几种500 kV GIS局部放电检测方法的应用比较

汤会增

（国网河南省电力公司检修公司，郑州 450007）

几种500 kV GIS局部放电检测方法的应用比较

汤会增

（国网河南省电力公司检修公司，郑州 450007）

分析了超声波、超高频以及SF6气体分解物组份分析3种在线检测方法的原理及特点。搭建了GIS局放检测模拟试验平台，模拟设置4种GIS内部绝缘缺陷，运用这3种检测方法进行检测并对检测频谱图分析，得出500 kV某变电站局放在线检测装置误报漏报的原因。利用超声波传感器、超高频传感器和气体传感器（SF6气体分解物组份检测）能够接收现场不同类型局部放电信号这一特点，提出基于3种不同类型传感器信息融合的在线检测方法，以解决GIS局放在线监测装置存在的问题。

GIS局部放电；超声波；超高频；SF6气体分解物组份

0 引言

GIS（气体绝缘组合电器）是将断路器、隔离开关、接地开关、母线等多种设备全部封闭在充满SF6气体(作为绝缘和灭弧介质)金属外壳中的组合式开关电器[1]，500 kV GIS是超特高压输变电工程中的关键设备，一旦出现故障，将可能造成电网重大事故发生。

绝缘降低是GIS设备故障的主要原因，对GIS进行PD（在线局部放电）检测可有效掌握GIS内部绝缘状况，预防GIS故障跳闸造成电网事故。GIS局部放电会产生声波和电磁信号，跳动粒子和局部放电为2个声波发射源，在腔体外壁中传播的声波除纵波外还有横波，超声波检测法通过超声波探头检测PD产生的超声波及振动信号来检测PD信号[2]，UHF（超高频法）通过天线接收PD产生的300～3 000 MHz频段UHF电磁波信号来检测PD信号[3]。由于不同绝缘缺陷引起的PD会产生不同的分解气体，SF6分解物检测法通过检测GIS内部SF6气体分解生成的各种特征气体含量，来判断是否有PD信号[4]。

这3种方法是GIS局部放电检测较为有效的方法。目前超声波、超高频2种检测方法工程应用较为普遍，技术也比较成熟，但工程应用中也存在一些问题，而SF6气体分解物组份检测法是正在兴起且发展趋势良好的在线检测方法[5]。

1 在线检测装置应用现状

500 kV某高压变电站站内共有3组（约75个气室）500 kV GIS设备，共装设2套不同原理的PD在线检测装置，分别是在第1组GIS设备上的超高频在检测装置和在第2、第3组GIS设备上的超声波在检测装置。2套装置投运以来发生过多次误报漏报现象，对运维人员掌握GIS设备运行工况造成错误判断，严重影响了电网的安全运行。

例1：某日超声波装置显示500 kV 50311隔接气室C相放电量为64PC，脉冲个数为98，超过警戒值。采用DMS便携式超高频检测仪、频谱分析、UE Ultra 9000超声波检测仪等多种仪器，对50311 C相气室进行了现场检测，同时采用Techimp高频电流法对50311 C相仓室两侧的2个接地点进行测试，均发现内部存在PD信号。仅发现50311 C相气室存在微弱的超声波信号，经分析为振动引起的轻微异常信号，超声波在线检测装置误报故障信号。

例2：某日500 kV 1号主变压器电气量保护动作，主变压器失电。现场检查发现5011断路器B相盆式绝缘子破裂闪络放电，而装设在5011间隔的超高频在线监测装置，无论在故障发生前还是发生后，均未进行任何告警。

例3：某日500 kV 50222气室与TA气室之间的盆式绝缘子故障，原因为绝缘子内部存在气泡，且气室内存在金属自由颗粒放电。此次故障中，超高频在线检测装置及时报告出故障，查看报告显示为盆式绝缘子附着物故障，故障位置判别不明确，在50222气室及其两侧3个气室均报放电；应用超声波UE Ultra 9000检测仪进行在线测试，判别故障类型为自由金属颗粒放电，同样为3个气室均存在放电现象，而且判别故障位置在TA气室所占比例较大。通过对3个气室进行SF6分解物组份测试，发现TA气室有分解物产生，判别为气室自由颗粒故障。通过对3种方法综合分析，最终判断为TA气室与50222气室之间的盆式绝缘子故障，并且气室内有自由颗粒放电。本次故障虽然超声波和超高频2种检测装置都报出了放电信号，但其对故障定位和类型识别并不十分准确，没有达到高压设备在线检测装置的要求。

2 模拟试验

2.1 模拟试验设备

搭建GIS高压试验系统平台查找500 kV GIS设备PD在线检测装置误报漏报原因。高压试验系统由1套工频耐压及常规局部放电检测系统、1台便携式超声波局部放电检测仪、1套超高频局部放电检测装置、1套SF6分解组份检测装置以及实际500 kV GIS产品的通管模型构成，如图1所示。

图1 试验模型及测试系统电路

其中变压器采用工频试验变压器200B4M-380 V/1 000 kV；耦合电容为工频分压电容（TAWF-500/ 600），限流滤波阻抗为工频试验保护电阻（GR500-1/6）；超声波局部放电检测装置由NU40A18TR低频谐振式传感器（频率范围17～220 kHz），谐振频率40 kHz，灵敏度峰值＞-65 dB）、超声波放大器、信号处理器和便携式检测仪AIA2组成，信号检测频段选在20～100 kHz；超高频局部放电检测装置的带宽约为340～440 MHz，中心频率约为400 MHz左右，灵敏度大于-80 dB，由UHF信号放大器和便携式后台信号处理显示以及示波器等组成；气体分解组份检测装置，利用图2所示碳纳米管传感器，进气口3与GIS模型中SF6压力表计的放气阀相连接，分别对4种缺陷下SOF2，SO2F2，CO2及CF4局部放电的特征气体进行分析，通过阻抗分析仪进行处理显示。GIS通管模块外壳直径为248 mm、长约3.5 m的通管和5个气室构成。

2.2 放电故障缺陷模型

在GIS模型内部分别设置4种绝缘缺陷：

（1）导电杆上系1根长约为12 mm的铜丝，模拟突出物缺陷。

（2）绝缘子表面沾上直径0.2 mm的铜丝，模拟附着物缺陷。

（3）环氧树脂绝缘棒中设置1个长约15 mm、直径为10 mm孔洞后再将表面封好，模拟绝缘子气隙缺陷。

图2 GIS中碳纳米管传感器检测SF6分解组份装置

（4）用数个约2×2和2×3的矩形薄铝片，模拟微粒缺陷。

试验开始前先将人工设置的GIS缺陷模型放置在GIS模型中，对GIS模型进行清洁、干燥、抽真空、用氮气清洗完毕，最后充入0.6 MPa的SF6气体，并静置一段时间。

将超高频传感器固定在盆式绝缘子的法兰上，天线正对盆式绝缘子，以获得最大的增益，在GIS模型的各个气室都放置1个SR-40超声波传感器，其中1个固定在距离故障最近的壳体上，然后关闭SF6分解组份检测装置放气口10，打开GIS模型的放气阀。试验过程中调节试验变压器的升压器缓慢调高电压，4种缺陷在一定电压下均发生了放电现象。

3 3 种检测方法检测图谱分析

3.1 超声波检测结果及分析

超声波装置检测出如图3所示放电灰度。

（1）图3（a）绝缘子气隙缺陷在相位的正半周上和负半周都有放电现象，正半周较负半周的局部放电点总数多、相对脉冲幅值大。

（2）图3（b）绝缘子附着污染物缺陷局部放电产生的灰度图比较分散，电压较低时放电不明显，局部放电次数在相位上的分布范围较宽，放电特点并不明显。

图3 各种缺陷下的局部放电灰度

通过图谱分析可知，超声波检测法对自由金属颗粒缺陷引起的PD检测效果最明显，对绝缘子附着污染物缺陷放电检测并不明显。

3.2 超高频检测结果及分析

超高频局放检测装置检测出如图4所示PRPD（局部放电相位分布）指纹图。

（1）图4（a）气隙缺陷中,在工频相位的正、负半周均有稀少幅值相近的放电信号，且都在电压峰值附近出现，放电次数随电压升高而增多。

（2）图4（b）绝缘子表面附着物缺陷中，电压低时在工频相位的负半周附近出现稀少的放电量，电压升高正半周出现放电现象，且幅值相对较大一些；直至临近闪络时放电量密集出现在正负半周工频峰值附近，而且幅值和次数十分相近。

（3）图4（c）金属突出物缺陷中，电压低时只有工频负半周峰值附近有放电现象，升高电压后正半周也出现少量放电，且幅值比负半周较大；升高电压后正、负半周的放电次数均有所增加，且负半周放电次数较多些。

（4）图4（d）自由金属微粒缺陷中，放电信号在整个工频周期内呈现出分散性、随机性，放电量密集出现在工频正、负半周的峰值处。

图4 GIS 4种缺陷下的PRPD

图5 4种典型缺陷下气体分解组份含量

通过图谱分析可知，超高频检测法中对金属突出物缺陷引起的PD检测效果最为明显，对自由金属微粒缺陷放电检测效果最差。

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3.3 SF6分解物组份检测结果及分析

利用图2所示碳纳米管传感器检测SF6分解组分装置，对4种缺陷下SOF2，SO2F2，CO2及CF4特征气体含量进行分析。

通过图5典型缺陷下气体分解组份含量图谱分析可知，不同绝缘缺陷下的PD使SF6分解物组分及其所占比例均有所不同，如表1所示。金属突出物缺陷产生的PD最稳定，且放电能量大，PD下SF6产气量大、分解速率高；自由导电微粒缺陷单次PD放电强度高，SOF2和SO2F2气体组分含量较高；表面附着物缺陷由于PD发生时与固体绝缘材料反应，故CF4含量明显增加；绝缘子气隙缺陷PD强度较高，但产气量相对较小。

表1 4种典型缺陷下气体分解物含量

4 装置误报漏报原因分析

通过上述试验，对例3的GIS故障中3种方法的检测结果分析如下：

（1）超高频检测结果为绝缘子附着物故障，故障位置不具体，原因为：此方法检测盆式绝缘子故障在正负半周都有放电现象，特征明显容易判别，但是绝缘子气隙和表面附着物缺陷的图谱特征差异并不明显；自由微粒缺陷故障图谱特征最不明显，所以没有检测出来。超高频方法对视在放电量的理论研究并未完善，因此在故障定位方面还有待进一步发展。

（2）超声波检测结果为自由金属颗粒放电，故障位置是TA气室和50222气室。原因为：此方法检测灰度图中4种缺陷在正负半周内均有放电现象，自由金属颗粒缺陷特征最为明显，具有良好的对称性；绝缘子气隙和金属突出物缺陷图谱特征大致相似，细微区分在于正负半周放电量大小，因此对自由颗粒缺陷识别灵敏度高，对绝缘子气隙识别灵敏度差。TA气室为故障气室，故而内放电强烈、超声波信号强，受声波传播途径及相邻50222气室盆式绝缘子故障放电影响，50222气室内超声波信号也异常强烈，因此故障位置判别为TA气室和50222气室。

（3）由于只有在故障气室才会产生SF6分解物组份，通过对故障气室及邻近气室的SF6分解物组份检测，发现TA气室内有分解产物，所以故障定位为TA气室。根据 4种特征气体含量判别为自由颗粒放电故障，此检测法对绝缘子气隙故障灵敏度极低，故不能够判断出TA气室与50222气室之间式绝缘子发生了故障。

对例1超声波装置误报以及例2超高频装置漏报的问题，分析原因如下：超声波法受现场噪声和振动信号干扰会产生误报现象，本次误报原因为50311 C相气室外界振动信号干扰造成；漏报原因一般是探头故障或者信号传输设备故障等因素，现场检查发现超高频探头故障。

由此可以得知：超声波检测法对自由金属颗粒缺陷引起的PD检测效果最明显，对绝缘子附着污染物缺陷放电检测并不明显；超高频检测法中对金属突出物缺陷缺陷引起的PD检测效果最为明显，对自由金属微粒缺陷放电检测效果最差；SF6分解物组份检测法对高压导体突出物和自由导电微粒缺陷下PD检测效果明显，对绝缘子气隙缺陷放电检测检测效果较差，同时在线检测装置须满足时效性要求，而上述试验一般是在PD发生15 h后，SF6气体分解物含量达到一定数量，才能够进行PD有效识别。

因此，单一运用超声波、超高频、SF6分解物组份检测这3种在线检测方法，不能对GIS设备PD故障类型进行完全有效识别，对故障定位及检测时效性也不能满足在线检测装置的要求。

5 多传感器信息融合检测方法

多信息融合是将来自某一目标的多源信息加以智能合成，若其中1类传感器装置出现故障时，其它2类装置会继续进行检测，避免了漏报现象发生。利用3种检测法之间互补性的特点，运用信息融合的方法对3种不同类型传感器采集数据融合决策，可以扬长避短、资源互补，弥补单一类型检测方法辨识度方面的不足。

可以采用超声波、超高频和SF6分解物组份联合在线检测方法，其中1类在线检测装置出现故障不能进行故障检测时，其余2类在线检测装置会同时继续进行故障检测，从而解决了在线检测装置漏报的问题。

联合在线检测方法的故障判别规则是：当3种检测装置都进行局部放电告警时，判别有局部放电发生；当3种检测方法都没有局部放电信号时，则判别为无放电现象；当3种检测方法中一类或者2类有局部放电告警信号时，则通过智能决策系统进行分析判别。

6 结论

对500 kV某变电站PD检测装置误报漏报问题展开了研究，搭建试验平台模拟了几种典型绝缘缺陷故障，通过对3种方法检测图谱分析，得出在线检测装置误报漏报的原因。3种检测方法在故障定位和故障类型识别方面，都有各自的优势和不足之处且具有互补性。根据超声波传感器、超高频传感器和气体传感器能够接收现场不同类型局部放电信号这一特点，提出基于3种不同类型传感器信息融合的在线检测方法，可解决目前GIS在线监测装置存在的问题。

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（本文编辑：杨 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

汤会增（1982），男，工程师，从事电力设备在线检测技术研究和超特高压变电运维检修工作。