GIS局部放电诊断定位方法及其应用研究
第一章绪论
1.1研究背景及意义
现代电力系统中，供电可靠性是衡量供电企业运行管理水平的关键指标。在不降低供电可靠性的前提下，延长设备寿命、节省维修费用是电力部门面临的重要课题。SF6气体绝缘组合电器设备的诞生，为这一重大课题取得了突破性的进展。GIS相当于一个开关站，它将断路器、避雷器、隔离幵关、电压互感器、电流互感器、套管、母线等大量电气元件，封闭在一个接地的圆柱形金属外壳中，充入SF6气体作为绝缘介质，并使用盆式绝缘子起到支撑绝缘作用，取代了以裸导线作为连接、用空气作为绝缘的传统做法。所以，GIS设备具有占地面积小、可靠性高、检修周期长等优点，现广泛应用于城市供电、发电厂等高压输变电系统中。
虽然GIS有上述诸多优点，但也带来了许多新的问题：
（1）GIS内部结构复杂、质量要求苟刻、制造和检修的工艺都较为繁多；
（2）GIS旦发生故障，可能导致整段或整个间隔停电跳闹，停电影响的范围大；
（3）GIS的检修工作更加繁琐复杂，停电所影响的范围也更大；
（4）GIS采用全封闭结构，传统的预防性试验无法开展。
可见，与传统的电气设备相比，GIS对制造和检修工艺有更为严格的要求。制造过程中，如果电极上出现金属尖端、绝缘子存在空穴、安装时部件松动、运行过程中发生老化、腔体内有金属颗粒，都可能导致不同程度的放电。长期的局部放电会导致绝缘劣化，甚至造成整个绝缘击穿或沿面闪络，引起设备停电事件，影响供电可靠性。
1.2GIS局部放电产生的机理
GIS以SF6气体作为绝缘介质，SF6气体是局部放电发生的环境，所以气体中带电质点的产生和消失决定着放电的现象。电极空间与电极表面的气体分子在碰撞、光辐射或热福射的情况下发生电离，产生带电质点。当电场强度增加到一定程度时，带电质点获得了很大的能量，会以放电的形式进行释放，导致放电现象的产生。由于GIS内部电场的分布主要可以分为两种，同轴圆柱型电极（相对地）或双圆柱型电极（相间），内外电极的曲率半径在同一个数量级，电极间距离为几十到上百毫米，在绝缘现实良好的情况下，GIS内部电场应属于稍不均匀的电场。当GIS内部存在绝缘缺陷时，局部场强发生畸变，就会产生极不均勾电场。
极不均匀电场中的放电过程大致可分为电晕放电，先导放电和主放电三个阶段，遵循流注一先导一击穿的分级发展机理⑴。当施压在SF6气体间隙上的电压足够高时，在场强集中处的电场强度会超过临界场强。此时，由负离子脱附出的电子或发射出的电子将导致电子崩的产生。在电子崩前端集聚大量电子和离子，使前方电场进一步增强，电离和复合过程加剧，并有大量的光子产生。在这些光子作用下将产生电离，形成较为复杂的流注放电。
间隙的击穿过程为SF6气体间隙先导的形成和发展过程，该放电过程也可以分为三个阶段：流注电晕爆发、流注向先导转变、先导的发展与击穿。当场强集中处爆发的流注电晕发展到末期，电晕中大量空间电荷的存在使外电场发生畸变，起到减弱电场的作用。此时，流注电晕电流继续向电离区注入能量，开始向先导转变，伴随着产生两种运动。第一种运动是随电晕电流向流注区注入能量的增加，引起放电通道的热膨胀；第二种运动是放电通道内的正负离子向相反方向作漂移运动。根据这两种运动的不同影响，其放电机理可以分为两种，一种为莲先导机理，另一种为前驱机理，SF6气体的莲先导一般伴随前驱先导同时产生。
前驱机理是指由放电通道内的正负离子向相反方向作漂移运动产生先导的过程。在前驱机理中，流注通道内产生的大量空间电荷在电场作用下分别向异性电极漂移，使正负离子分开并形成空间极化，使流注前方的局部电场增强，当超过临界场强时，又形成新的电离，前驱先导形成。此后，空间电荷的屏蔽作用会暂时停止放电的发展。随着流注通道的热膨胀及空间电荷的扩散和漂移，屏蔽作用减弱，使前方电场再一次得到加强。当随电场增强而产生的新电离达到一定程度后，再一次产生前驱先导。由于正离子的迁移速度与电场强度关于，较低的边缘电场强度，造成了前驱区域空间电荷和能量的集中。前驱机理只出现在强电负性气体中，正负极性电压下都可能发生。
第二章GIS局部放电综合测试方法
本章旨在评估各类局放测试法的优缺点和适用性，提出一套从局放普测、大致定位到精确定位的全维度GIS局部放电诊断定位方法。
2.1GIS局部放电综合诊断方法
近年来，供电企业在GIS局部放电带电测试运用中存在两种不同的方式。一种是超声波检测技术，该方法有效检测距离短，且对PT和CT等本身存在机械振动的情况，测试结果易受干扰。另一种是超髙频技术，存在受电磁干扰、测试图谱难匹配以及无法测试全屏蔽的盆式绝缘子等诸多的不足。表2-1列举了目前局放测试方法的优缺点和适用性。
通过这四种方法的比较发现，虽然目前的GIS局部放电监测及定位技术形式多样，但在实际应用中，每种技术方法均有自己与众不同的优势和适用条件，单一的测试方法无法有效避免局放测试的死角;。考虑将声电气三者有机结合，以超高频和超声波两种测试方法为主，以SF6气体组分分析为辅，优势互补、逐步深入，可以更加准确、真实地反映GIS内部故障情况。
具体步骤如下图所示：
（1）局放普测阶段：将GIS局部放电测试和SF6组分测试两种方法结合在一起。局放检测选择超高频测试法，利用超高频信号有效测试距离长的优势，可进行大范围普测，且利用SF6气体测试有效弥补超高频受电磁干扰的缺点；
（2）大致定位阶段：利用超声波随距离衰减速度快的特点，逐个气室寻找局放源的位置。并通过分析测得声音信号的有效值、峰值、50Hz和100Hz相关性等参数，验证前一步对局放类型的推断；
（3）精确定位阶段：在GIS腔体内建立坐标系，通过示波器分析超高频或超声波信号时延，计算出局放源的精确位置。
2.2GIS局部放电的普测
根据2021年新版的《电气设备预防性试验规程》相关规定：
（1）GIS设备的局部放电测试周期：新投产的一年内每三个月一次，如果无异常其后，周期改为一年幵展一次。如果对绝缘性能有所怀疑或者巡检时发现异常，可配合气体成分分析，来判断是否明显的局部放电信号。
（2）GIS设备的气体检测周期：新投产的GIS设备一年开展一次，如果没有发现异常情况，周期改为三年开展一次。如果出现GIS设备运行有异响或异常跳闹，开断短路电流异常时，可临时增加测试次数。
作为《电气设备预防性试验规程》规定的两个项目，GIS内部的局部放电和SF6根据周期开展的。在初期局放的普测开展中，可先使用UHF超高频测试仪，对局部放电的类型进行定性分析；再利用SF6气体组分分析仪，验证气室内部是否出现疑似气体成分超标的情况。
2.2.1基于UHF超高频局放检测技术的诊断方法
局部放电发生时，电磁波的信号在GIS腔体内，反复发生折射、反射、衰减、迟延等光效应现象，并通过盆式绝缘子放射到外界。所以，可通过高敏传感器采集盆式绝缘子上泄漏出来的电磁波，用以分析电磁波的特征。电磁波表述式一般有两种，一种是PRPSA模式，PRPSA模式全称为脉冲序列相位分布分析，是通过不波器米集到最直接的电磁波信号，包含了局放信号的全部信息。
第三章GIS局放定位方法的仿真与试验....23
3.1GIS内部电磁场传输特性的仿真研究.........23
3.1.1电磁波在GIS内部传播方式.........23
3.1.2GIS内部电磁场仿真理论........25
第四章GIS局放诊断技术工程应用.......35
4.1220V梧桐站GIS局放缺陷检测..........35
4.1.1测试案例1...........35
4.1.2测试案例2............39
第四章GIS局放诊断技术工程应用
在本章将理论与工程实例相结合，对深圳地区的86个GIS变电站开展局放带电测试，验证方法在工程上的应用效果。
4.1220V梧桐站GIS局放缺陷检测
4.1.1测试案例1
（1）局放普测
在对220V梧桐站GIS开展普测过程中，发现梧盐1线1535间隔内存在疑似局放信号，如图4-1所示。超高频传感器A、B、C所采集到的信号具有明显的相位特征，幅值较大，且信号较为稳定。为了能够更加直观地看到局放信号的特征，在信号的输入端加入了20dB的衰减器，所采集到的超高频PRPD图谱如图4-2所示。
从局放特征图4-2中可见，该特征图在90度和270度附近强烈的发生，其波形的幅值大，并且散发的发生。该特征图与图2-7的悬浮放电图谱具有很大的相关件。用专用胶锤对腔体进行敲击，局放的有效值和峰值均无明显增长，排除局放点位于外壳内壁。推断梧盐I线1535间隔内疑似出现悬浮电极放电的现象。
结论与展望
1.结论
本文以GIS设备内部局部放电为研究对象，局部放电的诊断和定位为核心问题，基于仿真计算和现场试验相结合的方法，综合气体组分分析法、UHF超高频法和超声波法的优势，提出了一套从局放普测、大致定位到精确定位逐层深入的诊断流程。将该方法推广到工程应用中，在深圳地区成功识别了多起内部绝缘隐患，解体检测验证了方法和流程的有效性，得到以下主要结论：
（1）电磁波在GIS腔体内非直线传播，发生了折射、反射、漫射等多种光电效应，其在GIS内部的传播速度小于光速3.00*10m/s；通过xFDTD软件仿真GIS腔体内部电磁场传播路径、时延等特性。将其应用于工程实例，发现在实际中应用时延计算而得的局放源位置基本与解体后的缺陷位置一致，验证了该理论的有效性。
（3）在GIS腔体内建立二维坐标系，可采用基于超高频的多探头定位方法，通过两个以上的传感器采集电磁波信号时延，计算得出局放源的位置。在GIS内部建立三维坐标系，可采用基于超声波的多探头定位方法，通过三个以上传感器采集超声波中的直达波信号时延，计算得出局放源的位置。
2.展望
由于当前GIS试验规模的限制以及研究的时间限制，本文的研究还有许多需要进一步完善的地方：
（1）本文只针对四种典型的局放缺陷进行分析和模式识别，但实际中GIS内部还存在其他类型的局部放电。且在不同时期，同一种绝缘缺陷导致的放电信号也不尽相同。可针对GIS不同类型的绝缘缺陷进行更多的试验，包括不同电压、不同环境下的局放情况。结合现场实际运行情况，积累丰富的试验数据进行细致的分类研究，提高模式识别的正确率。
（2）精确定位理论基于信号的时延确定故障位置，本文时延就散是以两个波形的第一个波峰为起算点，不一定能完全准确地计算出信号间的时延，考虑下一步通过起始信号的能量来计算信号时延。
参考文献（略）