GIS 与容性设备带电检测与停电试验对比分析研究

刘潇

（国网天津市电力公司检修公司，天津300232）

1 研究的目的和意义

本项目以超声波、超高频局部放电检测技术为手段，研究组合电器和容性设备的局部放电抗干扰技术、典型绝缘缺陷的局部放电发展过程及放电机理，寻求能够表征不同放电故障类型局部放电发展过程及危险程度的局部放电特征参量，并针对典型绝缘缺陷建立变电设备带电检测和停电试验2 种情况下的相位图谱库，将二者进行比较。同时，针对2 种测试情况下各参数测试结果的相关性进行研究，提出可行性替代方案，为GIS 与容性设备故障诊断提供快速准确的测试方法。

2 国内外研究水平现状

2.1 国外研究机构对本项目的研究情况

国际上很多著名公司和科研机构，如英国DMS，德国的西门子公司，瑞士的ABB 公司和荷兰的KEMA 实验室等都已经竞相研制并推出局部放电监测系统。瑞士某大学曾开发过一种同时支持宽带和窄带多通道、实时响应的组合电器局部放电检测装置。该装置能够实现对放电源的定位和测量，但是精度不够，需要进一步改进。对于局部放电数据的分析，意大利Techimp 的PDProcessing II 软件能够绘制多种放电图谱，并且可以给出一个初步的故障诊断结果，但由于理论性比较突出，现场实际应用性不强[1]。

2.2 国内其他研究单位对本项目的研究情况

国内某些从事电力设备局部放电试验研究的科研院所以及一些知名高校，如中国电科院、华北电力大学、天津大学等都相继研发出自己的成果。不仅在局部放电理论研究上取得了突破，还对改进相关传感器等设备的研制取得了成果。例如，清华大学曾研制出基于超高频法的局部放电检测仪，该设备能够实现故障源的定位，但是对于信号的分析处理有待加强。

3 项目的理论和实践依据

3.1 项目研究内容的原理简述

局部放电的原理是由于绝缘介质内部存在气泡、水分等杂质，在电场作用下导致各部分承受电场强度不一致，使某些区域的场强达到了击穿强度，从而发生放电，其他部分仍然保持绝缘状态。局部放电发生后，放电粒子会破坏绝缘介质的内部结构，使其发热分解逐步失效。同时，放电发生后会使绝缘油分解，降低其绝缘性能。

3.2 项目研究内容的理论依据

通过对国内外变电设备绝缘缺陷带电检测以及模式识别方法的调研，提出建立以超声波和超高频局部放电检测为主体的多参数GIS 和容性设备绝缘缺陷局部放电检测系统。通过大量的试验研究规范各系统使用的硬件设施、软件平台和评价阈值，为运行单位提供可供参考的带电检测技术导则[2]。

3.2.1 超声波检测法

超声波检测法是利用声学技术检测局部放电的一种现场试验方法。该技术利用压电晶体作为传感器，可以捕获60～300kHz 的放电频率。当前，超声波检测技术广泛应用于GIS、开关柜等一次设备的局放检测中，并取得了良好的效果。

3.2.2 高频电流检测法

高频电流检测法采用Rogowski 线圈高频电流传感器，局部放电产生的高频电流会以电磁波的形式向周围传播能量，此时，Rogowski 线圈传感器利用电磁耦合原理来获取放电信号。其原理如图1 所示。

图1 高频电流检测法原理图

图1 中，M为电流传感器的互感；C0、R0分别为线圈取样阻抗；Ls为线圈的自感；Rs为线圈等效电阻；Cs为线圈杂散电容；r1为线圈内径；r2为线圈外径；s为界面厚度；h为截面高度；D1为线圈内直径；D2为线圈外直径；i（t）为传感器绕线流过电流；i1（t）为被测电流；U0（t）为终端电阻的端电压；Ui（t）为罗氏线圈感应电动势。实践表明，该线圈可以在10kHz～40MHz 频带内捕获放电信号，同时具有较高的灵敏度。高频电流检测法传感器正是利用罗氏线圈的原理，目前开发为内置式和外置式2 种传感器。

3.2.3 超高频检测法

超高频检测法是20 世纪发展起来的一种较为实用的局部放电检测方法。该技术通过利用耦合器和传感器获取设备内部发出的局部放电信号，通常频带可达到300～1 500MHz。由于GIS 设备内部相当于一个同轴波导，所以，便于电磁波的顺利传播，利用超高频检测技术的高灵敏度和抗干扰的特点，可以将局部放电源精确定位。目前，该技术已在电力系统内广泛应用，并取得了良好的效果。

3.3 项目研究的关键和难点

项目研究的关键和难点包括：（1）超声波传感器的响应值与局部放电量的关系；超声波信号在典型结构类型的电缆终端或接头中衰减情况；（2）建立传感器系统最优的生产、安装及运行标准是实现局放准确测量的前提；（3）在组合电器及容性设备的样品上制作典型缺陷模型，提取其放电特征，建立典型缺陷局部放电相位图谱库，分析各类缺陷在时域及频域下的相关特性；（4）针对主要设备典型绝缘缺陷，结合停电绝缘试验结果进行对比分析，提出具体带电检测技术手段可代替停电试验的项目，并提出可行性意见。

4 项目研究内容

4.1 带电检测与停电试验的对比分析

带电检测方法主要有3 种：超声波检测法、高频电流检测法和超高频检测法。停电绝缘试验主要包括介质损耗测试和绝缘电阻测试等。通过不同的带电检测方法建立组合电器和容性设备内部典型绝缘缺陷局部放电相位图谱库，分析典型绝缘缺陷的图谱特征，将带电检测与停电绝缘试验相比较，提出具体带电检测技术手段可代替停电试验的项目，并提出可行方案。

4.2 理论研究和试验内容与项目总目标的因果关系

建立典型GIS 和容性设备缺陷模型是实现项目总目标的基础。对放电信号的分析处理是实现项目总目标的核心，包括：确定超声波信号在一定的运动速度和距离下的畸变衰减情况；超声波传感器的响应值与放电量的关系；选择最优的超声波测试频带；研究高频、超高频传感器；建立组合电器和容性设备的超声波、高频和超高频典型缺陷局部放电相位图谱库，确定组合电器与容性设备带电检测技术手段可代替停电试验的项目是实现项目总目标的必备条件。

5 结语

本项目通过研究GIS 和容性设备的典型绝缘缺陷，建立了典型缺陷图谱库，并结合停电绝缘试验结果进行综合对比分析。通过现场进行试验比对，提出具体带电检测技术手段可代替停电试验的项目，并提出可行性意见。