GIS特高频局部放电检测与诊断技术的研究进展

邵先军， 何文林，李 晨， 徐 华， 詹江杨

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；2.国网浙江省电力公司，杭州 310008）

GIS特高频局部放电检测与诊断技术的研究进展

邵先军1， 何文林1，李 晨1， 徐 华2， 詹江杨1

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；2.国网浙江省电力公司，杭州 310008）

UHF法作为一种抗干扰性能佳、灵敏度高、易识别缺陷类型以及可实现放电源定位的局部放电检测方法，在GIS绝缘缺陷和故障诊断中有着良好的应用前景。通过介绍近年来GIS局部放电电流特性、UHF信号传播特性、UHF传感器设计与测试、诊断与评估技术等方面的重要研究成果，讨论了UHF检测盲区、幅值量化标定、危险度评估等目前在研究和实践中存在的问题，提出了今后GIS UHF技术的研究与应用发展方向。

GIS；局部放电；特高频法；绝缘诊断

0 引言

局部放电是一种在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电而尚未整体击穿的现象，其最早发现可追溯到1777年Lichtenberg发表的实验论文。近年来，随着设备小型化和高电压化，绝缘系统承受的工作场强愈来愈高，为了在第一时间发现可能存在的绝缘缺陷，保证设备安全可靠运行，对设备局部放电（以下简称局放）的检测与分析已逐渐成为电力部门和制造厂商最为关注的问题之一。

GIS（气体绝缘组合电器）因其突出优势近年来被广泛应用于电力系统中，在输变电系统中占据着重要的地位。基于GIS局放过程表现出的多种物理化学现象，自20世纪60年代以来，国内外科研机构、运行部门和生产厂家提出了多种GIS局放检测方法，如脉冲电流法、超声波法[1]、SF6成分分析法[2]和UHF（特高频）法[3]等。相比其他几种方法，通过检测SF6局放电流脉冲所辐射的吉赫兹频段电磁波信号，UHF法作为一种抗干扰性能佳、灵敏度高、易识别缺陷类型以及可实现放电源定位的局放检测方法，已逐渐得到国内外学者的认可。

1 GIS局放的UHF放电特性

1.1 局放缺陷类型

运行经验表明，由于GIS需要现场组装，导致安全隐患的因素较多，装配工艺、制造材料、运输、运行老化等问题造成GIS内部常常存在多种或多个缺陷，较常见的有高压导体或壳体内部的固定突起、自由金属微粒、浮动电位电极、绝缘子内部缺陷和绝缘表面微粒等。根据CIGRE（国际大电网会议）相关工作组的统计，绝缘故障占GIS故障的50%以上[4]。德国第一大电力公司莱茵能源集团统计了123 kV和420 kV GIS的绝缘故障原因，如图1所示[6]。在123 kV GIS中，绝缘表面及绝缘内部缺陷引起的故障达61%；在420 kV中，因壳体、高压导体、盆式绝缘子表面的自由或固定颗粒引起的绝缘故障占据一半以上，此外因隔离/接地开关的绝缘配合缺陷引起的故障占29%。

图1 123 kV和420 kV GIS的绝缘故障原因统计[5]

文献[6]对GIS中自由颗粒、金属尖端、盆式绝缘子表面颗粒等缺陷在不同电压形式下击穿特性开展了研究，发现金属尖端和盆式绝缘子表面颗粒对雷电冲击电压最为灵敏，对50 Hz交流电压最不灵敏，认为主要是由于交流电压下电晕放电的空间电荷稳定性引起；自由颗粒则恰好相反。该研究有助于放电击穿原因及现场交接试验方法有效性的分析。

1.2 SF6中的局放电流

因UHF法基于接收SF6局放的窄脉冲所辐射的电磁波信号，因此UHF信号能量受SF6中局放电流波形变化程度的影响很大。日本学者Okubo搭建了PD-CPWA系统，即局放电流脉冲波形分析系统（20 GS/s，4 GHz），研究了不同SF6气压、SF6与N2混合气体下的局放电流波形，发现SF6中针板局放电流的上升沿和下降沿时间分别为0.5 ns和3 ns[7]。M.D.Judd研究组[8]同样采用超宽频带测试系统（13 GHz，40 GS/s）研究了SF6中针板局放电流波形，发现正脉冲上升沿时间在35～718 ps变化，最小上升沿时间为24 ps，此外在负电晕局放中发现存在多次放电脉冲的叠加波脉冲，如图2所示。

图2 典型SF6局放电流脉冲

2 UHF信号传播特性

2.1 GIS内部UHF信号

GIS最基本的结构为同轴结构，可视为电磁波同轴波导系统，但不同电压等级、结构尺寸下GIS的电磁波波导模式各有不同。因此，在研究GIS内部UHF信号传播特性一级开发设计UHF传感器时，有必要先清楚其所用GIS的主要波导模式的频率段，从而获得较高的检测灵敏度。

M.D.Judd采用并矢格林函数对GIS同轴电磁波导模式进行了计算，并与理论估算的波导模式截止频率进行了比较，在GIS UHF电磁波仿真上作出了开拓性的研究工作[9]。其研究结果表明，GIS中UHF信号是以TEM（横电磁波）和TE（横电波）、TM（横磁波）形式传播的，高次模波的截止频率取决于GIS的结构尺寸。

此后，日本学者 Okabe采用 HFSS软件对GIS中电磁波导模式进行了仿真计算，发现在L和T型GIS中TE11至TE21的模式转换过程，并得到了实验的验证[10，11]。 国内学者[12，13]应用FDTD计算方法也对GIS开展了波导模式的仿真研究，并计算了各波导模式的电磁波波形，如图3所示。

图3 GIS波导各主要模式分布及相应截止频率

GIS组件中存在多种结构（L型、T型）及部件（断路器、隔离开关，TA，TV，盆式绝缘子），UHF电磁波在GIS中的传播过程复杂，时域与频域特性多变，给UHF传感器选型及布置、放电强度检测带来极大的困难。为了明确GIS内部电磁波传播特性，更有效检测UHF局放信号，文献[9，14-16]采用FDTD仿真与实验的方法系统地研究了不同结构、部件、局放脉冲源位置及脉冲上升沿等参量对GIS内部UHF信号传播特性的影响，分析了GIS典型结构对电磁波传播的衰减作用。研究结果表明，GIS内部UHF信号径向分量的电场强度峰值和电场能量均远大于轴向及法向分量，其径向分量主要由TEM波和TE11波构成。经过盆式绝缘子、L型、T型等结构部件后的UHF信号分别衰减约5 dB，8 dB和7 dB。

2.2 GIS盆式绝缘子泄漏UHF信号

GIS内部因局部放电产生的UHF信号还可在盆式绝缘子等非金属屏蔽部位泄漏出来，因此有不少研究者对泄漏UHF信号特性开展了一系列的研究。实际上，GIS盆式绝缘子处与金属螺栓间形成了类似于波导缝隙天线的结构，因此，其泄漏电磁波的谐振频率可通过缝隙天线的理论分析得到，若缝隙的长宽分别为a和b，谐振频率可根据下式计算：

式中：εr为盆式绝缘子相对介电常数；c为光速；m和n为整数。

基于等效电路仿真模型，文献[17]对盆式绝缘子泄漏电磁波的频率响应特性开展了仿真与实测。但基于等效电路参数的仿真，只适合在低频段下，对于UHF频段的波信号模拟尚不完善。

文献[18]利用CST软件仿真计算了非金属屏蔽式盆式绝缘子的泄漏特性，建立了直筒型泄漏特性仿真模型，仿真得到参数S。图4（a）给出了固定盆式绝缘子的螺栓数目为12时仿真得到的参数S，可以看出电磁波泄漏存在363 MHz，681 MHz及999 MHz 3个谐振频率点。根据式（1）和（2）计算得到的前3个谐振频率点分别为364.3 MHz，728.7 MHz和1 093 MHz，与仿真结果接近。图4（b）给出了不同金属螺栓数目对泄漏电磁波谐振频率的影响，可知，谐振频率随螺栓数目增多而明显增加，这说明针对不同GIS盆式绝缘子结构有针对性地选择传感器是十分必要的。

图4 敞开式盆式绝缘子电磁波泄漏参数S

文献[19]仿真分析了金属屏蔽式盆式绝缘子浇筑孔处的泄漏UHF信号，发现沿轴向的UHF电场分量幅值最大，这与波导缝隙天线的E面是一致的。文献[20]利用设置波导馈源计算了不同长度下矩形浇筑口的UHF信号透射系数（如图5所示），发现随着长度的增加，最大透射系数的频率点逐渐下降，且整体透射系数逐渐增大，与相同尺寸的偶极子天线行波系数的仿真分析的规律是一致的。

图5 不同长度下矩形浇筑口处UHF信号透射系数

3 UHF传感器

UHF传感器用于耦合GIS内部局部放电在UHF频段范围内所激发出的电磁波信号、并将其转换为电压信号，因此UHF传感器是GIS UHF局部放电检测系统的关键，直接决定了检测系统的灵敏度。GIS UHF传感器按照安装方式可划分为内置式、介质窗口式、外置式和绝缘子环形传感器[21]。

3.1 内置式传感器

内置传感器中常用的是圆板式、锥形传感器和平面等角螺旋传感器，其结构如图6所示。早期的内置传感器金属电极并不直接接地，而是通过同轴引出线处加装三通接头来间接接地，因此当三通接头接触不良或漏装时，其同轴引出线存在数百伏特的感应电压，对人员和仪器存在安全风险。目前开发设计的内置传感器已在内部直接接地，使用安全性较高。

圆板传感器频率响应曲线在特高频段较为优异；一般来说，局部放电信号频率越高，圆板传感器的增益越大，即圆板天线接收的信号频率越高，因此该内置式天线应用广泛。圆板的直径越大，灵敏度越高，灵敏度随介电常数的增加先增大后减小。

锥形传感器与平板传感器结构类似，在大部分的频率范围内，锥形天线的灵敏度高于圆板形天线，尤其是最大灵敏度，锥形的远远高于圆板天线[22]。

平面等角螺旋天线由4条具有相同螺旋率的等角螺旋线组成，为自相似结构的天线。平面等角螺旋线在其两端都是可以无限延伸的，可以满足宽频带天线的条件。所以在一定频率范围内可以近似认为其具有非频变天线的特性，这是平面等角螺旋天线的最大优点。一般来说，等角螺旋天线半径越大，工作频率越低，灵敏度越高。

图6 常见内置式传感器结构示意

3.2 外置式传感器

外置式传感器主要基于微带贴片天线，由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线组成，其最大辐射方向在平面的法线方向[23]。具有体积小，重量轻，易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作的优点。图7所示为常见的外置式传感器领结型结构，其张角越大，阻抗越小，输入阻抗的变化越为平稳，天线的工作频带也就变宽；而领结越大，下限截止频率越低。

图7 常见外置式传感器结构示意

3.3 绝缘子环形传感器

一般来说，GIS盆式绝缘子靠近法兰的边缘内部通常装有绕整个盆子一圈的均压屏蔽环或称为均压弹簧，用以消除法兰和盆式绝缘子交接处可能存在的缝隙，起到均匀电场的作用，这在盆式绝缘子浇注过程中就已内嵌。针对某些厂家全金属屏蔽式盆式绝缘子且不预留浇筑孔而无法开展UHF检测的情形，文献[5]提出利用该均匀屏蔽环来充当UHF天线，具有较高的检测灵敏度。

典型的盆式绝缘子均匀屏蔽环结构如图8所示，可见均压屏蔽环与法兰通过多个接地螺栓接触连接，如图中的A，B，C点所示。因此只需拧开其中1个接地螺栓，此时均压屏蔽环已成为1个环形天线，保持其他几个接地螺栓状态不变，整个均压屏蔽环仍处于接地状态，对GIS运行无任何影响。而将某个已拧开接地螺栓处的UHF信号引出即可用于检测GIS局部放电。

图8 均压屏蔽环结构

文献[13]利用FDTD仿真计算了不同A，B，C接口的均压屏蔽环的频率响应特性，发现在3 GHz频率范围内，均压屏蔽环天线的共振频率点较为丰富，适于作为UHF宽带天线来使用。

3.4 传感器灵敏度表征与测试

一般来说，GIS UHF传感器采用平均有效高度He（f）表征其检测局部放电信号的能力，为UHF局部放电传感器将局部放电辐射的电磁波能量 Ei（f）转换为电压信号 U0（f）的能力，量纲为mm，计算公式见式（3）：

UHF传感器有效高度的测量可通过GTEM小室测量，其测量装置组成和原理如图9和图10所示[24，25]。通过标准脉冲源向GTEM小室内注入标定信号，在GTEM小室内建立脉冲电磁场。设E（t）为GTEM小室内被测天线所在位置处的电场，u（t）为天线输出的电压信号。天线的作用是将入射电场转换为电压信号输出，根据入射电场和输出电压的关系，即可得到天线的传递函数H（f），量纲为mm，称为有效高度。

图9 GTEM组成

图10 有效高度测量原理

由于GTEM存在一定的标定不确定性以及价格较高等缺点，文献[26]提出了利用单极锥天线和金属接地板组成的UHF传感器标定系统，如图11所示。其测试结果表明，锥形标定系统的重复性较高，适合于多种UHF传感器结构的标定。但该种标定系统的占地面积较大（4 m×4 m），目前国内尚未开展相关研究与应用。

图11 圆锥标定系统

4 诊断与评估技术

4.1 模式识别技术

为了判断检测得到的GIS UHF信号所表征的缺陷类型，不少研究者应用模式识别技术对缺陷类型开展了分析与研究。目前对放电模式的识别一般是在提取信号的特征量以后，运用神经网络、模糊逻辑和概率分析等方法进行模式归类或与已有的指纹图库进行比较来识别放电的类型。因此信号的特征提取是模式识别的关键。

目前广泛用于放电模式识别的是信号的相域特征和时域特征[22]。相域特征提取即由脉冲电流法测得的视在放电量、放电出现的相位、放电次数所组成的两维或三维谱图，以及由此导出的均值、均方值、不对称度、互相关系数、偏斜度、峰度等统计特征量，目前现场带电检测主要应用该方法。时域特征提取是从测得的单个放电脉冲的波形中提取如脉冲的峰值、上升沿、下降沿、脉宽等与形状有关的参数，以及通过傅立叶变换、小波变换、时频分析等信号处理方法提取变换系数作为特征量。

目前常用的模式识别算法流程为首先利用实验室中不同局部放电类型的样本数据作为训练数据进行模型学习，通过调整算法中的参数建立数据特征与放电类型之间的映射关系，该过程称为模式识别算法的学习过程。实际应用时以待识别的数据作为输入，利用神经网络[27]、支持向量机[28]、仿生模式识别[29]等方法对放电类型进行识别，然后输出放电类型。

4.2 多源分离技术

GIS内部有时会存在多个绝缘缺陷或干扰信号，形成多个局放源和干扰信号混合的缺陷图谱，为了提取有用的局放信号信息，不少研究者开展了多源局放分离技术研究。M.Cacciari，A. Contin等首次提出了多局放源下的缺陷识别问题，并采用混合Weibull分布拟合H（q）谱图以提取特征参量，应用于多局放源的缺陷类型识别[30]。之后许多学者开展了局放信号特征参量提取的研究工作，包括脉冲波形比较、快速傅里叶变换及时频分析技术等。采用快速傅里叶变换的方法以不同局放源脉冲信号的频谱分布存在差异为基础，除上述等效时长—等效频宽参量外，一些学者将信号频谱分段，提取了能量比值参量（各频率段能量与信号总能量比值），但这种方法中选取的分段频率对最终分离效果影响很大；时频分析技术包括小波分解[31]、S变换[32]及数学形态学[33]等，L.Hao，P.L.Lewin，Chan J C及汪可等人就是利用不同的时频分析方法提取了分离特征参量。国内华北电力大学[34]、西安交通大学[35]及重庆大学[36]等相关课题组均采用等效时频参量和模糊聚类等方法对不同局放源的信号进行了聚类分析，实现了油纸绝缘混合缺陷及GIS等在交直流不同外施电压形式下的脉冲电流信号分离。

5 存在问题与展望

近年来，随着国内外学者研究工作的不断深入和推进，在现场实际应用中也发现了众多GIS绝缘缺陷，避免了事故的发生，但仍存在以下几点问题值得进一步研究。

（1）检测盲区。对于盆式绝缘子沿面放电缺陷的检出灵敏度不高。这是因为盆式绝缘子沿面放电脉冲的前沿相比其他类型的放电要缓，其所激发的UHF信号也相对较弱，在实验室盆式绝缘子沿面缺陷模拟中曾发现，盆式绝缘子突然击穿而UHF事先却无任何信号，这与现场发生多起盆式绝缘子沿面闪络而UHF在线监测装置无异常信号的情形是吻合的。

（2）UHF幅值无法量化标定。GIS UHF法受缺陷类型、局放源电流脉冲、传播路径、传感器接收性能等影响，无法实现类似于脉冲电流法的量化标定，因此也就无法凭借UHF信号幅值来判断局放缺陷的发展程度，难以准确评估GIS的状态。

（3）GIS危险度评估。目前GIS局放危险度评估最具代表性的为CIGRE WG D1.03工作组于2013年提出的基于缺陷位置、外加电压的波形和水平、放电持续时间及缺陷类型4个因素所开展的缺陷击穿概率评估流程[37]。但该项工作尚处于起步阶段，仍需大量的现场实践与应用来补充完善GIS危险度评估技术，为选择评估参量和设定阈值提供参考，研究融合多种信息参量的GIS局部放电危险度评估技术。

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（本文编辑：徐 晗）

Research Progress of UHF Partial Discharge Detection and Diagnosis in GIS

SHAO Xianjun1，HE Wenlin1，LI Chen1，XU Hua2，ZHAN Jiangyang1

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310008，China）

As a partial discharge（PD）detection method，the ultra-high frequency（UHF）detection method has been widely accepted due to its good anti-interfere performance，high sensitivity，capability of defect type recognition and PD source location.By introducing PD current characteristics of GIS，UHF signal transmission characteristics，UHF sensor design，test，diagnosis and detection technologies，the paper expounds their key research achievements in recent years and discusses problems in ongoing dead zone of UHF detection，amplitude quantization and calibration as well as risk level evaluation；moreover，it presents the research and application direction of UHF detection technology of GIS.

GIS；partial discharge；UHF method；insulation diagnosis

TM835.4

A

1007-1881（2016）10-0007-08

2016-03-28

邵先军（1983），男，工程师，从事电力系统开关专业技术工作。