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1、GIS超高频局部放电带电监测技术,河南电力试验研究院高压所 黄兴泉,GIS超高频局部放电带电监测技术,河南电力试验研究院高压所 黄兴泉,局部放电基本概念,局部放电既是绝缘劣化的原因，又是绝缘劣化的先兆和表现形式。与其它绝缘试验相比，局部放电的检测能够提前反映电气设备的绝缘状况、及时有效地发现设备内部的绝缘缺陷、预防潜伏性和突发性事故的发生，这种观点已经得到了人们的普遍认可。,IEC和我国有关绝缘试验标准均将局部放电试验提到重要地位，作为部分设备投运前必须进行的试验项目。对及时有效地发现设备绝缘中存在的事故隐患、保障电气设备乃至电力系统的安全运行具有十分重要的意义。,一、定义 在电场作用下，绝缘
2、中的部分区域发生放电，但未贯穿加压之间的导体。 局部放电可发生在导体边缘、绝缘体内部或表面。,二、产生的原因,绝缘体内部存在缺陷，如，气泡、裂缝等。绝缘体含导电性杂质，其边缘电场集中。存在强电场或局部电场集中。,三、机理,气体放电理论为基础。气隙局部放电可分为三类：汤逊放电、流注放电和热电离放电。,汤逊放电 以电子碰撞电离为主，电子崩中电子数目小于10e+8个。电子碰撞电离放电机理认为，受外界因素的作用，在气体间隙中存在自由电子。这些自由电子在电场中被加速，并在运动过程中不断与气体原子或分子发生碰撞；当电子获得电场提供的足够动能时，就会使气体原子产生碰撞电离，形成新的自由电子和正离子。,这些新
3、产生的电子和原有电子又从电场中获得能量，并继续碰撞其它气体原子，又可能激发出新的自由电子。这样，自由电子数将会成指数倍地增长，形成电子雪崩。由于电子的质量比离子小得多，因此，电子移动的速度比离子快许多，形成的电子崩的头部不断向前扩展，最终形成自持性气体放电。汤逊放电对绝缘的劣化有一定作用，但不会造成突发性故障。,流注放电 在气体放电过程中，除了电子碰撞电离之外，光电离对放电的发展起主要作用。在电子崩形成之后，电子集中在电子崩的头部，使其场强得到加强；正离子集中在电子崩的尾部，加强了崩尾的场强。而电子崩的中部区域内场强很弱，有助于发生复合过程而产生光子。这些光子又可因光电离而引发新的电子崩，即形
4、成二次电子崩。二次电子崩与初始电子崩汇合并继续发展，最终导致间隙的击穿，形成气体放电。流注放电过程的特点是，放电发展速度快、放电量较大。因此，流注放电是局部放电检测的主要对象。,热电离放电 以热电离为主，当温度大于1000K以上时发生。,根据放电的表现形式，局部放电可分为两种类型：脉冲型放电（火花放电）和非脉冲型放电（辉光放电）。,脉冲型放电（火花放电） 持续时间0.01-1s，包括低幅度、上升时间较缓慢的汤逊型脉冲放电和大幅度、快上升时间的似流注脉冲放电，在一定的外加电压相位上可以观察到单个放电脉冲。一般情况下，局部放电都属于脉冲型放电。,非脉冲型放电（辉光放电） 放电时观察不到单个分离脉冲
5、，但可以观察到放电时产生的辉光，占据半个工频周期的大部分区域。辉光放电是汤逊放电的进一步发展，它们之间的主要差别是辉光放电具有较大的放电电流密度，而且空间电荷在放电过程中具有重要作用，因为它的存在决定着放电空间的电场。,亚辉光放电（或群放电）介于辉光放电和火花放电之间 放电是由一群小幅度的离散脉冲组成，脉冲的上升时间很慢。辉光放电或亚辉光放电多发生在小气隙（气泡）和低过电压情况下。而当存在大气隙和高过电压时，电子崩可以充分发展，容易发生火花脉冲放电。,在短气隙局部放电中，三种形式的放电均以电子崩碰撞电离为主，属于汤逊放电，可以较明显地分辨电子电流和离子电流。而在大气隙中，放电脉冲多属于流注型，
6、幅值大、上升沿陡，放电量较大。,1.视在放电电荷Q 绝缘中发生局部放电现象时外加电压的绝缘体两端出现的脉动电荷，简称放电量。 单位：pC。,四、表征局部放电的参数,视在放电电荷的大小是这样测定的：将模拟实际放电的瞬变已知电荷，注入试品两端(施加电压的两端)，在此两端出现的脉冲电压与局部放电时，产生的脉冲电压相同，则注入的电荷量即为视在放电量。,2.放电重复率 放电次数，单位：次/秒。在测量时间内，每秒钟出现放电次数的平均值称作放电重复率。由于受到测试系统灵敏度的分辨能力限制，实际测得的放电次数，只能是视在放电电荷大于一定值、放电间隔时间足够大的放电脉冲。,3.起始电压和熄灭电压当外施电压逐渐上
7、升，达到能观察到局部放电时的最低电压，即为局部放电起始电压。当外施电压逐渐降低到观察不到局部放电时，外施电压的最高值即为局部放电熄灭电压。,在实际测量中，为了避免因测试系统的灵敏度不同而造成的测试结果的不可对比，一般规定一个放电量标准，当放电量达到或超过这个标准时，外施电压的有效值就作为局部放电起始电压，当放电低于这个标准时的外施电压的最高值作为局部放电熄灭电压。,五、局部放电检测方法,局部放电检测是以发生局部放电时产生的电、光、声等现象为依据，来判断局部放电的状态，包括定位和放电的程度。因此，其检测方法有脉冲电流法、超声波检测法、光测法、化学检测法、特高频（UHF）等多种检测方法，其中脉冲电
8、流法、气相色谱分析和超声波检测法应用最为广泛。,脉冲电流法（电荷法）,脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，IEC-60270为IEC正式公布的局部放电测量标准。脉冲电流法测量系统实际测量的结果是外部电路因感应电荷重新分布而形成的脉冲电流。又称电荷法。,脉冲电流法经检测阻抗或电流传感器，检测试品回路中出现的脉冲电流（脉冲电压），并通过注入的标准电荷标定得出试品视在放电量（电荷）。如图。,如，注入的标准电荷为10pC（如图），经检测阻抗的测量电压为10mV，即视在放电量与测量的比值为1pC/mV。若施加试验电压后的测量电压为200mV，则试品视在放电量为200pC。,测量原理-三电容原
9、理,脉冲电流法应用-变压器局部放电测量,脉冲电流法通常被用于变压器出厂试验以及其他离线测试中，其离线测量灵敏度高，而且可以测量视在放电量。,变压器局部放电测量通过套管末屏接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁心接地线、绕组等获得脉冲电流。按频带可分为窄带和宽带两种，窄带带宽一般在10kHz左右，中心频率在2030kHz之间或更高；宽带传感器带宽为100kHz左右，中心频率在200400kHz之间。,一、气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）概况,气体绝缘金属封闭开关设备(（Gas Insulated Switchgear，简称GIS）,将断路器、隔离开关、接地开关、母线（HGIS除外）、互感器、避雷
10、器、套管、电缆终端、油气套管等主要元件均装入密封的金属容器，内充以绝缘气体，故具有体积小、占地面积少、不受外界环境影响、运行安全可靠、维护简单和检修周期长等优点。,HGIS：GIS与敞开式高压电器的组合,国内外的运行经验表明，GIS的运行可靠性至少不低于同样规模的敞开式变电站。,CB断路器 DS隔离开关 ES/FES检修/故障关合 接地开关 BUS母线 CT电流互感器 VT电压互感器 LA避雷器 LCP 就地控制柜终端元件 SF6 air Bsg ; SF6 oil Bsg CSE电缆终端,机构,盆式绝缘子,母线支柱绝缘子,二、GIS超高频局部放电 带电监测技术,（一）GIS局部放电 带电监测
11、的意义,GIS内的空间极为有限，其中的工作场强往往很高；GIS内部绝缘缺陷（如杂质、尖端等）易导致局部电场集中，SF6气体击穿电压下降（均匀电场下SF6击穿电压约为空气的3倍，不均匀时最严重情况下接近空气），极易发生设备故障，而且后果严重。,据不完全统计，国外GIS设备故障的平均故障率为0.10.5次/年台，即一个GIS设备10年内发生故障的次数平均为15次，而且，近50%的故障发生在GIS设备交付日期后的一年之内。近年来国内也有多起GIS设备故障的报道。,实践证明，GIS设备内部故障以绝缘性故障为多，而GIS局部放电往往是绝缘性故障的先兆和表现形式。一般认为，GIS设备中放电使SF6气体分解
12、；严重影响电场分布，导致电场畸变；腐蚀绝缘材料。最终引发绝缘击穿。,支撑绝缘子表面闪络,盆式绝缘子表面闪络,（二）绝缘故障分布情况,1.微粒及异物的影响,从表中看出，自由微粒及异物故障占总故障的20%。究其产生的原因，主要是现场安装条件不如生产工厂，无法彻底清除GIS设备内部的微粒及异物，这些微粒及异物中以自由金属微粒危害最甚。,GIS设备内部的金属微粒，具有以下几个主要特征：,（1）自由金属微粒在电压作用下获得电荷并发生移动，当电压超过一定值时，这些微粒就能在气体间隔间移动、跳跃，从而引发局部放电。,（2）金属微粒移动靠近而未接触高压导体时，如果距离小于某一极限值，在强电场力作用下，也容易引
13、起局部放电。,（3）绝缘子表面上的金属微粒，常常在设备交接试验时检测不出来，经过一段运行，由于机械振动或操作过电压引起的静电力，使它产生轻微的移动而形成微粒堆积，这样导致绝缘子表面电荷聚集，在某种程度上加大了放电发生的几率。,（4）当金属微粒游离到绝缘子的表面，在一定条件下被固定下来时（如，被油脂粘住），这样绝缘子表面的金属微粒状似金属突出物，在高电压环境下，极易造成尖端放电。,（5）绝缘子上的金属微粒放电，会引起绝缘子表面损伤，在工频电场下产生表面树痕，最终发生绝缘故障。,2.接触不良的影响,据统计，在GIS设备所有运行故障中，接触不良发生的故障达到29%，占所有故障发生率之首。 此类故障可
14、分为两类：,（1）由主触头接触不良而产生的故障占11%，分析其产生的原因，一方面是存在自由微粒，这些微粒附着主触头表面，使接触电阻增大。自由微粒在试验中不易被检测和彻底清理。另一方面，随着GIS设备长时间地运行，在电弧的作用下主触头容易发生烧损。以上两种因素如果得不到及时的维护，从而逐渐发展成主触头接触不良的故障。,由屏蔽罩接触不良而产生的故障占18%，随着运行时间延续而发展（如短路电流或断路器操作的振动作用），最终威胁或破坏GIS的绝缘性能。,3. 潮湿的影响 由于潮湿引起的故障占7%。通常对SF6介质性能影响最大的成分是水蒸气，如果水蒸气过量，当温度下降时就会出现凝露，结合其他混合物，就会
15、影响介质表面的导电性，促使介质老化或直接引发故障。,4. 高压导体尖刺的影响 高压导体上的尖刺占故障总体的5%，这些尖刺通常是加工不良、机械破坏或组装时的擦刮等因素造成的，从而形成绝缘气体中的高场强区。这些尖刺在工频电压下电晕比较稳定，因而在稳态工作条件下一般不会引起击穿。然而，在快速暂态条件下，譬如在雷电波，尤其是快速暂态过电压情况下，这些缺陷就会引起故障。,5. 绝缘子缺陷的影响 绝缘子上发生的击穿故障占10%，因为大多数故障是由于早期的绝缘子空穴问题造成的，所以固体绝缘的缺陷常发生在固体绝缘表面或内部。,绝缘表面缺陷通常是由其它类型缺陷引起的二次效应，比如局部放电产生的分解物、金属微粒或
16、者绝缘气体中过多的水汽引起的破坏。另外，现场测试时闪络产生的树痕在某种情况下也可以形成缺陷。,6. 其它因素的影响 由其它因素造成的故障占11%，这也是一个不可忽视的问题。例如，GIS设备的器件体积大、重量大，搬运过程中，因机械振动、组件的互相碰撞等外力作用，常使紧固件松动、元件变形和损伤。另外，GIS设备装配工作是一个复杂的过程，组件连接和密封工艺要求很高，稍有不慎就会造成绝缘损伤、电极错位等严重后果，对今后GIS的运行带来了后患。,（三）GIS局部放电 带电检测技术现状,传统的局部放电测量法（脉冲电流法），可以在比较低的工频电压下测出缺陷，使设备免受破坏性放电所带来的损伤，因此该测量法是最
17、有效的方法之一。但是，对GIS进行试验时，如果使用非封闭试验变压器或谐振试验电源，这时传统的局放测量法就会受到严重干扰。,为了保证测量的准确性，就需要采用高压滤波器、自适应滤波器等一系列措施排除来自电源等多种干扰，即使这样在现场条件下要测量到10pC及以下局放水平是相当困难的。这就使传统的局放测量法受到了极大的限制。目前，传统的局放测量法只适宜在试验室进行GIS局放测量，如出厂试验等。,为此，变电站的GIS局放检测与试验室进行GIS局放测量具有很大的不同。,GIS局部放电过程产生的物理、化学现象,GIS中的局部放电会在其外壳上产生流动的电磁波，使接地线上有高频放电脉冲电流流过，从而使外壳对地呈
18、现高频电压并向周围空间传播。,局部放电使通道气体压力骤增，在GIS内部（气室）气体中产生纵波或超声波，并使金属外壳上出现各种声波。,局部放电导致SF6气体分解；局部放电产生发光。,上述物理和化学变化特征，都可作为局部放电检测信号的传感对象。目前，国内外检测GIS局部放电的主要方法有以下几种。,1. 化学检测法 在GIS内部放电的作用下，部分SF6气体会发生分解，在分解物中SOF2 （氟化亚硫酰 ）和F2等中间分解物。,化学检测法的特点是方便，可带电进行。适宜故障后分析。,该方法是今后研究方向，类似于油色谱分析。难点： SF6分解物易复合，不稳定。,2.振动检测法 GIS局部放电过程产生声波，其
19、类型包括纵波、横波和表面波。局部放电产生的声波和金属屑末撞击外壳引起机械振动的频率，在数kHz和数十kHz之间。为去除其他的声源的干扰，传感器的检测频率一般选为120kHz。由于测量频率比较低，传感器采用加速度传感器，如常用的自振频率为30kHz 左右的压电式加速度传感器。,3. 电气检测法(1) 外壳电极法 八十年代，日本人提出了外壳电极法，其结构是在GIS外壳上敷设绝缘薄膜和金属电极，外壳与金属电极间构成一个电容，可将高频放电信号耦合至检测阻抗上，该阻抗上的信号可经放大最终得到GIS局部放电水平。这种方法的优点是结构简单、较为实用，最小检测量约为300pC。缺点是易受外界干扰。,(2) 内
20、部电极法 1988年，英国研制出内部电极法，该方法是在法兰内部加装金属电极，电极与外壳构成耦合电容，以此电容传感器提取局部放电的脉冲信号。采用多个电容传感器，利用GIS局部放电信号到达不同位置传感器的时间差确定放电点，从而实现对局部放电的定位。,另一种内部电极法，是在盆式绝缘子内靠近接地端预先埋设一个电极，此法其实是内部天线法，其信号也是超高频信号。优点是抗干扰性能好、灵敏度高，可检测出5pC的局部放电。,(3) 外接电流传感器检测法 当GIS内部产生局部放电时，接地线上有高频电流通过，因此，可利用带有铁淦氧等磁芯材料的罗可夫斯基线圈作为传感器来测量此高频信号，最小检测量为100pC。外接电流
21、传感器检测法的优点是传感器可以在很宽的频率范围内保持很好的传输特性，但地线需穿过线圈，给现场使用带来了不便。,4. 超高频法 超高频法(ultra-high frequency 简称UHF)：利用GIS局部放电辐射出的超高频电磁波信号进行检测的一种方法。,（四） 超高频法原理,当GIS中出现绝缘缺陷时，在外加的高压电场作用下，电子将被剥离（原子）并在外电场的作用下做加速和减速运动，形成局部放电脉冲。,由于电子运动的速度的变化，放电通道对外要发射电磁波。电磁波向GIS腔体两侧传播，如图中箭头（绿色）所示。,在传播的过程中电磁波将在GIS的不连续处（绝缘子、交叉接头、弯角、CT、PT等）经历反射和
22、透射，信号能量会随传播距离的增加而衰减。当电磁波传播到局部放电传感器（接收天线）处，通过耦合从传感器中将输出一个电压信号，并被存储和分析（如FFT和相关分析）。,GIS中电磁波的传播特性：(1)超高频信号在GIS腔体中传播会发生谐振，谐振使得超高频信号的衰减变慢。,(2)超高频信号在GIS中传播时的衰减主要是由于GIS中的不连续点造成。信号通过绝缘子时平均衰减3dB。信号通过T型接头时最严重的支路信号平均衰减10dB。,如果不存在盆式绝缘子、隔离开关及断路器等不连续点，1GHz的电磁波在直径为0.5m的GIS内传播所产生的衰减约35dB/km。,根据GIS中电磁波的传播特点，利用超高频传感器接
23、收其中3003000MHz甚至更高的超高频信号进行检测，以避开常规电磁脉冲的干扰，从而提高局部放电检测的信噪比。这是因为空气中的电晕放电等电磁干扰频率一般在300MHz以下。,超高频传感器安装类型： (a)内置式：在GIS内部或通过绝缘安装，一般在母线与分支交接处。 (b)外置式：绝缘子外沿处（便携式）。,内置式,GIS内部直接安装方式,半内置式介质窗：通过绝缘件（介质窗）安装方式）,介质窗与气室 相通，可有效穿透电磁波。,介质窗方式即可保证有效接收超高频信号，又可保证传感器与气室隔离。,内置式特点： 1.传感器被屏蔽，抗干扰能力提高；,2.传感器接触面增大，灵敏度提高。 3 .多点安装有利于
24、故障定位。,外置式,绝缘子外沿处安装方式（便携式）,超高频传感器,螺旋天线,等角螺旋天线,阿基米德平面螺旋天线,放大器频率响应曲线,超高频带电检测技术特点： （1）传感器接收UHF频段信号，避开了电网中主要电磁干扰的频率，具有良好的抗电磁干扰能力。,（2）可在GIS运行状况监测。,（3）根据电磁脉冲信号在GIS内部传播特点，利用传感器接收信号的时差可进行故障定位。,（4）UHF传感器的有效检测范围大，检测点少、效率高，适用于自动在线监测系统。,2.传感器接触面增大，灵敏度提高。 3 .多点安装有利于故障定位。,超高频法有关问题讨论,（1）外置式传感器放置在现场GIS设备外部，没有金属腔体的屏蔽
25、，接收到的信号势必会受到外界电磁干扰的影响，因此，区分干扰信号和有效信号是顺利测量的保证。,（2）现场测量中需要判断缺陷的类型。由于缺陷存在于GIS不同的位置，会产生不同类型的放电，其放电量也有很大差别。例如，在断路器的动触头处多会发生悬浮类型的放电；在腔体的底部多会发生自由微粒类型的放电；而在高压导体上经常出现尖刺类型的放电。因此，能否利用超高频法对内部的放电类型进行识别，也是准确判断故障发生部位的关键。,（3）GIS的故障的准确定位。（4）对于检测设备的局部放电而言，视在放电量的大小是现场比较关心的物理量，也是确定设备绝缘状况严重程度的依据。但研究表明，超高频法无法确定设备内部故障的视在放
26、电量。即，超高频法无法与脉冲电流法建立联系。,UHF法检测到的信号的幅值（能量）同GIS装置的结构、放电脉冲的特性、放电点和接收点所在的位置都有关系，因此，仅从UHF信号的角度是无法解释放电量大小的。,理论上讲，UHF法所检测到的电磁场是由于局部放电电荷在外界电场的作用下做加速和减速运动而产生的，即，UHF反映放电处的电子的加速运动。 传统的脉冲电流法反映的是局部放电电流的积分（视在放电量）。,因此，由UHF法得到的信号无法解释放电量（电流的积分）的多少，不论是视在的还是实际的。为了确定局部放电的严重情况应进行更多的实验研究。,现场实验举例,捕获的超高频信号,两传感器同时测量,两传感器同时捕获的超高频信号,超声波测量关于定位问题,捕获到超声波信号,母线筒壳体内表面缺陷情况,交流耐压试验过程中进行了超高频局部放电测量,谢谢！,
