隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷發(fā)展擴(kuò)大，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）數(shù)量也在不斷增加。GIS一旦存在絕緣缺陷就極容易造成停電事故，且GIS停電檢修程序復(fù)雜、耗時(shí)相對(duì)久、檢修費(fèi)用高。

據(jù)資料報(bào)道，2012年4月10日廣東深圳某500kV變電站的GIS絕緣故障造成多個(gè)行政區(qū)大范圍停電。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE調(diào)查表明，50%以上的GIS故障是可提前發(fā)現(xiàn)的，即可以通過多種方式進(jìn)行帶電檢測(cè)，提前預(yù)判。

1 GIS絕緣故障

根據(jù)中國(guó)電力科學(xué)研究院《國(guó)家電網(wǎng)公司2015年開關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況及近十年GIS故障專題分析》資料顯示，截止2015年底，國(guó)家電網(wǎng)GIS組合電器64663間隔發(fā)生缺陷3218間隔次，其中危急和嚴(yán)重缺陷包括SF6成分異常、SF6低壓力報(bào)警及閉鎖、斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)異常、濕度超標(biāo)等。

資料顯示2015年GIS故障跳閘14次，故障率為0.022次/（百間隔?年），其中內(nèi)絕緣擊穿故障占12間隔次，比例高達(dá)85.7%；同時(shí)，資料按近10年故障產(chǎn)生的本質(zhì)原因統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)GIS氣室內(nèi)異物導(dǎo)致的故障次數(shù)最多、故障影響最大，占了29.0%；盆式絕緣子等絕緣件問題占了21.9%。

通過以上的資料數(shù)據(jù)得出，絕緣問題是導(dǎo)致GIS故障的最大潛在因素，提前發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷后采取可靠措施可有效避免發(fā)生設(shè)備故障。

2 GIS局部放電帶電檢測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀概述

GIS內(nèi)部產(chǎn)生局部放電過程中會(huì)伴隨一系列物理和化學(xué)現(xiàn)象，包括聲、電、光、熱、氣體分解等，根據(jù)這些不同的物理或化學(xué)現(xiàn)象可以采用不同的檢測(cè)技術(shù)來檢測(cè)GIS內(nèi)部的局部放電情況。特高頻（ultra high frequency, UHF）檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)GIS氣室內(nèi)是否有局部放電產(chǎn)生的特高頻信號(hào)，IEC 62271-203也推薦特高頻檢測(cè)可以作為GIS局部放電的檢測(cè)方法，對(duì)于UHF現(xiàn)場(chǎng)靈敏度的校驗(yàn)CIGRE TF 15/33.03.05則提供一個(gè)建議的方法。

超聲波檢測(cè)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)GIS氣室內(nèi)是否有局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)。紅外檢測(cè)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)是否具有溫度變化。氣體分析法可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部SF6氣體是否有化學(xué)反應(yīng)分解產(chǎn)生的硫化物、氟化物等。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)GIS的局部放電檢驗(yàn)過程中使用的超聲波和特高頻檢測(cè)比重均大于80%?？蓪⒄麄€(gè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分成以下幾點(diǎn)：

1）日常應(yīng)用規(guī)范化情況。

在國(guó)內(nèi)已基本形成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用導(dǎo)則，包括《國(guó)網(wǎng)（運(yùn)檢/3）829—2017國(guó)家電網(wǎng)公司變電檢測(cè)管理規(guī)定（試行）》的75份細(xì)則、DL/T 1250—2013《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備帶電超聲局部放電檢測(cè)應(yīng)用導(dǎo)則》、Q/GDW 11059.1—2013《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備局部放電帶電測(cè)試技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則 第1部分：超聲波法》、Q/GDW 11059.2—2013《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備局部放電帶電測(cè)試技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則 第2部分：特高頻法》。

國(guó)網(wǎng)于2013年發(fā)布了帶電檢測(cè)儀器性能檢測(cè)方案，已組織開展過多批次局部放電測(cè)試儀器的檢測(cè)工作。其中針對(duì)超聲波發(fā)布Q/GDW 11061—2017《局部放電超聲波檢測(cè)儀技術(shù)規(guī)范》來替代2013版。

2）實(shí)驗(yàn)室研究情況。

目前各電科院、生產(chǎn)研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)的廠家均搭建了相關(guān)GIS模擬試驗(yàn)平臺(tái)和GTEM小室平臺(tái)、超聲波測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備性能指標(biāo)的研究。

其中GIS模擬試驗(yàn)平臺(tái)目前常見的有西湖電子生產(chǎn)的GIS模擬裝置，但該模擬裝置無法保證每次加壓產(chǎn)生的局部放電信號(hào)的一致性。GTEM小室平臺(tái)則主要是采用脈沖時(shí)域法測(cè)試特高頻傳感器在工作頻段內(nèi)的平均等效高度值的大小（以mm單位進(jìn)行表征），同時(shí)測(cè)試儀器的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、模式識(shí)別準(zhǔn)確性等。超聲波測(cè)試平臺(tái)主要測(cè)試超聲波傳感器靈敏度、諧振頻率、線性度等，且一般在使用消聲室或半消聲室的環(huán)境下測(cè)試效果較佳。

3）在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用情況。

國(guó)家電網(wǎng)目前并未大批量應(yīng)用GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，僅部分220kV、330kV、750kV等的GIS在斷路器或母線上安裝內(nèi)置式傳感器，而南方電網(wǎng)的廣東、貴州、海南均已安裝了較多的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有DL/T 1432.4—2017和DL/T 1498.4—2017。

針對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的考評(píng)入網(wǎng)檢測(cè)，目前各省市均主要參照DL/T 1432.4—2017要求，測(cè)試項(xiàng)目包括傳感器頻響特性、系統(tǒng)靈敏度、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍、系統(tǒng)放電類型識(shí)別準(zhǔn)確率、系統(tǒng)配置有效性驗(yàn)證、抗干擾性能、系統(tǒng)信號(hào)同步方式檢查、通道有效性檢查、通信一致性、電磁兼容（electromagnetic compatibility, EMC）等。

隨著南方電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃，目前云南、廣西兩省也逐步對(duì)220kV以上電壓等級(jí)的變電站加裝GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置。同時(shí)，在南方電網(wǎng)公司2020年度供應(yīng)商資格預(yù)審中已經(jīng)增加對(duì)GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置的審查要求。

3 特高頻和接觸超聲波測(cè)試模擬研究

本文依托西湖電子生產(chǎn)的GIS模擬裝置模擬了尖端放電、金屬顆粒放電、氣隙（內(nèi)部）放電、懸浮放電。該裝置主要由升壓氣室、耦合電容氣室、校驗(yàn)裝置、典型絕緣缺陷放電氣室、視頻監(jiān)控、支架等部分組成，其實(shí)物裝置如圖1所示。

各放電模型視頻照片如圖2所示。其中，耦合電容氣室配合電脈沖局部放電檢測(cè)需要觀察模擬試驗(yàn)產(chǎn)生的pC量。

通過實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試，主要得出以下的典型圖譜及結(jié)論：

1）尖端放電模型。

特高頻和超聲波均能有效檢測(cè)，其信號(hào)特征均表現(xiàn)為脈沖幅值分散性較小，脈沖次數(shù)較多，在工頻相位上呈單簇分布，如圖3所示。

2）顆粒放電模型。

特高頻和超聲波均能有效檢測(cè)，其信號(hào)特征表現(xiàn)為脈沖幅值分布較廣，放電時(shí)間間隔不穩(wěn)定，無相位相關(guān)性，如圖4所示。

圖1 裝置實(shí)物圖

圖2 各放電模型視頻照片

圖3 尖端放電模型的測(cè)試圖譜

圖4 顆粒放電模型的測(cè)試圖譜

3）氣隙（內(nèi)部）放電模型。

僅特高頻能有效檢測(cè)，其信號(hào)特征表現(xiàn)為脈沖幅值較分散，脈沖次數(shù)較少，放電相位較穩(wěn)定，在工頻相位上呈兩簇分布，如圖5所示。

圖5 特高頻測(cè)試PRPS圖譜

4）懸浮放電模型。

特高頻和超聲波均能有效檢測(cè)，其信號(hào)特征表現(xiàn)為放電脈沖幅值較大且較穩(wěn)定，相鄰放電時(shí)間間隔基本穩(wěn)定，放電相位較穩(wěn)定，在工頻相位上呈兩簇分布，如圖6所示。

圖6 懸浮放電模型的測(cè)試圖譜

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例分析

4.1 測(cè)試概況

2018年1月在某電廠對(duì)某高壓開關(guān)廠8DN9-2型存在異響的某GIS間隔進(jìn)行局部放電帶電測(cè)試，發(fā)現(xiàn)C相避雷器氣室超聲波異常。該GIS的盆式絕緣子為金屬屏蔽，特高頻測(cè)試選擇在電纜終端側(cè)的絕緣法蘭處測(cè)試，未檢測(cè)到異常特高頻信號(hào)。

超聲波測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在2U71出線間隔C相的避雷器氣室存在異常超聲波信號(hào)，如圖7所示，超聲波信號(hào)幅值明顯，信號(hào)穩(wěn)定的最大幅值在1.778mV左右；同時(shí)，存在明顯的100Hz相關(guān)性，PRPD圖譜顯示90°和180°相位對(duì)稱分布；從局部放電測(cè)試儀的耳機(jī)中也可以聽到有放電特征的聲音。

且測(cè)試環(huán)境不存在干擾，橫向?qū)Ρ确治鲈撻g隔C相其他氣室及其他相鄰間隔的避雷器氣室的超聲波測(cè)試結(jié)果均與環(huán)境背景相當(dāng)，如圖8所示。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)以上的現(xiàn)場(chǎng)局部放電帶電檢測(cè)結(jié)果判斷：

①C相避雷器氣室內(nèi)部存在有懸浮放電，異常超聲波信號(hào)幅值最大約1.778mV，100Hz相關(guān)性明顯；②在電纜終端側(cè)的絕緣法蘭未檢測(cè)到異常特高頻信號(hào)，主要是受信號(hào)本身大小和不同氣室的氣隔盆子衰減較大的影響；③現(xiàn)場(chǎng)對(duì)異常C相避雷器氣室進(jìn)行SF6氣體成分測(cè)試，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)SO2、H2S、HF氣體成分異常。

綜合判斷，局部放電處于相對(duì)較初始階段，且超聲波幅值未達(dá)到DL/T 1250—2013建議停電處理的20mV以上。

圖7a C相的避雷器氣室的PRPD圖譜

圖7b C相的避雷器氣室的特征值參量

圖7c C相的避雷器氣室的測(cè)試照片

圖8 超聲波檢測(cè)PRPD圖譜

進(jìn)一步結(jié)合圖9所示的避雷器氣室內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析：異常放電點(diǎn)的正下方為氣隔的盆式絕緣子，長(zhǎng)期持續(xù)懸浮放電產(chǎn)生金屬粉塵落到氣隔盆子上后容易急劇擴(kuò)大，進(jìn)而發(fā)展形成絕緣閃絡(luò)。為防止絕緣故障，該業(yè)主單位會(huì)同GIS生產(chǎn)廠家進(jìn)行了停電檢修處理。通過現(xiàn)場(chǎng)停電檢修解體可以明顯看出，該避雷器氣室內(nèi)部的導(dǎo)體連接松動(dòng)，接觸不良產(chǎn)生懸浮放電的痕跡，如圖10所示。

圖9 避雷器氣室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

通過以上對(duì)GIS局部放電的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室模擬研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，GIS帶電檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用中不能完全照搬導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)的要求，當(dāng)檢測(cè)到某一種異常信號(hào)時(shí)還應(yīng)首先橫向?qū)Ρ?、排查外界干擾并重點(diǎn)結(jié)合GIS內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助綜合分析，對(duì)存在放電但局部放電測(cè)試儀器測(cè)得幅值相對(duì)較小的，也需及時(shí)采取特別的處理措施。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，SF6氣體成分測(cè)試對(duì)于GIS內(nèi)部局部放電初期或局部放電嚴(yán)重程度相對(duì)較輕的檢測(cè)靈敏度較低。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)解體的異常位置及部件照片

隨著GIS局部放電帶電檢測(cè)更加頻繁應(yīng)用，可以預(yù)計(jì)未來后續(xù)的重點(diǎn)發(fā)展主要包括以下幾點(diǎn)：

1）干擾排除（抗干擾性能）及精確定位。

針對(duì)GIS內(nèi)部存在多個(gè)放電信號(hào)及外界也存在放電的干擾信號(hào)，如何精確識(shí)別且分離多個(gè)放電點(diǎn)及減小外界的干擾均是未來一階段帶電檢測(cè)儀器或在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)研究趨勢(shì)之一。

如劉宇舜等人近3年已提出的廣義S變換模時(shí)矩陣降噪法、單通道盲源分離算法、部分廠家推出使用的脈沖聚類功能等均可有效抑制現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)中的多種噪聲，后續(xù)可進(jìn)行更多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)化。

2）云診斷及全壽命周期管理平臺(tái)。

現(xiàn)階段采用局部放電帶電檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行定期測(cè)試，需要工作人員在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析、判斷，對(duì)檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)要求高。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)及云服務(wù)的不斷建設(shè)應(yīng)用，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程云輔助診斷可以提供更好的技術(shù)支持，同時(shí)依托與其他檢測(cè)數(shù)據(jù)（離線數(shù)據(jù)、定期測(cè)試數(shù)據(jù)等）的綜合應(yīng)用，可以更好進(jìn)行全壽命周期系統(tǒng)管理，服務(wù)GIS設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)部分廠家已經(jīng)開始逐漸應(yīng)用云平臺(tái)來提供云診斷。

3）短時(shí)在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

針對(duì)間歇性局部放電，通常定期巡檢測(cè)試無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而采用可移動(dòng)式短時(shí)監(jiān)測(cè)GIS內(nèi)部的局部放電狀態(tài)，對(duì)間歇性局部放電監(jiān)測(cè)效果較佳。

4）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。

定期局部放電帶電檢測(cè)無法準(zhǔn)確獲取局部放電的變化發(fā)展情況，進(jìn)而無法對(duì)局部放電的發(fā)展趨勢(shì)和嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷，而在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以很好獲取所有間隔的信號(hào)變化趨勢(shì)圖，可以進(jìn)行多個(gè)設(shè)備、多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)橫向比較及變化趨勢(shì)分析，能更有效地掌握對(duì)應(yīng)設(shè)備的缺陷程度以及局部放電的變化趨勢(shì)。