湯會增

（國網河南省電力公司檢修公司，鄭州 450007）

幾種500 kV GIS局部放電檢測方法的應用比較

湯會增

（國網河南省電力公司檢修公司，鄭州 450007）

分析了超聲波、超高頻以及SF6氣體分解物組份分析3種在線檢測方法的原理及特點。搭建了GIS局放檢測模擬試驗平臺，模擬設置4種GIS內部絕緣缺陷，運用這3種檢測方法進行檢測并對檢測頻譜圖分析，得出500 kV某變電站局放在線檢測裝置誤報漏報的原因。利用超聲波傳感器、超高頻傳感器和氣體傳感器（SF6氣體分解物組份檢測）能夠接收現(xiàn)場不同類型局部放電信號這一特點，提出基于3種不同類型傳感器信息融合的在線檢測方法，以解決GIS局放在線監(jiān)測裝置存在的問題。

GIS局部放電；超聲波；超高頻；SF6氣體分解物組份

0 引言

GIS（氣體絕緣組合電器）是將斷路器、隔離開關、接地開關、母線等多種設備全部封閉在充滿SF6氣體(作為絕緣和滅弧介質)金屬外殼中的組合式開關電器[1]，500 kV GIS是超特高壓輸變電工程中的關鍵設備，一旦出現(xiàn)故障，將可能造成電網重大事故發(fā)生。

絕緣降低是GIS設備故障的主要原因，對GIS進行PD（在線局部放電）檢測可有效掌握GIS內部絕緣狀況，預防GIS故障跳閘造成電網事故。GIS局部放電會產生聲波和電磁信號，跳動粒子和局部放電為2個聲波發(fā)射源，在腔體外壁中傳播的聲波除縱波外還有橫波，超聲波檢測法通過超聲波探頭檢測PD產生的超聲波及振動信號來檢測PD信號[2]，UHF（超高頻法）通過天線接收PD產生的300～3 000 MHz頻段UHF電磁波信號來檢測PD信號[3]。由于不同絕緣缺陷引起的PD會產生不同的分解氣體，SF6分解物檢測法通過檢測GIS內部SF6氣體分解生成的各種特征氣體含量，來判斷是否有PD信號[4]。

這3種方法是GIS局部放電檢測較為有效的方法。目前超聲波、超高頻2種檢測方法工程應用較為普遍，技術也比較成熟，但工程應用中也存在一些問題，而SF6氣體分解物組份檢測法是正在興起且發(fā)展趨勢良好的在線檢測方法[5]。

1 在線檢測裝置應用現(xiàn)狀

500 kV某高壓變電站站內共有3組（約75個氣室）500 kV GIS設備，共裝設2套不同原理的PD在線檢測裝置，分別是在第1組GIS設備上的超高頻在檢測裝置和在第2、第3組GIS設備上的超聲波在檢測裝置。2套裝置投運以來發(fā)生過多次誤報漏報現(xiàn)象，對運維人員掌握GIS設備運行工況造成錯誤判斷，嚴重影響了電網的安全運行。

例1：某日超聲波裝置顯示500 kV 50311隔接氣室C相放電量為64PC，脈沖個數(shù)為98，超過警戒值。采用DMS便攜式超高頻檢測儀、頻譜分析、UE Ultra 9000超聲波檢測儀等多種儀器，對50311 C相氣室進行了現(xiàn)場檢測，同時采用Techimp高頻電流法對50311 C相倉室兩側的2個接地點進行測試，均發(fā)現(xiàn)內部存在PD信號。僅發(fā)現(xiàn)50311 C相氣室存在微弱的超聲波信號，經分析為振動引起的輕微異常信號，超聲波在線檢測裝置誤報故障信號。

例2：某日500 kV 1號主變壓器電氣量保護動作，主變壓器失電?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)5011斷路器B相盆式絕緣子破裂閃絡放電，而裝設在5011間隔的超高頻在線監(jiān)測裝置，無論在故障發(fā)生前還是發(fā)生后，均未進行任何告警。

例3：某日500 kV 50222氣室與TA氣室之間的盆式絕緣子故障，原因為絕緣子內部存在氣泡，且氣室內存在金屬自由顆粒放電。此次故障中，超高頻在線檢測裝置及時報告出故障，查看報告顯示為盆式絕緣子附著物故障，故障位置判別不明確，在50222氣室及其兩側3個氣室均報放電；應用超聲波UE Ultra 9000檢測儀進行在線測試，判別故障類型為自由金屬顆粒放電，同樣為3個氣室均存在放電現(xiàn)象，而且判別故障位置在TA氣室所占比例較大。通過對3個氣室進行SF6分解物組份測試，發(fā)現(xiàn)TA氣室有分解物產生，判別為氣室自由顆粒故障。通過對3種方法綜合分析，最終判斷為TA氣室與50222氣室之間的盆式絕緣子故障，并且氣室內有自由顆粒放電。本次故障雖然超聲波和超高頻2種檢測裝置都報出了放電信號，但其對故障定位和類型識別并不十分準確，沒有達到高壓設備在線檢測裝置的要求。

2 模擬試驗

2.1 模擬試驗設備

搭建GIS高壓試驗系統(tǒng)平臺查找500 kV GIS設備PD在線檢測裝置誤報漏報原因。高壓試驗系統(tǒng)由1套工頻耐壓及常規(guī)局部放電檢測系統(tǒng)、1臺便攜式超聲波局部放電檢測儀、1套超高頻局部放電檢測裝置、1套SF6分解組份檢測裝置以及實際500 kV GIS產品的通管模型構成，如圖1所示。

圖1 試驗模型及測試系統(tǒng)電路

其中變壓器采用工頻試驗變壓器200B4M-380 V/1 000 kV；耦合電容為工頻分壓電容（TAWF-500/ 600），限流濾波阻抗為工頻試驗保護電阻（GR500-1/6）；超聲波局部放電檢測裝置由NU40A18TR低頻諧振式傳感器（頻率范圍17～220 kHz），諧振頻率40 kHz，靈敏度峰值＞-65 dB）、超聲波放大器、信號處理器和便攜式檢測儀AIA2組成，信號檢測頻段選在20～100 kHz；超高頻局部放電檢測裝置的帶寬約為340～440 MHz，中心頻率約為400 MHz左右，靈敏度大于-80 dB，由UHF信號放大器和便攜式后臺信號處理顯示以及示波器等組成；氣體分解組份檢測裝置，利用圖2所示碳納米管傳感器，進氣口3與GIS模型中SF6壓力表計的放氣閥相連接，分別對4種缺陷下SOF2，SO2F2，CO2及CF4局部放電的特征氣體進行分析，通過阻抗分析儀進行處理顯示。GIS通管模塊外殼直徑為248 mm、長約3.5 m的通管和5個氣室構成。

2.2 放電故障缺陷模型

在GIS模型內部分別設置4種絕緣缺陷：

（1）導電桿上系1根長約為12 mm的銅絲，模擬突出物缺陷。

（2）絕緣子表面沾上直徑0.2 mm的銅絲，模擬附著物缺陷。

（3）環(huán)氧樹脂絕緣棒中設置1個長約15 mm、直徑為10 mm孔洞后再將表面封好，模擬絕緣子氣隙缺陷。

圖2 GIS中碳納米管傳感器檢測SF6分解組份裝置

（4）用數(shù)個約2×2和2×3的矩形薄鋁片，模擬微粒缺陷。

試驗開始前先將人工設置的GIS缺陷模型放置在GIS模型中，對GIS模型進行清潔、干燥、抽真空、用氮氣清洗完畢，最后充入0.6 MPa的SF6氣體，并靜置一段時間。

將超高頻傳感器固定在盆式絕緣子的法蘭上，天線正對盆式絕緣子，以獲得最大的增益，在GIS模型的各個氣室都放置1個SR-40超聲波傳感器，其中1個固定在距離故障最近的殼體上，然后關閉SF6分解組份檢測裝置放氣口10，打開GIS模型的放氣閥。試驗過程中調節(jié)試驗變壓器的升壓器緩慢調高電壓，4種缺陷在一定電壓下均發(fā)生了放電現(xiàn)象。

3 3 種檢測方法檢測圖譜分析

3.1 超聲波檢測結果及分析

超聲波裝置檢測出如圖3所示放電灰度。

（1）圖3（a）絕緣子氣隙缺陷在相位的正半周上和負半周都有放電現(xiàn)象，正半周較負半周的局部放電點總數(shù)多、相對脈沖幅值大。

（2）圖3（b）絕緣子附著污染物缺陷局部放電產生的灰度圖比較分散，電壓較低時放電不明顯，局部放電次數(shù)在相位上的分布范圍較寬，放電特點并不明顯。

圖3 各種缺陷下的局部放電灰度

通過圖譜分析可知，超聲波檢測法對自由金屬顆粒缺陷引起的PD檢測效果最明顯，對絕緣子附著污染物缺陷放電檢測并不明顯。

3.2 超高頻檢測結果及分析

超高頻局放檢測裝置檢測出如圖4所示PRPD（局部放電相位分布）指紋圖。

（1）圖4（a）氣隙缺陷中,在工頻相位的正、負半周均有稀少幅值相近的放電信號，且都在電壓峰值附近出現(xiàn)，放電次數(shù)隨電壓升高而增多。

（2）圖4（b）絕緣子表面附著物缺陷中，電壓低時在工頻相位的負半周附近出現(xiàn)稀少的放電量，電壓升高正半周出現(xiàn)放電現(xiàn)象，且幅值相對較大一些；直至臨近閃絡時放電量密集出現(xiàn)在正負半周工頻峰值附近，而且幅值和次數(shù)十分相近。

（3）圖4（c）金屬突出物缺陷中，電壓低時只有工頻負半周峰值附近有放電現(xiàn)象，升高電壓后正半周也出現(xiàn)少量放電，且幅值比負半周較大；升高電壓后正、負半周的放電次數(shù)均有所增加，且負半周放電次數(shù)較多些。

（4）圖4（d）自由金屬微粒缺陷中，放電信號在整個工頻周期內呈現(xiàn)出分散性、隨機性，放電量密集出現(xiàn)在工頻正、負半周的峰值處。

圖4 GIS 4種缺陷下的PRPD

圖5 4種典型缺陷下氣體分解組份含量

通過圖譜分析可知，超高頻檢測法中對金屬突出物缺陷引起的PD檢測效果最為明顯，對自由金屬微粒缺陷放電檢測效果最差。

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3.3 SF6分解物組份檢測結果及分析

利用圖2所示碳納米管傳感器檢測SF6分解組分裝置，對4種缺陷下SOF2，SO2F2，CO2及CF4特征氣體含量進行分析。

通過圖5典型缺陷下氣體分解組份含量圖譜分析可知，不同絕緣缺陷下的PD使SF6分解物組分及其所占比例均有所不同，如表1所示。金屬突出物缺陷產生的PD最穩(wěn)定，且放電能量大，PD下SF6產氣量大、分解速率高；自由導電微粒缺陷單次PD放電強度高，SOF2和SO2F2氣體組分含量較高；表面附著物缺陷由于PD發(fā)生時與固體絕緣材料反應，故CF4含量明顯增加；絕緣子氣隙缺陷PD強度較高，但產氣量相對較小。

表1 4種典型缺陷下氣體分解物含量

4 裝置誤報漏報原因分析

通過上述試驗，對例3的GIS故障中3種方法的檢測結果分析如下：

（1）超高頻檢測結果為絕緣子附著物故障，故障位置不具體，原因為：此方法檢測盆式絕緣子故障在正負半周都有放電現(xiàn)象，特征明顯容易判別，但是絕緣子氣隙和表面附著物缺陷的圖譜特征差異并不明顯；自由微粒缺陷故障圖譜特征最不明顯，所以沒有檢測出來。超高頻方法對視在放電量的理論研究并未完善，因此在故障定位方面還有待進一步發(fā)展。

（2）超聲波檢測結果為自由金屬顆粒放電，故障位置是TA氣室和50222氣室。原因為：此方法檢測灰度圖中4種缺陷在正負半周內均有放電現(xiàn)象，自由金屬顆粒缺陷特征最為明顯，具有良好的對稱性；絕緣子氣隙和金屬突出物缺陷圖譜特征大致相似，細微區(qū)分在于正負半周放電量大小，因此對自由顆粒缺陷識別靈敏度高，對絕緣子氣隙識別靈敏度差。TA氣室為故障氣室，故而內放電強烈、超聲波信號強，受聲波傳播途徑及相鄰50222氣室盆式絕緣子故障放電影響，50222氣室內超聲波信號也異常強烈，因此故障位置判別為TA氣室和50222氣室。

（3）由于只有在故障氣室才會產生SF6分解物組份，通過對故障氣室及鄰近氣室的SF6分解物組份檢測，發(fā)現(xiàn)TA氣室內有分解產物，所以故障定位為TA氣室。根據(jù) 4種特征氣體含量判別為自由顆粒放電故障，此檢測法對絕緣子氣隙故障靈敏度極低，故不能夠判斷出TA氣室與50222氣室之間式絕緣子發(fā)生了故障。

對例1超聲波裝置誤報以及例2超高頻裝置漏報的問題，分析原因如下：超聲波法受現(xiàn)場噪聲和振動信號干擾會產生誤報現(xiàn)象，本次誤報原因為50311 C相氣室外界振動信號干擾造成；漏報原因一般是探頭故障或者信號傳輸設備故障等因素，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)超高頻探頭故障。

由此可以得知：超聲波檢測法對自由金屬顆粒缺陷引起的PD檢測效果最明顯，對絕緣子附著污染物缺陷放電檢測并不明顯；超高頻檢測法中對金屬突出物缺陷缺陷引起的PD檢測效果最為明顯，對自由金屬微粒缺陷放電檢測效果最差；SF6分解物組份檢測法對高壓導體突出物和自由導電微粒缺陷下PD檢測效果明顯，對絕緣子氣隙缺陷放電檢測檢測效果較差，同時在線檢測裝置須滿足時效性要求，而上述試驗一般是在PD發(fā)生15 h后，SF6氣體分解物含量達到一定數(shù)量，才能夠進行PD有效識別。

因此，單一運用超聲波、超高頻、SF6分解物組份檢測這3種在線檢測方法，不能對GIS設備PD故障類型進行完全有效識別，對故障定位及檢測時效性也不能滿足在線檢測裝置的要求。

5 多傳感器信息融合檢測方法

多信息融合是將來自某一目標的多源信息加以智能合成，若其中1類傳感器裝置出現(xiàn)故障時，其它2類裝置會繼續(xù)進行檢測，避免了漏報現(xiàn)象發(fā)生。利用3種檢測法之間互補性的特點，運用信息融合的方法對3種不同類型傳感器采集數(shù)據(jù)融合決策，可以揚長避短、資源互補，彌補單一類型檢測方法辨識度方面的不足。

可以采用超聲波、超高頻和SF6分解物組份聯(lián)合在線檢測方法，其中1類在線檢測裝置出現(xiàn)故障不能進行故障檢測時，其余2類在線檢測裝置會同時繼續(xù)進行故障檢測，從而解決了在線檢測裝置漏報的問題。

聯(lián)合在線檢測方法的故障判別規(guī)則是：當3種檢測裝置都進行局部放電告警時，判別有局部放電發(fā)生；當3種檢測方法都沒有局部放電信號時，則判別為無放電現(xiàn)象；當3種檢測方法中一類或者2類有局部放電告警信號時，則通過智能決策系統(tǒng)進行分析判別。

6 結論

對500 kV某變電站PD檢測裝置誤報漏報問題展開了研究，搭建試驗平臺模擬了幾種典型絕緣缺陷故障，通過對3種方法檢測圖譜分析，得出在線檢測裝置誤報漏報的原因。3種檢測方法在故障定位和故障類型識別方面，都有各自的優(yōu)勢和不足之處且具有互補性。根據(jù)超聲波傳感器、超高頻傳感器和氣體傳感器能夠接收現(xiàn)場不同類型局部放電信號這一特點，提出基于3種不同類型傳感器信息融合的在線檢測方法，可解決目前GIS在線監(jiān)測裝置存在的問題。

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（本文編輯：楊 勇）

Application Comparison of Partial Discharge Detection Methods for 500 kV GIS

TANG Huizeng

（Maintenance Company of State Grid Henan Electric Power Corporation，Zhengzhou 450007，China)

This paper analyses the principle and features of three on-line detecting methods of ultrasonic，ultrahigh frequency，SF6discharge breakdown products.A test platform is built and four internal insulation faults of GIS are simulated for detection through the three ways and analysis via spectrogram.The reason why the on-line detecting device misreports or fails to report on a 500 kV substation partial discharge is detected. Finally，based on the feature that the ultrasound sensor，ultrahigh frequency sensor and gas sensor（SF6discharge breakdown product detection）can receive different types of field partial discharge signals，an on-line detecting method that combines information from the three different types of sensors is proposed to solve the problems existing in current GIS online partial discharge monitoring device.

GIS partial discharge；ultrasonic wave；ultrahigh frequency；SF6breakdown product component

TM855+.1

B

1007-1881（2016）08-0007-06

2016-04-12

湯會增（1982），男，工程師，從事電力設備在線檢測技術研究和超特高壓變電運維檢修工作。