基于脉冲电流法的GIS局放检测实验方法研究

张英豪

（广州致新电力科技有限公司，广东 广州 510540）

0 引 言

由于SF6气体具有不可替代的电绝缘性能与灭弧性能，因此GIS选用它作为绝缘与灭弧介质。GIS对生产环境和零部件质量的要求非常高。例如：环境中的粉尘与金属屑、导电回路上的尖角毛刺、筒壁上的焊缝、装配时残留在气室内的金属屑、绝缘盆子表面的金属异物以及绝缘盆子浇筑形成的气泡，在出厂或现场试验时可能不会发生闪络或局放事故，但长期运行后会发生闪络或局放事故，进而诱发单相或三相短路事故，甚至会导致筒体爆炸。

目前，脉冲电流法是唯一一种能够定量检测局部放电的方法。它的检测结果是以皮库为单位的视在放电量。该方法属于定量性质的测量，能客观反映电气设备的绝缘状态。基于脉冲电流法的局部放电测试主要用于产品开发后的型式试验和出厂前的局放检测试验。本文旨在探讨一种基于脉冲电流法的GIS典型局部放电数据采集实验方法。

1 GIS典型局放类型

局部放电是绝缘介质劣化的主要原因，并会诱发高压电气设备出现绝缘击穿现象。GIS设备的绝缘盘子或绝缘支座通常由位于中心部位的金属导体与非导电绝缘材料组成。根据电极曲率半径及其放电发展形式，绝缘盘子或支座可划分为均匀场结构、微不均匀场结构和极不均匀场结构3种类型，其中真正能诱发局放现象发生的只有极不均匀场结构。在GIS设备耐压试验或带电运行中常会发生局部放电，主要有悬浮电位放电、尖端放电、绝缘气隙放电以及自由金属[1]放电这4种典型的局放类型。

1.1 悬浮电位放电

在零件生产制造、部件组装、大块试验、交付运输、现场安装和送电运行等过程中，GIS内部有可能会产生机械松动。例如，均压罩或屏蔽层松动、导电杆支撑处顶丝松动、电气连接紧固不良以及导电杆与电气连接接触不良等会导致失去有效接地，使其处于高压和低压电场之间，形成电容分压并对地有电位。当场强增加到足够大的时候，就会发生悬浮电位放电现象[2]。

1.2 尖端放电

当主电路的表面存在比较严重的缺陷时，如出现未处理的尖角和毛刺，或导电和绝缘结构设计不合理，会导致导体表面电场强度过高而诱发局部放电。但是，由于导体处于SF6气体的绝缘介质中，因此会表现为电晕放电[2]。

1.3 绝缘气隙放电

绝缘介质或电介质与电极之间有可能存在裂缝和气隙，而间隙的形状、大小和位置与气隙中气体的性质有关。当电场强度因缺陷达到一定值时，设备就会发生局部放电。

1.4 自由金属放电

GIS在制造、安装、运输和操作过程中会有金属异物的产生、残留和混入。金属异物在强电场作用下会跳动并产生局部放电。

局部放电只发生在一个或多个小区域内且放电量小，不会形成贯通放电通道，因此不会影响电气设备的短期绝缘强度。但是，电介质在局部放电的作用下会导致电气发生老化和击穿现象。

2 基于脉冲电流法的GIS局放检测实验措施

局部放电量的检测结果以皮库（pC）为计量单位。各种干扰信号对检测结果的准确度有很大影响，如在无屏蔽地方检测到的干扰信号可能会达几百皮库，因此需要高水平的生产与组装工艺、高精度的计量设备以及苛刻的测量环境。GB/T 7354—2018第7节“干扰”中明确要求“背景噪声水平不应高于规定允许局部放电幅值的50%。在做高压设备的验收试验及型式试验时还应记录背景噪声水平。对显然外部干扰引起的高读数可以忽略不计”。此外，GIS产品局部放电量的标准不能高于5 pC，部分优质产品的局部放电量不高于3 pC。

最常见的干扰来源于空间电磁、电源和接地系统。基于脉冲电流法的GIS局放检测实验通常会采取屏蔽、滤波和接地的措施[3]。例如：将试品置于高标准的屏蔽室，在进入屏蔽室前将实验回路和检测回路供电电源接入低通滤波器，同时将所有不参与实验的金属结构妥善接地。这些措施能有效隔绝外界信号的干扰。

屏蔽技术可以用来抑制电磁干扰信号沿空间的传播，以切断其传输路径。通常使用钢板、钢丝网或镀锌冲孔板制作电磁屏蔽室，其送风和排风均采用焊接式蜂窝型通风波导窗，屏蔽门可采用气密平移门和旋转门，但门边屏蔽材料应选用铍铜弹簧压接片，以实现屏蔽体内外各种“场”内的隔离。实验用屏蔽室应依据《处理涉密信息的电磁屏蔽室的技术要求和测试方法》BMB3—1999、《高性能屏蔽室屏蔽效能的测量方法》GB/T 12190以及《电磁辐射防护规则》GB 8702—1988等标准的要求进行建设，且需第三方检测实验通过后才能正式启用。

屏蔽室的性能指标主要包括屏蔽效能和绝缘电阻。对于屏蔽效能，要求磁场为10 kHz处的屏蔽效能≥70 dB，磁场为150 kHz处的屏蔽效能≥95 dB。电场在200 kHz～50 MHz范围时，屏蔽效能≥100 dB。对于绝缘电阻，要求值≥500 MΩ。

进出屏蔽室的电源和信号线均要接入EMI滤波器，以防止电源或外来电磁噪声的干扰。此外，进出屏蔽室的电源线、信号线和控制线均采用屏蔽线，同时试验变压器低压供电侧还需接入隔离变压器。

屏蔽室、GIS局放模拟设备、升压变压器、检测阻抗以及隔离变压器等均应可靠接地，不仅可以起到保护接地的作用，确保操作人员和设备运行的安全，还能起到工作接地的作用。既可给电源回路、控制回路和信号线提供一个地电位，也可作为回流线。屏蔽室和屏蔽层的接地能减弱电容耦合效应。屏蔽室要求设立一个接地极并能独立接地。接地桩一般采用镀锌铜管或铜棒。采用接地独立能排除与其他设备共用所带来的局放干扰信号。此外，接地电阻值要小于1 Ω。

3 基于脉冲电流法的GIS局放检测的实验原理

局部放电信号的能量主要集中在几千到几千兆赫的低频段，因此脉冲电流法测量局部放电信号时应选择一个较低的频带，从而避免无线电信号的干扰。局部放电在测试电路中会产生脉冲电流，通过检测阻抗将电流脉冲转换为电压脉冲。电压脉冲的波形和幅值可被测量，且其幅值与视在放电量的大小成正比。

局部放电检测电路的连接方法可分为平衡法和直接法两类。平衡法需要两个相似的样品，能有效抑制电源或试品高压侧的干扰，但其实验投入与所用场地较大，不宜采用。直接法包括串联法和并联法[3]。GIS作为试品时，导电主回路与筒体外表面是电容的两极。SF6气体为绝缘介质，筒体外表面接地。采用串联法时，试品两端均需对地绝缘，因此不适用于GIS脉冲电流法检测。而并联法一端绝缘一端接地，适用于GIS脉冲电流法检测。

4 基于脉冲电流法的GIS局放检测回路设计

为采集与研究GIS典型局部放电数据，设计了基于脉冲电流法的局部放电检测回路，如图1所示。图1中，Z为保护阻抗，Cx为GIS试品集中参数电容，Zm为检测阻抗，Ck为耦合电容，EMI为电磁干扰滤波器，a、b、c、d为GIS典型局放模拟发生模块。

屏蔽室外设置操作台，操作台上面布置调压控制器和电脉冲局部放电检测仪。屏蔽室的供电电源均为220 V交流电。调压控制器用于调节无局放升压变压器的电压。电脉冲局部放电检测仪用于采集和保存局放数据，并显示局放波形图。

图1中，虚线框1内为屏蔽室内设备，虚线框2为GIS局放模拟装置内部所装设备。屏蔽室内置GIS局放模拟装置、检测阻抗Zm和隔离变压器。调压控制器对输出电压进行调压前，应先通过EMI滤波器。EMI电源滤波器是一种无源低通滤波器，由串联电感、并联电容和必要的串并联电阻构成。它利用电感和电容的高频特性，将150 kHz以上高频噪声的能量消耗掉。

图1 局部放电检测回路

隔离变压器采用1:1绕组，将一、二次绕组分别固定于不同的心柱上，减小绕组间的电容值，从而有效避免静电干扰。在绕组间设置非磁性导电电纸作为屏蔽层，再给整个变压器做一个屏蔽外壳，则一、二次绕组之间只有耦合剩磁，其等值分布电容可小于0.01 pF。在隔离危险电压的同时，它能将相对大地产生的共模干扰信号衰减到60～80 dB。

GIS内设置无局放升压变压器、耦合电容器以及4个典型局放模拟发生模块。隔离变压器输出低压与GIS内无局放升压变压器低压侧相连，输入GIS的电源电压为220 V，绝缘要求低，因此不需要高压套管GIS装置高度就可以降低，且使高压部分在SF6气体室内无外漏高压带电部分，使得设备更安全。GIS局放模传装置总高度控制可在1.5 m以下，则相应屏蔽室高为2.7 m就可以满足实验要求，并将局放屏蔽室建于楼宇内，以实现GIS的紧凑型布置。该设计方案有利于降低实验成本。

5 基于脉冲电流法的GIS局放检测实验数据采集与分析

根据实验原理进行GIS局放检测实验数据采集装置的制作和屏蔽室的建造。采集GIS局放模拟装置在无局放模拟发生块下的背景局放数据、悬浮放电数据以及尖端放电数据，并用椭圆时基法展示采集的GIS试品的视在放电量，如图2、图3和图4所示。

图2 背景局放数据

图3 尖端放电数据

图4 悬浮放电数据

图2为GIS局放模拟装置在无局放发生模块下从零缓慢加压到38.9 kV后的背景值，最大放电量为3.66 pC≤5 pC（GIS允许的最大局放值）。图2显示，在整个升压过程中，局放量无明显放大，也无检测到干扰信号。一个工频周期内放电量稳定且幅值较小，则说明检测回路（含有局放发生模块）与实验回路都能有效滤除干扰信号。此外，试验样品无装配不良导致的局放发生，因此采集的尖端放电数据和悬浮放电数据是真实可靠的。

图3中，采用GIS局放模拟装置中的尖端放电模块加升压到38.2 kV，最大局放量为36.2 pC。图3显示，尖端部分接地，其放电次数较多、持续时间相对较长且极性效应非常明显，能量集中在正半周60°～95°的范围内，且局放量在此范围内显著放大。背景值在一个工频周期内大小均匀，对尖端放电特征的影响很小。

图4中，采用GIS局放模拟装置中的悬浮放电模块加升压到51.4 kV，最大局放量为58.9 pC。图4显示，放电集中在第一、三象限，幅值相当且较大，放电脉冲幅值稳定且放电持续时间短。背景值在一个工频周期内相对稳定且较小，对悬浮放电特征的影响很小。

以上3组局放数据特征明显，图1、图2和图3中均无明显干扰信号，验证了屏蔽、滤波和接地等措施是有效的，能显著降低背景局放值，且有效隔绝了外界干扰信号，保证了基于脉冲电流法获取的局放数据真实可靠。

6 结 论

本文分析了GIS局放数据采集所需实验的措施和原理，并提出用脉冲电流法采集GIS典型局放数据的实验方法。此外，依据所研究的方法设计局放专用屏蔽室与GIS局放模拟装置，成功获取了无局放发生模块下背景局放数据、尖端放电数据以及悬浮放电数据，验证了局放检测回路设计的正确性，同时验证了屏蔽、接地和滤波等一系列措施是有效的。