隨著經濟不斷發展，電網規模不斷發展擴大，氣體絕緣開關設備（gas insulated switchgear, GIS）數量也在不斷增加。GIS一旦存在絕緣缺陷就極容易造成停電事故，且GIS停電檢修程序復雜、耗時相對久、檢修費用高。

據資料報道，2012年4月10日廣東深圳某500kV變電站的GIS絕緣故障造成多個行政區大范圍停電。國際大電網會議CIGRE調查表明，50%以上的GIS故障是可提前發現的，即可以通過多種方式進行帶電檢測，提前預判。

1 GIS絕緣故障

根據中國電力科學研究院《國家電網公司2015年開關設備運行情況及近十年GIS故障專題分析》資料顯示，截止2015年底，國家電網GIS組合電器64663間隔發生缺陷3218間隔次，其中危急和嚴重缺陷包括SF6成分異常、SF6低壓力報警及閉鎖、斷路器操動機構異常、濕度超標等。

資料顯示2015年GIS故障跳閘14次，故障率為0.022次/（百間隔?年），其中內絕緣擊穿故障占12間隔次，比例高達85.7%；同時，資料按近10年故障產生的本質原因統計，發現GIS氣室內異物導致的故障次數最多、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%。

通過以上的資料數據得出，絕緣問題是導致GIS故障的最大潛在因素，提前發現絕緣缺陷后采取可靠措施可有效避免發生設備故障。

2 GIS局部放電帶電檢測應用現狀概述

GIS內部產生局部放電過程中會伴隨一系列物理和化學現象，包括聲、電、光、熱、氣體分解等，根據這些不同的物理或化學現象可以采用不同的檢測技術來檢測GIS內部的局部放電情況。特高頻（ultra high frequency, UHF）檢測技術可以檢測GIS氣室內是否有局部放電產生的特高頻信號，IEC 62271-203也推薦特高頻檢測可以作為GIS局部放電的檢測方法，對于UHF現場靈敏度的校驗CIGRE TF 15/33.03.05則提供一個建議的方法。

超聲波檢測技術可以發現GIS氣室內是否有局部放電產生的超聲波信號。紅外檢測技術可以發現是否具有溫度變化。氣體分析法可以發現內部SF6氣體是否有化學反應分解產生的硫化物、氟化物等。

目前國內針對GIS的局部放電檢驗過程中使用的超聲波和特高頻檢測比重均大于80%。可將整個技術應用現狀分成以下幾點：

1）日常應用規范化情況。

在國內已基本形成了相關標準和應用導則，包括《國網（運檢/3）829—2017國家電網公司變電檢測管理規定（試行）》的75份細則、DL/T 1250—2013《氣體絕緣金屬封閉開關設備帶電超聲局部放電檢測應用導則》、Q/GDW 11059.1—2013《氣體絕緣金屬封閉開關設備局部放電帶電測試技術現場應用導則 第1部分：超聲波法》、Q/GDW 11059.2—2013《氣體絕緣金屬封閉開關設備局部放電帶電測試技術現場應用導則 第2部分：特高頻法》。

國網于2013年發布了帶電檢測儀器性能檢測方案，已組織開展過多批次局部放電測試儀器的檢測工作。其中針對超聲波發布Q/GDW 11061—2017《局部放電超聲波檢測儀技術規范》來替代2013版。

2）實驗室研究情況。

目前各電科院、生產研發實力較強的廠家均搭建了相關GIS模擬試驗平臺和GTEM小室平臺、超聲波測試平臺進行設備性能指標的研究。

其中GIS模擬試驗平臺目前常見的有西湖電子生產的GIS模擬裝置，但該模擬裝置無法保證每次加壓產生的局部放電信號的一致性。GTEM小室平臺則主要是采用脈沖時域法測試特高頻傳感器在工作頻段內的平均等效高度值的大小（以mm單位進行表征），同時測試儀器的靈敏度、動態范圍、模式識別準確性等。超聲波測試平臺主要測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境下測試效果較佳。

3）在線監測應用情況。

國家電網目前并未大批量應用GIS局部放電在線監測系統，僅部分220kV、330kV、750kV等的GIS在斷路器或母線上安裝內置式傳感器，而南方電網的廣東、貴州、海南均已安裝了較多的在線監測系統。主要的行業標準有DL/T 1432.4—2017和DL/T 1498.4—2017。

針對在線監測裝置的考評入網檢測，目前各省市均主要參照DL/T 1432.4—2017要求，測試項目包括傳感器頻響特性、系統靈敏度、系統動態范圍、系統放電類型識別準確率、系統配置有效性驗證、抗干擾性能、系統信號同步方式檢查、通道有效性檢查、通信一致性、電磁兼容（electromagnetic compatibility, EMC）等。

隨著南方電網建設規劃，目前云南、廣西兩省也逐步對220kV以上電壓等級的變電站加裝GIS局部放電在線監測裝置。同時，在南方電網公司2020年度供應商資格預審中已經增加對GIS局部放電在線監測裝置的審查要求。

3 特高頻和接觸超聲波測試模擬研究

本文依托西湖電子生產的GIS模擬裝置模擬了尖端放電、金屬顆粒放電、氣隙（內部）放電、懸浮放電。該裝置主要由升壓氣室、耦合電容氣室、校驗裝置、典型絕緣缺陷放電氣室、視頻監控、支架等部分組成，其實物裝置如圖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需要觀察模擬試驗產生的pC量。

通過實驗室模擬測試，主要得出以下的典型圖譜及結論：

1）尖端放電模型。

特高頻和超聲波均能有效檢測，其信號特征均表現為脈沖幅值分散性較小，脈沖次數較多，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，其信號特征表現為脈沖幅值分布較廣，放電時間間隔不穩定，無相位相關性，如圖4所示。

圖1 裝置實物圖

圖2 各放電模型視頻照片

圖3 尖端放電模型的測試圖譜

圖4 顆粒放電模型的測試圖譜

3）氣隙（內部）放電模型。

僅特高頻能有效檢測，其信號特征表現為脈沖幅值較分散，脈沖次數較少，放電相位較穩定，在工頻相位上呈兩簇分布，如圖5所示。

圖5 特高頻測試PRPS圖譜

4）懸浮放電模型。

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

圖6 懸浮放電模型的測試圖譜

4 現場應用案例分析

4.1 測試概況

2018年1月在某電廠對某高壓開關廠8DN9-2型存在異響的某GIS間隔進行局部放電帶電測試，發現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，特高頻測試選擇在電纜終端側的絕緣法蘭處測試，未檢測到異常特高頻信號。

超聲波測試結果發現，在2U71出線間隔C相的避雷器氣室存在異常超聲波信號，如圖7所示，超聲波信號幅值明顯，信號穩定的最大幅值在1.778mV左右；同時，存在明顯的100Hz相關性，PRPD圖譜顯示90°和180°相位對稱分布；從局部放電測試儀的耳機中也可以聽到有放電特征的聲音。

且測試環境不存在干擾，橫向對比分析該間隔C相其他氣室及其他相鄰間隔的避雷器氣室的超聲波測試結果均與環境背景相當，如圖8所示。

4.2 測試結果分析

根據以上的現場局部放電帶電檢測結果判斷：

①C相避雷器氣室內部存在有懸浮放電，異常超聲波信號幅值最大約1.778mV，100Hz相關性明顯；②在電纜終端側的絕緣法蘭未檢測到異常特高頻信號，主要是受信號本身大小和不同氣室的氣隔盆子衰減較大的影響；③現場對異常C相避雷器氣室進行SF6氣體成分測試，結果未發現SO2、H2S、HF氣體成分異常。

綜合判斷，局部放電處于相對較初始階段，且超聲波幅值未達到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試照片

圖8 超聲波檢測PRPD圖譜

進一步結合圖9所示的避雷器氣室內部結構分析：異常放電點的正下方為氣隔的盆式絕緣子，長期持續懸浮放電產生金屬粉塵落到氣隔盆子上后容易急劇擴大，進而發展形成絕緣閃絡。為防止絕緣故障，該業主單位會同GIS生產廠家進行了停電檢修處理。通過現場停電檢修解體可以明顯看出，該避雷器氣室內部的導體連接松動，接觸不良產生懸浮放電的痕跡，如圖10所示。

圖9 避雷器氣室內部結構圖

5 結論

通過以上對GIS局部放電的相關實驗室模擬研究和現場應用發現，GIS帶電檢測實際應用中不能完全照搬導則標準的要求，當檢測到某一種異常信號時還應首先橫向對比、排查外界干擾并重點結合GIS內部結構進行輔助綜合分析，對存在放電但局部放電測試儀器測得幅值相對較小的，也需及時采取特別的處理措施。同時還發現，SF6氣體成分測試對于GIS內部局部放電初期或局部放電嚴重程度相對較輕的檢測靈敏度較低。

圖10 現場解體的異常位置及部件照片

隨著GIS局部放電帶電檢測更加頻繁應用，可以預計未來后續的重點發展主要包括以下幾點：

1）干擾排除（抗干擾性能）及精確定位。

針對GIS內部存在多個放電信號及外界也存在放電的干擾信號，如何精確識別且分離多個放電點及減小外界的干擾均是未來一階段帶電檢測儀器或在線監測系統的重點研究趨勢之一。

如劉宇舜等人近3年已提出的廣義S變換模時矩陣降噪法、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場信號中的多種噪聲，后續可進行更多的現場應用優化。

2）云診斷及全壽命周期管理平臺。

現階段采用局部放電帶電檢測設備進行定期測試，需要工作人員在現場根據經驗對檢測結果進行分析、判斷，對檢測人員的經驗要求高。隨著電力物聯網及云服務的不斷建設應用，數據的遠程云輔助診斷可以提供更好的技術支持，同時依托與其他檢測數據（離線數據、定期測試數據等）的綜合應用，可以更好進行全壽命周期系統管理，服務GIS設備狀態評價。國內部分廠家已經開始逐漸應用云平臺來提供云診斷。

3）短時在線監測應用。

針對間歇性局部放電，通常定期巡檢測試無法及時發現，而采用可移動式短時監測GIS內部的局部放電狀態，對間歇性局部放電監測效果較佳。

4）在線監測系統應用。

定期局部放電帶電檢測無法準確獲取局部放電的變化發展情況，進而無法對局部放電的發展趨勢和嚴重程度進行判斷，而在線監測系統可以很好獲取所有間隔的信號變化趨勢圖，可以進行多個設備、多個監測點的數據橫向比較及變化趨勢分析，能更有效地掌握對應設備的缺陷程度以及局部放電的變化趨勢。