处理，最后实现连接界面直观显示。

2.2 特高频（UHF）检测原理

当GIS内部发生局部放电时，会同时发出声波和电磁脉冲信号。其中，电磁脉冲信号发射非常短，但是电磁脉冲信号存在一个沿波形信号的增强而增强的特点，基于此特点可以激发多个频带的电磁波。若GIS因内部绝缘问题所诱发的局部放电故障时，所激发多个频带的电磁波在传播过程中遇到环氧树脂等非金属材料时，会通过部件向外部传播，此时的高频传感器就能检测到。

2.3 GIS检测平台搭建

首先通过超声波（AE）检测数据和特高频（UHF）检测数据等检测数据分析，然后结合示波器10ms图谱进行设备局部放电信号类型的确立，在干扰排除的前提下，通过特高频（UHF）定位和声电联合定位分析，最后确定GIS中局部放电的精准位置源。

3 案例阐述

3.1 现状概况

2018年08月16日至2018年08月20日，对某220 kV变电站GIS设备的局部放电缺陷进行超声波（AE）和特高频（UHF）局放电带电检测，检测情况如下：

在2号主变220kV A相正母闸刀气室检测到异常特高频（UHF）及超声波（AE）信号。示波器显示特高频（UHF）信号的峰值为1.88V、超声波（AE）信号的峰值为3V，综合二者数据的判断确立为GIS设备的局部类型为金属性悬浮放电，同时还伴随绝缘放电。经声电联合定位于2号主变220kV A相正母闸刀靠正母侧盆子。

3.2 检测数据分析

2号主变220kV A相正母闸刀气室检测数据分析如下：

3.2.1 超声波（AE）检测数据分析

2号主变220kV A相正母闸刀气室存在异常超声波（AE）信号，信号峰值最大为354mV，频率2始终高于频率1，每周期出现2组脉冲波形，相位分布广，判断为金属性悬浮放电，最大值位于2主变220kV A相正母闸刀气室靠母线侧盆子。

3.2.2 特高频（UHF）检测数据分析

在2号主变220kV A相开关气体室中检测到异常特高频（UHF）信号，其信号峰值最大为66dB，每周期存在2组信号，相位宽，峰值大，判断为金属性悬浮放电，伴随绝缘放电。

3.3 设备局部放电信号类型分析

2号主变220kV A相正母闸刀气室，由示波器10ms图谱如图1所示，特高频（UHF）最大幅值1.88V，超声波（AE）最大幅值3V；在特高频（UHF）频谱中，每一个周期存在2个簇的脉冲信号，在每个簇的脉冲数较少，同时示波器声电图谱部分脉冲对应，为此得出结论为：局部类型为金属性悬浮放电并伴有绝缘放电。

图1 示波器10ms波形图

3.4 诊断定位分析

3.4.1 干扰排除

根据图2可以看出，传感器在GIS外壳的安装位置及发生故障后的示波器图谱，黄色传感器的位置始终保持固定不变，通过调整红色传感器的安装位置，从示波器图谱中可以看出：黄色信号比红色信号超前，判断局放电来自GIS内部。

图2 GIS传感器布置及示波器图谱

3.4.2 特高频（UHF）定位

传感器就地布置图/示波器图谱如图3所示，由（b）示波器图谱图中可知，红色信号波形与黄色信号波形在起始点存在时域差，即Δ=4.72ns，通过实时就地测距红色、黄色传感器相距1.92m。通过时差定位法判断，信号来源可能位于黄色、红色传感器之间区域段，再经过精准测距与红色传感器相距60cm，如图3（a）中“红色”标注处所示。

图3 传感器布置图/示波器图谱

通过图4中示波器图谱可以看出：黄色波形起始沿与红色波形起始沿重合，可以判断出信号源处于红、黄传感器的中间，通过测算分析，信号源位于2号主变220kV A相正母闸刀气室，如图4中“红色”标记位置所示。

图4 传感器布置图/示波器图谱

经过传感器多个位置分别定位，信号源定位位置基本一致，定位于2号主变220kV A相正母闸刀靠母线侧盆子区域。

3.4.3 声电联合定位分析

定位一。传感器就地布置图/示波器图谱如图5所示，三种不同颜色的超声波信号的起始一段时间范围内特高频信号基本一致，但是在测试后时间段内就出现很大的差异，经分析计算结果得出：局部放电位置判断为位于红色、黄色传感器之间部位位置。

图5 传感器布置图/示波器图谱

定位二。从图6示波器图谱可以看出，绿色超声波（AE）信号比红色、黄色超声波（AE）信号均超期很多，由此可以分析得出：并且表示局部发电信号位置在绿色传感器范围附近。

图6 传感器布置图/示波器图谱

定位三。从图7示波器图谱可以看出，绿色超声波（AE）信号比黄色、红色超声波（AE）信号超前很多，与特高频（UHF）信号的时差最小3.6us，环氧树脂中的超声波（AE）的传播速度大2550m/s，计算出放电距离绿色超声波（AE）传感器0.89cm。

图7 传感器布置图/示波器图谱

4 结语

通过阐述超声波（AE）、特高频（UHF）两种检测GIS内部故障的方法，两种方法均有各自的优、缺点，若仅仅依靠一种传感器进行检测，则很难区分故障性质及排除其他可能发生的故障，对检测结果反应不够真实。因此，本文结合某220kV变电站GIS内部局部放电检测的应用实例，同时使用两种检测方法进行检测，从试验结果来看：两种方法联合使用，对判断、排除外部信号干扰效果显著，对真实信号检测的准确度高、可靠性高。