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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。①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。•②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。•③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）。•①脉冲型放电（火花放电）持续时间0.01-1μs，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。•②非脉冲型放电（辉光放电）放电时观察不到单个分离脉冲，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，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20～30kHz之间或更高；宽带传感器带宽为100kHz左右，中心频率在200～400kHz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(（GasInsulatedSwitchgear，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。1.CB—断路器2.DS—隔离开关3.ES/FES—检修/故障关合接地开关4.BUS—母线5.CT—电流互感器6.VT—电压互感器7.LA—避雷器8.LCP—就地控制柜9.终端元件–SF6\airBsg;SF6\oilBsgCSE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0.1～0.5次/年·台，即一个GIS设备10年内发生故障的次数平均为1～5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；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）绝缘故障分布情况缺陷类型绝缘故障比率（%）微粒及异物20主接触头接触不良11屏蔽罩接触不良18潮湿7高压导体上的尖刺5绝缘子内的缺陷10其它11•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