GIS局部放电在线监测方法 人们随着GIS在电力系统中的重要性的提高，为保证GIS长期可靠运行，对 其绝缘诊断也愈来愈得到重视。作为判断GIS绝缘状况的有效手段，GIS中局部 放电的检测技术也迅速发展起来。局部放电测量的方法很多，都是根据局部放电 过程中所发生的物理和化学效应，通过测量局部放电所产生的电荷交换、能量的 损失、发射的电磁波、发出的声和光以及生成一些新的生成物等信息，来表征局 部放电的状态。这些信息总结起来有电信息和非电信息两大类，由此局部放电测 量方法可以分为电测法和非电测法两大类，其具体主要可分为以下五种方法：

　　(1)耦合电容法：又称为脉冲电流法，它利用贴在GIS外壳上的电容电 极耦合探测局部放电在导体芯上引起的电压变化。该方法结构简单，便于实现。 但是在现场测试时，无法识别与多种噪声混杂在一起的局部放电信号，因此这种 方法的使用推广受到了很大限制。

　　(2)UHF法：英国Strathclyde大学提出的UHF法目前已经应用到GIS生产 和运行中，它是一种利用超高频频率信号进行局部放电在线监测的方法。在UHF 法中传感器并非起耦合的作用，而是接收UHF信号的天线，所以UHF法的原理 与脉冲电流法是不同的。

　　GIS内部发生局部放电时，由于放电点处电荷的迅速转移，形成持续时间很短 的电流脉冲(ns级)，并产生频率分量极其丰富的电磁信号(高达GHz)，通过 传感局部放电所产生的电信号进行局部放电检测，有可能实现较高的灵敏度，并 能够及时发现早期的的局部放电。局部放电电信号传感面临的关键困难是电磁干扰问题。

　　GIS局部放电在线检测 要求在GIS运行的现场条件下进行检测，由于电晕放电等原因，现场条件下存在 大量的电磁干扰信号。尤其常规局部放电检测所使用的频段(几十kI-Iz~几百kHz)， 干扰信号的强度有可能远远大于所要检测的局部放电信号，使得局部放电检测的 电信号传感器无法实现。GIS局部放电检测的UHF传感方法正是针对抗电磁干扰 问题提出的。并在UHF频段内选择合适的频段进行局部放电的电信号传感，其抗电磁干扰原理是： GIS运行现场的干扰源主要有：架空线和变电站母线上的电晕放电，导体接触 不良产生的电弧放电，站内可控硅产生的强电脉冲，其他设备内部的放电，无线 电波，载波通讯，系统内开关动作等。研究表明，这些干扰主要集中在300MHz 以下频段。

　　虽然也存在超高频干扰信号，由于传播路径上衰减很快，并且很 容易被屏蔽，因此一般不能到达GIS。相比之下，GIS的同轴结构是一个良好的波 导，其内部的局部放电辐射出的超高频电磁波可在内部有效地传播，因此，选择 超高频段的电磁信号作为检测信号，可以避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统中干扰，显着提高了局部放电检测的信噪比(S／N)。

　　部放电超高频传感器的特点如下：

　　a．UHF频段信号传感，避开了电网中主要电磁干扰的频率，具有良好的抗电 磁干扰能力；

　　b．局部放电的电磁信号传感，能够实现良好的检测灵敏度；

　　c．根据电磁脉冲信号的衰减和时差，可进行故障定位；

　　d．根据放电脉冲的波形特征和UHF信号的频谱特征，可进行故障诊断；

　　e．UHF传感器的有效检测范围大，检测点少，检测效率高，适用于自动在线 监测系统； 鉴于超高频传感的上述特点，近年来这种方式受到了广泛的重视和研究，已成为GIS局部放电在线监测的主要传感方式，并得到了实际的应用。

　　UHF法最主要的优点是：高灵敏度，并能通过放电源到不同传感器的时间差 对放电源进行精确定位。它对传感器的采集精度和宽带要求很高，因此造价较高。

　　(3)超声波监测法：由于GIS内部产生局部放电的时候，会产生冲击的振动 及声音，因此可以利用腔体外壁上安装的超声波传感器来测量局部放电信号。超 声波法是目前使用的除UHF方法之外最成熟的局部放电监测方法。该方法抗电磁 干扰性能好，但是由于声音信号在SF6气体中的传输速率很低(约140m／s)，且 信号的高频部分衰减很快，信号通过不同的介质的时候传播速率不同，且在不同 材料的边界处会产生反射，因此信号模式变的很复杂。

　　它要求操作人员必须具有 丰富经验或者受过良好培训，另外长期监测的传感器比较多，现场使用很不方便。

　　(4)化学监测法：通过分析GIS中局部放电所引起的气体生成物含量来确定 局部放电的严重程度，但是GIS中的吸附剂和干燥剂可能会影响化学方法的测量； 断路器正常开断时电弧产生的气体生成物，也会产生影响；脉冲放电产生的分解 物会被大量的SF6气体所稀释，因此就局部放电监测而言，化学方法的灵敏度很差： 另外，该方法不能作为长期监测的方法来使用。

　　(5)光学监测法：光电倍增器可以监测到甚至一个光子的发射，但是由于射 线被SE气体和玻璃强烈地吸收，因此有“死角”出现，该方法对于已知放电源位 置的监测比较有效，但不具备对故障的定位能力。并且由于GIS内壁光滑而引起 的反射带来的影响，造成灵敏度不高。

　　总结上述方法的特点，表所示为其优缺点及各种性能的比较和说明。通过对上面五种方法的比较，我们可以得出以下结论：在对GIS中产生的局部放电信 号的监测方法中，UHF法是比较适用可行的方法，具体体现如下的优势： 抗干扰能力强：UHF法的检测频率范围为300MHz．3000MHz(目前国内外GIS 局部放电的现场实测中频率不超过1700MHzt321)，可避开空气中电晕等低频段 的干扰，所测信号能全面反映绝缘系统GIS放电的本质特征。 灵敏度高：可检测到高达O．5～0．8pC的放电量，这是其他监测方法所无法比 拟的，且可用于运行中的设备。故障定位精度高：可高达±0．1m，且适用于各种类型的缺陷。

　　GIS中有可能出现的主要绝缘缺陷如图所示，可以总结为以下几个方面：

　　(1)固定缺陷。其中包括导体和外壳内表面上的金属突起，以及固体绝缘表 面上的微粒。金属突起通常是在制造不良和安装损坏擦划时造成的，导致毛刺且 较尖。在稳定的工频状态下不引起击穿，但在快速电压如冲击、快速暂态过电压 (Ⅵ玎o)条件下很危险； (2)GIS腔体内可以移动的自由金属微粒。金属微粒是最普遍的微粒，在制 造、装配和运行中均有可能产生，它有积累电荷的能力。在交流电压场的影响下能够移动，在很大程度上运动与放电的可能性是随机的。当靠近高压导体且并未 接触时，放电最可能发生，且放电可能性比同样微粒但为固定物时高10倍左右；

　　(3)传导部分接触不良。例如静电屏蔽和其它浮动部件。由松动或浮动部件 产生的放电可能性很大，通常易于检测，放电趋向于反复，其放电电荷在nC到gC 间转变。

　　(4)绝缘子制造时造成的内部空隙和实验闪络引起的表面痕迹，还包括或是 因电极的表面粗糙或是来自制造时嵌入的金属微粒。此外因环氧树脂与金属电极 的收缩系数不同，也会形成气泡或空隙。 这些GIS的绝缘缺陷类型极有可能会在GIS中产生局部放电，在绝缘体中 的局部放电甚至会腐蚀绝缘材料，进一步发展成为树枝，并导致绝缘击穿。

　　一般来说，由于各种缺陷引发的局部放电具有以下特征： 在电场不均匀时，在导体周围易于发生电晕放电，由于气体中的分子是自由 移动的，因此GIS设备中的电晕放电过程与空气中的电晕放电相似，在施加电压 的正负峰值附近发生PD脉冲，随电压增加，PD脉冲加大，频度增加。

　　GIS设备中绝缘子内部的气隙放电在工频正负半周内基本相同，即正负半周放 电指纹基本对称。放电脉冲一般出现在实验电压幅值值的上升部分，放电频 率依赖与所加电压大小，只有在放电强烈时，才会扩展到电压值下降部分的 相位上，且每次放电的大小不相等。绝缘子缺陷在出厂时可能并不出现，但在运 输及安装过程中有可能造成损伤。一些缺陷最初可能无害，只是在机械振动和静 电力作用下可能轻微移动，形成潜在的隐患。

　　绝缘子表面的缺陷(如污秽等)有助于电荷的增加，可能会形成表面放电， 导致绝缘子表面的绝缘劣化，甚至击穿。其放电特征是：在电流相位过零时 发生小电荷的PD脉冲，随着电压上升有不规则的脉冲出现。

　　自由导电微粒和固体导体上金属突起放电的相位分布有着明显不同。这个特 征通常可以用来区分缺陷的类型。固体导体上金属突起放电由于导电粒子不浮动， 其放电特征是：在施加电压峰值附近发生大PD脉冲，随电压上升PD电平不变， 频度增加。GIS设备中自由导电微粒有积累电荷能力，在交流电压作用下，静电力 可使导电微粒在GIS筒内跳动，如直立旋转、舞动运动等。

　　这种运动与放电的出 现在很大程度上是随机的，这一过程与所加电压大小以及微粒的特性有关。如果 一个跳动的微粒接近或运动至GIS设备的高场强区时，伴随产生的局放有可能形 成通道，造成绝缘击穿。其放电特征：在施加电压峰值附近有较大PD的脉冲，并 发生散开，随着电压上升，频度增加，电平无较大变化。相对而言，GIS设备内残 留的金属碎屑或金属颗粒产生的各种效应是最为严重的，因此，金属颗粒的放电 对GIS设备的危害相对较大。

　　人们在局部放电的在线监测中，主要存在两个问题：一个是抗干扰的问题，另 一个是数据的解释和绝缘故障模式识别问题。

　　(一)抗干扰问题 由于干扰的种类是多样的，表现出的特性也不同，找出一种有效的方法来抑 制所有的干扰是很难的，因此需要针对不同的干扰源，采取不同的措施，综合运 用，达到抗干扰的目的。现场的干扰根据其时域特征的不同，可分为白噪声干扰、 窄带周期性干扰和脉冲型干扰三类，而脉冲型干扰又可进一步分为周期型脉冲干 扰和随机脉冲干扰。由于本文应用UHF方法来采集局部放电信号，因此一些频率 较低的干扰信号可以直接避免，这里只给出UHF方法中有可能采集到的干扰信号 源及其频率，主要有以下几种：

　　◆无线电广播的干扰：连续的窄带周期性干扰，频率>500kHzt

　　◆手机干扰：窄带周期性干扰，频率为900MHz或1．8GHz等；

　　◆ 白噪声：包括各种随机噪声，如热噪声、地网噪声、配电线路以及继电保 护信号线路中由于耦合而进入的各种噪声等。 以上这些干扰信号主要通过2种途径进入检测系统：一是通过电磁耦合进入 检测系统，因此检测系统应有很好的屏蔽，采用隔离或光电光纤系统传输监测信 号也可抑制干扰；另外检测系统本身产生的噪声，它和局部放电信号混叠在一起， 用上述方法不可能抑制这种干扰通道，而需采取其它措施。

　　(二)数据的解释和绝缘故障模式识别 实际应用中，人们不仅关注能否从局部放电信号中诊断出GIS综合绝缘状况， 还希望能从中获取更为详细的信息，例如绝缘劣化原因、故障类型、严重程度以 及故障点位置等等。因此必须识别出各种放电类型的特点，估算出放电强度，并进行局部放电点定位。如何从检测到的PD信号中判断局部放电类型以及GIS的绝 缘状况是在线监测技术的难点之一。这方面国内外己经做了大量的研究工作，但 是仍然没有很好的解决这个问题。

　　目前，国内和国际上GIS和变压器的局部放电在线监测技术正在蓬勃发展， 不论从硬件的监测装置，还是软件的监测方法，都有很多专家和学者们做出了很 好的成绩。例如：清华大学1995—1997年相继研制和开发出基于UHF法的便携式局部放电检测仪和330KV GIS和变压器局部放电在线检测系统，均采用外部传 感器监测，具有较强的实用性，且便于放电源的定位。但是该设备对于采集到信 号的分析处理不够完善，目前还在进一步的完善过程中。

　　西安交通大学的电力设备电气绝缘国家重点实验室于1998年研制一种超宽频 带局部放电传感器，并经网络分析仪(HP8720C，扫频带宽20GHz)对其频率响应 特性进行测量证实效果较好。 英国Strathclyde大学和与NGC和Scottish Power ple联合开发了一套UHF监 测系统。为防止断路器工作时产生快速暂态过电压(VFTO)，对监测系统应采取 相应的保护，在耦合器输出处和在UHF信号调节处安装钳位二极管。该系统采取 3种工作模式：在线、事故和历史模式，便于日常的监测和出现事故之后的情况分 析。该系统不是采用UHF局部放电信号进行分析，因此监测系统的精度不能加以 保证。

　　瑞士Zurich大学的Neuhold开发出一种结合宽带和窄带的多通道、实时响应 的GIS和变压器局部放电测量系统。每个测量通道包括一个低噪声宽带传感器， 带有自动高压暂态保护。适宜于开发过程中的实验室测试和GIS及变压器的长期 监测，装置能初步实现对故障的监测、定位和识别，但是精度不能得到保证，需 要进一步的研究。 2001年日本名古屋大学的Toshihil"O Hoshill0提出一种新的GIS和变压器中由 局部放电引起的电磁场的监测技术一相位门极控制法。它是通过分析在SF6气体中 局部放电信号和空气中的外部噪声所引起的电磁波的区别，根据在空气中和SF6 气体中局部放电和电压相位角之间关系的不同而作为判断依据，该方法目前还处 于研究阶段。

　　日本大阪大学的Kawada于2000年提出一种用于宽带电磁波(E．M)动态频 谱分析的小波方法。这种非接触式监测故障征兆方法使用有高斯函数产生的Gabor 函数的实部作为母小波，对电磁波信号进行小波变换。文中指出经小波变换后的 局部放电信号能够与其他干扰波(例如FM广播信号)清晰地分辨出来，并得出 以下结论：当放电量很低时，电磁波的主要部分在高频段(120．200MHz)；当放 电量增加时，主要部分转换到低频段(20．80MHz)．并且低频段的耐压值上升。该 方法在理论上研究较多，但是实际应用时遇到了一些问题。

　　2002年日本Kawada又提出一种用于监测局部放电源的超宽频带UHF的无线 电抗干扰系统(UwB．VURIS)。该系统根据在不同频率下提取的两个经傅立叶变 换后的E．M信号之间的相位差来判断局部放电程度，并计算出局部放电源发射出 来的电磁波的方向。这种方法是基于硬件条件完好和软件算法精确的基础上，目 前还不能完全达到精度要求，需要进一步的研究工作。