超高频（UHF）和超声波（AE）检测GIS及变压器中的局部放电

一、开展GIS局部放电检测的意义

随着城市电网建设的发展，GIS变电站的数量不断增加，GIS的内部空间极为有限，工作场强很高，且绝缘裕度相对较小，GIS内部一旦出现绝缘缺陷，极易造成设备故障，引起的停电时间较长，检修费用也很高。有数据统计显示，GIS在使用25年后，主要故障率有明显增加。国内已经发生了数起较为严重的GIS事故，过去那种认为GIS设备免维护的观点已不被认同。
GIGRE调查表明，50％以上的GIS故障是可预先发现的；在GIS的交接试验中监视局部放电信号，对运行中的GIS 进行定期监测，均是保障安全运行的有效手段 。
德国几个大型GIS变电站的故障统计

从以上两张图片可统计得出：

• 60%-70%故障可检测；
• 50%以上故障是残留在内部的颗粒引起的；
• 1/3故障属设计不完善；
• 1/2故障属加工和装配问题，可通过现场交接试验来发现。

二、GIS设备局部放电的起因

如下图所示，主要有六种原因：

• 导体上的毛刺或颗粒；
• 壳体上的毛刺或颗粒；
• 悬浮屏蔽(接触不良)；
• 自由移动的金属颗粒；
• 盆式绝缘子上的颗粒；
• 盆式绝缘子内部缺陷；

三、GIS绝缘击穿的主要表现形式
GIS投运初期：绝缘击穿大多是由金属颗粒、悬浮导体、表面毛刺或颗粒等缺陷造成的。通过完善交接验收可起到预防作用；
GIS运行中期：绝缘击穿大多是绝缘子表面的缺陷（例如污秽、表面电荷积聚、附着金属微粒）引起的，特别是在暂态过电压作用时。通过定期巡检可发现这些隐患；
注：IEC规定GIS出厂时的局部放电水平为<5pC，现场交接及运行时<10pC。

四、运行GIS设备的局部放电检测技术
传统检测法：无法解决抗干扰问题，很难达到必要的检测灵敏度，通常用于试验室；
UHF检测法：检测特高频电磁波信号，检测范围较大，不受空气中电晕干扰影响，对各种缺陷均敏感，检测灵敏度可达几个pC；
AE检测法：检测超声波信号，抗电气干扰，对自由颗粒缺陷和金属件的振动较为敏感，在靠近缺陷部位时，检测灵敏度可达到几个pC；
气体分析法：分解物从产生到扩散，需要一定的过程，且只有浓度积累到一定水平后方可被检测到，故响应速度较慢，检测灵敏度较低。

五、GIS各种绝缘缺陷的局部放电特征

六、检测自由颗粒缺陷的灵敏度比较

七、检测绝缘屏障缺陷的灵敏度比较

八、UHF检测法的基本原理
绝缘强度越高，PD所形成的脉冲越陡及持续时间也就越短，由此而产生的特高频UHF电磁波分量也就越多。空气中PD所产生的特高频UHF信号，远远少于SF6气体中的，且在传播时还会明显衰减。GIS的金属同轴结构为一个良好的电磁波导，UHF信号可沿着波导方向几乎无衰减地进行转播。

九、UHF法测量GIS局部放电的抗干扰原理

UHF法可灵敏检测到10m范围内的PD信号，如图可得出以下结论：

十、GIS中UHF信号的几种耦合方式
外部耦合：将UHF传感器的接收面靠近GIS 外壳上有绝缘开口的位置，如盆式绝缘子、电缆接头、互感器引线盘等。

十一、UHF检测技术的优点和缺点

• UHF法具有较强的抗干扰能力，对电晕放电较不敏感；
• UHF法对各种缺陷均具有较高的检测灵敏度，至少可达到IEC60270传统法的水平；
• UHF法的有效检测距离可达十几米，能够检测到危险性小甚至不危险的缺陷；
• CIGRE联合工作组 33/23.12，建议把UHF法作为GIS现场交接时的试验方法，IEC正在修订相应的标准；
• UHF 信号与IEC60270的视在放点电荷（pC）之间，没有固定的对应关系，但存在着粗略的线性对应特征；

十二、AE法的基本原理
放电源产生压力声波，先以纵波传播到GIS外壳，然后以横波方式传播到AE传感器；对GIS检测通常选用的检测频率为10kHz ~100kHz，频率较低时灵敏度较高但易受噪声干扰，而频率较高时信号衰减又会增大。

十三、AE法检测GIS局部放电的原理

AE法能灵敏检测到1m范围内的PD信号：

• 检测频率：10-100kHz；
• 检测会受环境噪声影响；
• 基本不会受到电气干扰；
• 传播速度较慢：在SF6中： 140m/s；在钢板中：6000m/s；
• 传播衰减较大: 在SF6中： 26dB/m；在空气中：0.9dB/m

十四、AE检测技术的优点和缺点
AE法对自由颗粒缺陷具有很高的检测灵敏度，明显超过IEC60270传统法的灵敏度水平，并可根据颗粒的飞行时间，大致确定自由颗粒的大小。CIGRE联合工作组 33/23.12建议把AE法作为GIS现场交接时的试验方法，IEC正在修订相应的标准。
AE法对固体绝缘表面及内部的缺陷敏感度较低，且仅能检测到1-2米内的信号，适合对缺陷进行定位；AE信号与IEC60270的视在放点电荷（pC）之间，没有固定的对应关系，但存在着粗略的线性对应特征。

十五、UHF及AE检测法的应用领域
电力变压器：通过油阀安装UHF天线在箱体表面安装AE传感器；
电缆终端：定向接收UHF信号，表面接收AE信号；
电缆分支箱：定向天线接收UHF信号，玻璃纤维波导接收AE信号；
带有瓷套的电气设备：定向天线接收UHF信号；

十六、用UHF法检测变压器局部放电的研究
荷兰KEMA通过放油阀安装UHF传感器，采用40MHz或80MHz窄带检测技术，可在300-1200MHz范围内选择的检测频段，检测灵敏度可达到50pC水平。
英国Strathclyde大学通过变压器上的检修孔，预先安装UHF传感器，采用500-1500MHz宽带检测技术，易受通讯干扰的影响，检测灵敏度可达到20pC水平。

十七、UHF信号在变压器内的传播与衰减
变压器箱体：由于UHF电磁波的波长远小于油箱尺寸，故变压器箱体对电磁波具有折、反射作用，从放电源发射的电磁波，在经过多次折反射后，最终均能到达传感器部位。金属箱体在起到汇聚电磁波能量的同时，还具有电磁屏蔽作用，使得外部的电磁干扰不易进入箱体内部。
变压器油：电磁波在油中传播时衰减很小，仅为0.6dB/m。
固体绝缘材料：电磁波在固体绝缘与油的界面，会产生折射和反射，造成少量的能量损失。
变压器绕组:由于所检测的UHF电磁波波长在25厘米到60厘米之间，大于绕组间的缝隙尺寸，因此衰减量较小。

十八、UHF法检测运行变压器局部放电的优越性
通过变压器油阀（球阀或闸阀）即可安装UHF传感器。
通过放油阀安装UHF传感器，不需要变压器退出运行，检测灵敏度高（<100pC），几乎不受电晕干扰的影响。
对检测到的UHF信号进行谱图分析，可判断PD的类型通过对油色谱（DGA）异常的运行变压器进行UHF信号检测和分析，可进一步了解DGA异常的原因，便于决定是否需立即推出运行、安排检修。对UHF信号连续监测，可及时发现运行变压器的突发性故障，弥补油色谱（DGA）反应速度较慢的缺点。
而运用超声波（ AE ）检测功能，可对所发现的PD缺陷进行定位，以便分析其危害性大小。