第三章 特高频局部放电检测技术
目 录
第1节 特高频局放检测技术概述.................................................................... 2
1.1 发展历程............................................................................................... 2 1.2 技术特点............................................................................................... 4
1.2.1 技术优势...................................................................................... 4 1.2.2 局限性.......................................................................................... 5 1.2.3 适用范围...................................................................................... 6 1.2.4 技术难点...................................................................................... 6 1.3 应用情况............................................................................................... 8
1.3.1 国外应用情况.............................................................................. 8 1.3.2 国内应用情况.............................................................................. 8
第2节 特高频局放检测技术基本原理.......................................................... 10
2.1 特高频局放电磁波信号基本知识..................................................... 10 2.1 GIS内部电磁波的传播特性 ............................................................. 10 2.3 特高频局放检测技术基本原理......................................................... 12 2.3 特高频局放检测装置组成及原理..................................................... 13 第3节 特高频局放检测及诊断方法................................................................ 16
3.1 检测方法............................................................................................. 16
3.1.1 操作流程.................................................................................. 16 3.1.2 注意事项.................................................................................. 18 3.2 诊断方法............................................................................................. 19
3.2.1 诊断流程.................................................................................. 19 3.2.2 现场常见干扰及排除方法...................................................... 20 3.2.3 放电缺陷类型识别与诊断...................................................... 22 3.2.4 放电源定位.............................................................................. 25 3.2.5 局部放电严重程度判定.......................................................... 26
第4节 典型案例分析...................................................................................... 27
4.1 220kV GIS盆式绝缘子内部气隙缺陷检测 ..................................... 27 4.2 110kV电缆-GIS终端绝缘内部气隙缺陷检测 ................................ 29 4.3 220kV GIS内部刀闸放电缺陷检测 ................................................. 34 参考文献.............................................................................................................. 39
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第1节 特高频局放检测技术概述
1.1 发展历程
电力设备内发生局部放电时的电流脉冲（上升沿为ns级）能在内部激励频率高达数GHz的电磁波，特高频（Ultra High Frequency，UHF）局部放电检测技术就是通过检测这种电磁波信号实现局部放电检测的目的。特高频法检测频段高（通常为300M～3000MHz），具有抗干扰能力强、检测灵敏度高等优点，可用于电力设备局部放电类缺陷的检测、定位和故障类型识别[1]。特高频法过去曾被称为“超高频法”。但是按照中华人民共和国无线电频率划分规定，300MHz~3000MHz频带划分为特高频，因此该检测方法的正式名称为特高频法。
特高频局部放电检测技术是20世纪80年代初期由英国中央电力局（Central Electricity Generating Board，CEGB）首先提出来的，该方法由Scottish Power于1986年最先引进并应用于英国的Torness 420kV的GIS设备上[2]。Torness电站的多年运行经验验证了该方法的可行性，并得到了人们的认可。随后UHF法也被用于变压器等其他电力设备的局部放电检测中。经过三十余年的发展，该方法逐渐成熟，相关的技术标准也相继形成。期间英国Strathclyde大学、德国Stuttgart大学、荷兰Delft大学和日本Nagoya大学的研究工作最为突出[3]。此外，英国的Rolls Royce工业电力集团、QualitrolDMS，德国的Siemens AG、Doble-Lemke，瑞士的ABB，荷兰的KEMA，法国的ALSTOM T&D，日本的Kyushu Institute of Technology、东京电力、三菱、东芝、日立、AEPower Systems，韩国的Power System Diagnosis Tech、HYOSUNGCorporation，澳大利亚的New South Wales大学、Powerlink Queensland Ltd作了大量的基础理论研究与技术开发工作。自20世纪90年代末以来，国内的西安交通大学、清华大学、重庆大学、华北电力大学、上海交通大学等高校和公司也开展了大量的研究和推广工作，取得了一定的研究成果。基本从2006年以来，UHF局放检测技术在国家电网公司、南方电网公司等国内电力企业得到了广泛应用，特别是在气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulation Switchgear, GIS）的绝缘缺陷检测中发挥了重要作用。
20世纪90年代，由Judd和Hampton等人对局放电磁波的激励特性及其传播特性做了研究，对电磁波的表达式进行了推导分析。此外，还提出采用分析电磁场的有限时域差分(FDTD)方法对GIS 局放的激励特性进行仿真分析。德国
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Stuttgart大学的Kurrer和Feser等研究人员采用脉冲电流法、超声波法和UHF法对GIS中局放进行检测研究，对电磁波在GIS腔体内传播衰减情况进行了研究。日本大阪大学的Kawada和东京电力公司的Okabe等人对GIS内电磁波的激励和传播特性以及采用UHF方法对其进行检测做了很多细致的仿真和研究工作。荷兰Delft理工大学的Gulski和Meijer等学者采用并对比了脉冲电流法、UHF窄带以及宽带法检测局放的结果，指出可以通过分析检测到的局放信号，对GIS设备进行风险评估。上世纪90年代以来，以英国DMS公司为代表的特高频局放检测仪器制造企业成功研制了便携式检测装置，并得到了广泛应用。国内的一些仪器制造企业于2007年以来将该技术引入国内，开始研制、开发特高频局放检测装置，并投入商业运行，但整体性能尚不及国外水平。
上海交通大学智能输配电研究所的江秀臣、钱勇等学者系统深入地研究了GIS设备局放的基本特征，并结合新型传感器技术和数字信号处理技术，开发出基于UHF和超声传感器的局放在线检测、定位和故障诊断设备。经过大量的模拟试验和现场检测，收集了大量的现场数据，积累了丰富的局部放电检测经验，在局部放电定位、局放脉冲提取、放电类型识别以及放电量估计方面逐步形成了自己独特的经验和知识，并取得了良好的使用效果[4-7]。
西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室的邱毓昌和王建生等人对特高频传感器进行了研究，并采用网络分析仪对其频率响应特性进行测量，具有良好的频率响应特性，实测带宽可达3GHz。研制了GIS局放特高频检测系统装置，并在实验室GIS内模拟故障缺陷，通过对特高频局放测量系统进行试验，表明检测效果良好[8]。
清华大学电机系刘卫东、钱家骊等学者从1986年获得机械工业部七五公关项目—GIS内部故障检测开始，进行了GIS局放监测和诊断的技术研究。1994年，最早提出了基于体外特高频传感的GIS局放在线监测方法，并于1995年开发出应用装置，至今已在国内外数十家电力企业和电力设备制造企业得到应用，多次发现了放电并进行了定位[9,10]。但该装置对采集的放电信号如何进行分析处理，进而进行模式分类判断问题，尚无法给出定论。
华北电力大学高电压与电磁兼容实验室李成榕等学者对UHF传感器进行了研究，在实验室设计了用于模拟GIS内部局放的各种绝缘缺陷模型并进行局放检测试验。采用FDTD法对GIS 局放传播特性进行了分析，开发出一系列在线
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监测装置，既能够对GIS进行在线监测，也能固定安装进行长期监测，并可实现对局部放电源的定位[11]。
重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室孙才新、唐炬等学者对UHF传感器模型和性能做了大量研究，研制了圆板和圆环两种内置传感器以及用于局放在线监测的高频微电流传感器，分析了它们的频率响应特性以及输入输出特性。研制出一套GIS 局放在线监测装置，已成功运行于某220kV的GIS变电站[12]。
UHF局放检测技术下一步的研究与应用工作主要围绕以下几个方面展开： （1）对新型UHF传感器的研究。鉴于国内大量早期设计制造的GIS无法安装内置传感器，灵敏度高、抗干扰性能好的外置传感器还有待深入研究。
（2）对UHF信号在GIS内外传播特性的研究。鉴于GIS结构及UHF信号传播模式的复杂性，研究GIS内部和外部UHF信号的传播特性对于完善UHF监测系统具有重要意义。
（3）对局放源的识别和定位新方法的研究。应注意选择最优的神经网络结构，由于局放信号的分散性，分形分析等新技术可用于识别局放源；鉴于常规时间差定位法对传感器及分析仪器的高要求，研究简捷的定位技术也是当务之急。
（4）对UHF检测装置的的研究与开发。目前国内UHF检测方法的核心关键技术仍然整体落后于国外，特别是落后于以英国、韩国等为代表的检测仪器制造水平。这就需要尽快集中国内技术优势，研究和开发具有国际领先水平的UHF检测装置。
1.2 技术特点
1.2.1 技术优势
目前局部放电检测手段主要有脉冲电流法、特高频法、超声波法、化学法以及光学法。脉冲电流法是局部放电最成熟可靠的检测方法，灵敏度高，可定量分析，但是其缺点是不能定位，且不能用于运行中的设备；化学法是利用放电使绝缘介质发生分解，通过检测这些分解产物含量来判断是否存在放电及放电量大小，包括充油设备中成熟应用的气相色谱法，以及SF6开关设备中的气体分解产物法。但是SF6分解产物法由于SF6气体自身复合力强，且气室内有吸附剂存在，以及GIS设备中往往多个气室互通等因素存在，灵敏度较低。光学法需安装多个传感器，不能用于设备内部放电检测。特高频法具有以下技术特点：
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（1）检测灵敏度高。局部放电产生的特高频电磁波信号在GIS中传播时衰减较小，如果不计绝缘子等处的影响，1GHz的特高频电磁波信号在GIS直线筒中衰减仅为3～5dB/km。而且由于电磁波在GIS中绝缘子等不连续处反射，还会在GIS腔体中引起谐振，使局部放电信号振荡时间加长，便于检测。因此，特高频法能具有很高的灵敏度。另外，与超声波检测法相比，其检测有效范围要大得多，实现在线监测需要的传感器数目较少。
（2）现场抗低频电晕干扰能力较强。由于电力设备运行现场存在着大量的电磁干扰，给局部放电检测带来了一定的难度。高压线路与设备在空气中的电晕放电干扰是现场最为常见的干扰，其放电产生的电磁波频率主要在200MHz以下。特高频法的检测频段通常为300M～3000MHz，有效的避开了现场电晕等干扰，因此具有较强的抗干扰能力。
（3）可实现局部放电源定位。局部放电产生的电磁波信号在气体中传播近似为光速，其到达各特高频传感器的时间与其传播距离直接相关，因此，可根据特高频电磁波信号到达不同传感器时间的先后，判断信号源的方向，或利用电磁波到达气室两侧两个传感器的时间差以及两个传感器之间的距离，计算出局部放电源的具体位置，实现绝缘缺陷定位。为GIS等设备的维修计划制订、提高检修工作效率提供了有力的支持。
（4）利于绝缘缺陷类型识别。不同类型绝缘缺陷的局部放电所产生的特高频信号的脉冲幅值、数量、相位分布、频谱不同，具有不同的谱图特征，可根据这些特点判断绝缘缺陷类型，实现绝缘缺陷类型诊断。 1.2.2 局限性
同时，UHF局放检测技术也具有一定的局限性，主要体现在以下几个方面： （1）容易受到环境中特高频电磁干扰的影响。由于UHF局放检测技术的检测频率范围为300M～3000MHz，在如此宽的频带范围内可能存在手机信号、雷达信号、电机碳刷火花干扰等环境电磁干扰信号，在超高压敞开式变电站内也存在着较强的电磁干扰信号。这些干扰信号可能会造成对UHF检测的干扰，从而影响到检测的准确性。
（2）外置式传感器对全金属封闭的电力设备无法实施检测。对带金属法兰屏蔽环的GIS、全金属封闭的变压器等电力设备，内部局部放电激发的电磁波无法传播出来，也就无法应用外置式UHF检测技术实施检测，特别是对已经运行
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