GIS设备局部放电缺陷诊断分析

申桂林 朱家福

摘要：本文首先阐述了GIS设备局部放电概述，接着分析了GIS设备局部放电缺陷诊断方法的原理。希望能够为相关人员提供有益的参考和借鉴。

关键词：GIS设备;局部放电;缺陷诊断分析

引言：

GIS设备具有体积小、技术可靠性高、不受外在因素干扰、危险性低、设备运行周期长等优点。但不同事物都存在两面性，GIS设备也存在着一些缺陷，比如GIS是一个全封闭性的电组合设备，无法通过感官推测故障出现的原因。其次设备的体积比较小，安装时十分紧凑，运行过程中内部的零件损坏会波及到其他部分，影响向外扩散，最终使设备整体遭到损坏。因此，对CIS设备中的局部放电故障进行有效诊断势在必行。

1 GIS设备局部放电概述

从国内外的研究成果中可知，GIS局部放电检测技术都缺乏完善性。与传统电气相比，GIS设备的优势主要体现在体积小、功能强、抵抗外在因素影响能力较强、故障发生率低等，但其还是具有一定的缺点。GIS设备是全封闭的电力组合设备，在故障检查阶段，无法通过视觉、触觉等第一感官进行有效的预测。另外，由于设备体积较小，因此，在安装的过程中，其相对比较紧密，当一个零件发生故障时，能够对其他零件产生严重的影响，从而使这个设备全部损坏的概率显著提高，与此同时，使得设备维修的难度显著提升。

2 GIS设备局部放电缺陷诊断方法的原理分析

2.1 脉冲电流法

当GIS设备的壳体内部出现了局放现象时，内部的绝缘介质将会存在一些电荷。这些存在于绝缘介质中的电荷能够诊断采用电极两端产生不定大小的脉冲电流，那么通过检测由于局放产生的脉冲电流使得被检测设备的两端产生的脉冲电压，就能够得到相应的视在放电量。这种诊断方法整体来说比较容易实现，但是外界的电磁信号会对其造成一定的干扰，导致局部放电信号不易被识别出来。所以，这种方法的灵敏度较低，在作业现场使用时存在局限性。脉冲电流法的基本原理可以用图1的电路图进行简单描述。当被检测试品C_x发生了局放现象时，局放产生的脉冲电流i会对C_k这个耦合电容进行充电，从而会在检测阻抗Z_d的两端出现电位差，即脉冲电压ΔU。这个有脉冲电流产生的脉冲电压可能很小，但是通过相关处理仪器传输、放大等处理后，可以测量设备局放过程中的一些基本参数。脉冲电流法一般来说只对一些低频成分（数量级一般为数千赫兹至数兆赫兹）进行采集，可以减少无线电的一些干扰。

2.2 瞬态对地电压（TEV）诊断法

空气虽然是良好的绝缘体，但是在湿度较大时也易被高压击穿。所以，在电力系统中的绝缘需要采取效果更好的绝缘措施，如采用环氧的PT、CT以及固体绝缘子和穿墙套管等。局放一般会出现在绝缘材料的内部，电荷会在接地引下线附近大量聚集，会向周围产生一定的脉冲信号。在这样的放电模式下，放电产生的能量在最开始会汇集在设备屏蔽层内部的表面上。所以，若设备的屏蔽层一直处于封闭状态，那么外部不可能接收到局部放电发出的信号。但是，屏蔽层一般都会存在一定的缺陷，如垫圈的连接处、电缆终端等部位。如此局部放电信号就能够通过缺陷处泄露到外部，外部的传感器就能够接收到来自局放的高频信号，从而出现暂态对地电压。在电力设备中的局部放电类型主要包括电晕放电、表面放电、内部放电以及悬浮放电等。通过相关理论可以知道，发生放电的过程中会在一定的区域内产生较多的带电粒子，而这些带电粒子的存在会造成附近电场出现一些变化。交变的电场会产生交变的磁场，电磁波也就出现了，还会在设备的外壳上出现一个暂态的对地电压。一般情况下都采用电容探测器采集暂态对地电压（TEV）的信号，从而能够得到局放的电压幅值和脉冲周期。对于传统的脉冲电流法来说，视在电荷量一般能够通过测量获取。一般用“pC”表示局部放电的放电强度，用“dB”表示暂态对地电压的放电强度。脉冲电流法在测量时能够反映出的内容有限，仅仅能够反映局放在电极两端的电压变化量，而局放的放电路径不能捕捉到。因此，脉冲电流法在局放定位方面存在明显不足。现阶段，虽然已经逐渐开始为了找到dB和pC之间存在的定量关系进行相关的研究，但目前dB依然无法做到对放电强度的量化。结合上述分析，TEV一般用于局部放电的定性检测，现场使用时大多情况下用来将一组相同类型的设备的运行状况进行比较，进而确定检修的先后，也能够跟踪测量单个的设备，以发现和掌握该设备的绝缘是否良好。

2.3 超声波诊断法

声波和冲击振动波一般也会伴随着局部放电现象发生出现在设备中。用于检测超声波的传感器大都装在壳体的外部接收局放产生的信号。此方法的最大优点是用来接收信号的传感器与电力设备的任何回路都无关，所以没有所谓的電磁信号干扰，但会在现场使用时受到外界环境的影响。超声波信号在向远方传播的过程中强度有很多衰减，尤其在绝缘材料中更为明显。但是，超声波信号在故障定位方面却有着较高的准确度。结合此分析可以看出，超声法存在一定的局限性，检测范围较小，灵敏性较低。局部放电现象本质上看，实际上是间隙被高压击穿的一个过程，它的放电区域半径一般十分小，因此在某种程度上可以把一个局放的点看作是一个点声源。声波在不同形式的介质中的传播方式不同，如在气、液体中的传播方式与在固体介质中有较大区别。气液体中是以纵波向外传递信号，纵波主要依靠分子间的碰撞传递信号能量。在固体介质中，声波的传播形式会同时包含横波和纵波。横波与纵波的不同之处是传播时质点的振动方向与波的传播方向成垂直关系，而不是平行关系，那么这需要质点与质点之间有一个较大的力牵动其进行传播。因此，横波的传播介质一般会是密度较大的液体或者固体。一般来说，横波会在纵波完全透过气体介质或液体介质抵达外部固体壳体时出现，然后才会在壳体上持续传播。如果声波的频率和类型不尽相同，那么在温度不一样的情况下，通过不同介质进行传播时，传播的速率也会有较大差异。纵波的传播速度约是横波的2倍，且随着频率的增高，传播速度也会增加。但是，在矿物油中是个例外，传播速率反而会在温度升高的情况下有所降低;在气体介质中的传播速度往往比在固体介质中小得多。同时，声波在任何介质中传播，其能量都会存在一定程度的衰减。传播媒介是气体和液体时，衰减主要是波的扩散造成的。传播媒介是固体时，衰减主要是由于分子之间的碰撞将能量转换成了热能。通过采集超声波信号到达设备上安装的各个传感器上的时间差，结合声波在各个介质中的传播速率，能够定位放电位置所在的平面或者空间，通过对比多个超声波信号的强度，就能够计算出放电源的幅值。

结束语：

随着社会的进步，我国的科技创新事业得到迅速发展，GIS设备广泛应用于电力系统、水利工程等领域，但仍处于创新应用的探索期。GIS设备作为我国电网设备中最常见的设备之一，其绝缘性故障常常会导致事故的发生。因此，对目前GIS设备局部放电诊断中常见的原理进行分析十分必要。

参考文献：

[1]  李德，郭海.GIS设备局部放电故障多维度诊断方法研究[J].科技创新与应用.2019（11）

（作者单位：国网新疆电力有限公司检修公司）