本站原创
摘要： 本文通过对当前GIS局部放电检测的各种方法分析，并对比应用效果，同时结合国内局放检测应用的成功经验，提出了铁路GIS组合电器局部放电的监测与检测方法为：“超高频局部放电在线监测法”、“超高频局部放电带电检测法”。
Abstract： This paper analyzed various methods of GIS partial discharge detection and compared the application results， proposed the partial discharge monitoring and detection method of railway GIS composite apparatus was "ultra-highfrequency partial discharge online monitoring method" and "ultra-highfrequency partial discharge live detection method" by combining with the succesul experience of domestic PD detection application.
关键词： 电气化铁路；GIS组合电器；局部放电；在线监测；探讨
Key words： electrified railway；GIS composite apparatus；partial discharge；online monitoring；explore
1006-4311（2013）10-0038-04
0 引言
我国电气化铁路总里程已达
全封闭GIS组合电器具有体积小、占地面积小、不受外界环境影响、运行安全可靠、配置灵活、维修简单、检修周期长的特点，因而在高速铁路客运专线、城市中及沿海地区的牵引变电所中广泛使用。
由于GIS组合电器结构紧凑，在GIS制造、运输和现场安装调试的过程中，对GIS设备的绝缘性能有很高的要求，承受的工作场强往往很高，有时会产生一些绝缘性缺陷。这些缺陷会造成严重的系统事故，有时只是在运行过程中就可能会引发绝缘故障。研究表明，绝缘介质在发生击穿前都会产生局部放电，通过在线检测GIS局部放电，局部放电是设备绝缘缺陷的重要征兆和表现形式，可以及时有效地发现GIS内部存在的故障缺陷。
现有我国电气化铁路GIS组合电器中均未全面投入局部放电检测装置，只在设备投入运行前进行了现场局部放电检测，对运行后的GIS组合电器局部放电检测仍属空白，对设备的安全运行存在着很大的隐患，因此需要研究并确定适用铁路GIS全封闭组合电器的局部放电检测方法。
2.1.2 化学检测法 化学检测法通过检测6被击穿分解后的生成物来间接检测局放。最常用的分析气体有SOF2和SO2F2两种，通过用气相色谱仪和质谱分析可以检测出，灵敏度可达l×10-6。
化学检测方法不受电气干扰的影响，但从发生局放到由分析气体检测出来所需要的时间太长，往往几小时甚至几天也得不到结果，这严重限制了化学方法在局放检测中的使用。
2.1.3 声学检测法 GIS中局放激发的声音信号有比较宽的带宽（20-250kHz），可在GIS外部用加速度或声发射（AE）传感器检测到。声学方法是非侵入式的，可对局放源进行定位（<10cm）且不受GIS外部噪声源影响，但是信号通过气体和绝缘子时衰减很严重，所以声学检测法仅能检测到有限的几种放电，而且在线检测时需要的传感器太多，因而限制了声学检测法的应用。目前声学检测法一般仅用于现场测试，由操作人员持传感器在GIS表面移动检测局放信号，一个GIS站的检测往往需要花费数天时间，限制了该技术的推广。
2.
常规电测法可以通过调节传感器和GIS等值电容的比值获得最佳的灵敏度，并可对测量系统进行标度，但是易于受到外部的电磁干扰，为了获得最高的测量灵敏度，需要将测试装置完全屏蔽，这对于测试整个GIS通常是不可行的。此外，常规电测法无法对局放源进行定位，因而不能用于运行中GIS局放的在线检测。2.1.4.2 超高频法 超高频法（UHF）于20世纪80年代初期由英国电力局（CEGB）实验室提出。UHF法通过安置在GIS中的传感器
UHF法有较强的抗干扰（通常的噪声干扰频率都在500MHz以下）及局放源定位能力（理论上可以小于10 cm），但随着与局放源距离的增大，信号衰减很大（约2dB/m），导致传感器间的距离较小（5～10m），因而在线检测也需要为数不少的传感器。
对于GIS中局放的各种检测方法，得出的普遍结论是：①化学和光学检测法的灵敏度较低，一般不用于在线检测；②UHF法可用于局放的连续在线监测，而目前声学检测法只能适宜于现场检测；③常规电测法需要一个外部耦合电容，不能用于运行中的GIS；④声学和UHF法可对局放源进行定位，而常规电测法不可以；⑤声学检测法、常规电测法和UHF法都有良好的灵敏度。
2.2.
2.2.1.2 超声波法 超声波法的原理是当GIS内部产生局部放电信号的时候，会产生声波，其类型包括纵波、横波和表面波。纵波通过气体传到外壳，横波则需要通过固体介质（比如绝缘子等）传到外壳。通过贴在GIS外壳表面的压电式传感器接收这些声波信号，以达到监测GIS局放的目的。
这种方法的优点是不受电气方面的干扰，可进行带电测量，传感器与 GIS设备的电气回路无任何联系，而且对电磁干扰的抗干扰能力比较强，可对缺陷进行定位。但对大型设备器需要众多的传感器，现场应用较为不便，由于信号中的高频部分衰减很快，声音信号在6气体中的传输速率很低（约140m/s），另外，由于在实际应用中，周围一般存在很大的噪声，对超声波检测干扰很大，因此，灵敏度也较低。
2.2.
通过在GIS盆式绝缘子处放置UHF传感器，进行超高频检测，和使用超声传感器逐点进行声信号检测。并根据出现的几种具体情况进行进一步的分析判断：
如果电信号和声信号都存在，则使用超高频法根据盆式绝缘子的位置进行粗略定位，同时使用超声法进行精确定位，如果两者都定位到同一个GIS腔体且表现一致，则判断该腔体内部存在放电故障，具有绝缘缺陷，应根据具体情况进行进一步跟踪检测或采取相应措施。
如果只测量到了超高频电磁波信号而没有超声波信号，则应通过改变UHF传感器的位置摆放和传感器的方向性及信号的频率分布，判断是否是周围设备发生了局部放电或者是否存在另外的干扰源，并对GIS设备进行重点跟踪观察。
如果超声波法测量到了声信号而超高频法没有测量到电磁波信号，则在使用超声法在超声信号最大的部位进行精确定位。通过具体位置及设备结构进行分析，是否是设备本身的正常振动或者是设备的结构导致超高频信号衰减很大，不能通过检测位置测量到。并对设备进行重点跟踪观察。
在实际应用中，对传感器和放大器的选择、工控机部分的设计和相关软件的实现应重点关注。
2.2.2 便携式GIS局部放电检测系统 便携式GIS局部放电检测系统（如图3）的原理和方法与上节（2.1局部放电在线检测）相同，因其具有可重复、可多处使用的方便灵活性，只需要对不同的GIS组合电器进行传感器安装点进行标定，使用便携式局部放电检测系统定期对未安装固定式局部放电在线监测装置的设备进行带电检测，同样能达到局部放电检测的目的。缺点是不能连续进行局部放电监测，对发生局部放电的渐变过程进行记录，需要以加大检测频率和做好阶段检测数据对比分析来加以弥补。
根据以上GIS局部放电检测方法的分析对比，能够满足局放在线连续监测并能准确定位的有声学和超高频（UHF）检测法。
3.
3.2.1.2 灵敏度 检测装置最小可测量放电量不小于10pC的放电信号，最大可测量放电量不大于5000pC的放电信号，在量程范围内检测结果应能有效反映局部放电强度的变化。
3.2.
3.2.1.4 接入安全性要求 检测装置内置传感器的设置应保证GIS主绝缘的性能，内置传感器信号引出应保证GIS气体密封性能。内置传感器应由GIS生产厂在制造时植入，寿命应与GIS保持一致。
检测装置外置传感器的设置应不影响GIS盘式绝缘子结构的密封性能和外壳接地和通流性能。外置传感器的设置原则上应不拆动GIS的任何部件。
3.2.2 局放检测的功能要求 GIS局放检测的主要功能有：局部放电检测功能、信号采集存储功能、检测参数设置功能、网络通讯功能、检测结果显示功能、放电类型识别功能、放电源定位功能、自检测和自恢复功能等。
3.2.3 抗干扰 现场干扰将降低局部放电检测的灵敏度，甚至导致误报警和诊断错误。因此，局部放电检测装置应能将干扰抑制到可以接受的水平。
3.2.3.1 主要干扰类型 GIS局部放电特高频检测中主要存在以下几类干扰形式：①移动通讯和雷达等无线电干扰；②变电站架空线上尖端放电干扰；③变电站高电压环境中存在的浮电位体放电干扰；④照明、风机等电气设备中存在的电气接触不良产生的放电干扰；⑤开关操作产生的短时放电干扰。
3.2.3.2 干扰的抑制 在局部放电特高频检测中，干扰抑制可通过滤波、屏蔽、干扰识别和干扰定位等方法来实现。
3.
参考文献：
邱毓昌.用超高频法对GIS绝缘进行在线监测[J].高压电器，1997，（4）.
刘卫东，黄瑜珑.GIS局部放电特高频在线检测和定位[J].高压电器，1999，（1）.
[3]金立军，张明锐，刘卫东.GIS局部放电故障诊断试验研究[J].电工技术学报，2005，（11）.
[4]何宾，.GIS带电测试技术在广州的应用[J].高电压技术，2004，（4）.
Abstract： This paper analyzed various methods of GIS partial discharge detection and compared the application results， proposed the partial discharge monitoring and detection method of railway GIS composite apparatus was "ultra-highfrequency partial discharge online monitoring method" and "ultra-highfrequency partial discharge live detection method" by combining with the succesul experience of domestic PD detection application.
关键词： 电气化铁路；GIS组合电器；局部放电；在线监测；探讨
Key words： electrified railway；GIS composite apparatus；partial discharge；online monitoring；explore
1006-4311（2013）10-0038-04
0 引言
我国电气化铁路总里程已达
源于：免费毕业论文www.udooo.com
到3.2万公里，居世界第二，根据《中长期铁路网规划》，到2020年，我国铁路营业里程将达到12万公里以上，其中电气化铁路比重将达到60%。届时，我国主要铁路长大干线以及所有高速铁路客运专线将全部实现电气化，绝大部分客、货运输将通过电气化铁路来完成，因此，确保电气化铁路的安全、稳定、不间断供电，将成为铁路客货运输中的重要环节。1 全封闭GIS组合电器在铁路上的应用及其局部放电检测现状
6 气体绝缘全封闭组合电器（GIS）是将电气元件封闭组合在接地的金属外壳中，包括断路器、隔离开关、快速接地开关、电流互感器、避雷器等。以6气体作为绝缘介质，实现变电站内除变压器以外多种电气设备的有机结合。全封闭GIS组合电器具有体积小、占地面积小、不受外界环境影响、运行安全可靠、配置灵活、维修简单、检修周期长的特点，因而在高速铁路客运专线、城市中及沿海地区的牵引变电所中广泛使用。
由于GIS组合电器结构紧凑，在GIS制造、运输和现场安装调试的过程中，对GIS设备的绝缘性能有很高的要求，承受的工作场强往往很高，有时会产生一些绝缘性缺陷。这些缺陷会造成严重的系统事故，有时只是在运行过程中就可能会引发绝缘故障。研究表明，绝缘介质在发生击穿前都会产生局部放电，通过在线检测GIS局部放电，局部放电是设备绝缘缺陷的重要征兆和表现形式，可以及时有效地发现GIS内部存在的故障缺陷。
现有我国电气化铁路GIS组合电器中均未全面投入局部放电检测装置，只在设备投入运行前进行了现场局部放电检测，对运行后的GIS组合电器局部放电检测仍属空白，对设备的安全运行存在着很大的隐患，因此需要研究并确定适用铁路GIS全封闭组合电器的局部放电检测方法。
2 局部放电检测的方法及分析
2.1 按照检测原理进行分类的局放检测方法
2.1.1 光学检测法 在诊断技术中，检测放电产生的光可能是最灵敏的方法。因为光电倍增器可以检测到甚至一个光子的发射，光辐射主要在紫外（UV）带，由于玻璃和6对光都有很强的吸收能力，检测时需要采用石英透镜，并且要选择适当短的路径，对于检测已知点的放电，光学法很有效。但是对于GIS中诸多未知的放电源，光学法的灵敏度就大受影响。由于光学检测法需要把传感器放到GIS里面，而且只能离线测试，所以不适合用于在线监测。2.1.2 化学检测法 化学检测法通过检测6被击穿分解后的生成物来间接检测局放。最常用的分析气体有SOF2和SO2F2两种，通过用气相色谱仪和质谱分析可以检测出，灵敏度可达l×10-6。
化学检测方法不受电气干扰的影响，但从发生局放到由分析气体检测出来所需要的时间太长，往往几小时甚至几天也得不到结果，这严重限制了化学方法在局放检测中的使用。
2.1.3 声学检测法 GIS中局放激发的声音信号有比较宽的带宽（20-250kHz），可在GIS外部用加速度或声发射（AE）传感器检测到。声学方法是非侵入式的，可对局放源进行定位（<10cm）且不受GIS外部噪声源影响，但是信号通过气体和绝缘子时衰减很严重，所以声学检测法仅能检测到有限的几种放电，而且在线检测时需要的传感器太多，因而限制了声学检测法的应用。目前声学检测法一般仅用于现场测试，由操作人员持传感器在GIS表面移动检测局放信号，一个GIS站的检测往往需要花费数天时间，限制了该技术的推广。
2.
1.4 电气检测法
2.1.4.1 常规电测法 常规电测法又称脉冲电流法（IEC270），它是IEC于1981年正式提出并被广泛采用的局放检测方法。对外部电路而言，GIS是一个有电荷损耗的集中电容，通过在外部并列安装一个耦合电容传感器，可以测得发生局放时的电量（检测局放的频率范围为40 kHz～ l MHz）。常规电测法可以通过调节传感器和GIS等值电容的比值获得最佳的灵敏度，并可对测量系统进行标度，但是易于受到外部的电磁干扰，为了获得最高的测量灵敏度，需要将测试装置完全屏蔽，这对于测试整个GIS通常是不可行的。此外，常规电测法无法对局放源进行定位，因而不能用于运行中GIS局放的在线检测。2.1.4.2 超高频法 超高频法（UHF）于20世纪80年代初期由英国电力局（CEGB）实验室提出。UHF法通过安置在GIS中的传感器
源于：论文集www.udooo.com
检测局放电磁波的UHF（300 MHz～3GHz）部分。UHF法有较强的抗干扰（通常的噪声干扰频率都在500MHz以下）及局放源定位能力（理论上可以小于10 cm），但随着与局放源距离的增大，信号衰减很大（约2dB/m），导致传感器间的距离较小（5～10m），因而在线检测也需要为数不少的传感器。
对于GIS中局放的各种检测方法，得出的普遍结论是：①化学和光学检测法的灵敏度较低，一般不用于在线检测；②UHF法可用于局放的连续在线监测，而目前声学检测法只能适宜于现场检测；③常规电测法需要一个外部耦合电容，不能用于运行中的GIS；④声学和UHF法可对局放源进行定位，而常规电测法不可以；⑤声学检测法、常规电测法和UHF法都有良好的灵敏度。
2.2 按照检测方式进行分类的局放检测方法
2.2.1 局部放电在线检测 局部放电在线检测是在实际带电工况下实时跟踪采集设备状态数据，对设备重点部位进行不间断监测的一种检测方式。它的系统构成一般由传感器（天线）、放大器、信号过滤器、采集卡、工频信号触发器、工业控制计算机、机柜、局部放电故障分析软件、高精度数字示波器（选配）、高频电缆、机械附件等组成。检测方法有超高频检测法、超声波法及两者的联合法等。2.2.
1.1 超高频检测法（UHF法）（见图1）
该电流脉冲将激发出高频电磁波，原理是当GIS设备发生局部放电现象时，产生电流脉冲，其主要频段为0.3-3GHz，该电磁波可以从GIS上的盘式绝缘子处泄露出来，采用超高频传感器（频段为0.3-3GHz）测量绝缘缝隙处的电磁波，可以分析局部放电的严重程度。该方法的优点是可以带电测量，也可实现实时在线监测。并且抗干扰能力强，可有效地抑制背景噪声。但其缺点是不能对发生故障的点进行准确的定位、灵敏度差。2.2.1.2 超声波法 超声波法的原理是当GIS内部产生局部放电信号的时候，会产生声波，其类型包括纵波、横波和表面波。纵波通过气体传到外壳，横波则需要通过固体介质（比如绝缘子等）传到外壳。通过贴在GIS外壳表面的压电式传感器接收这些声波信号，以达到监测GIS局放的目的。
这种方法的优点是不受电气方面的干扰，可进行带电测量，传感器与 GIS设备的电气回路无任何联系，而且对电磁干扰的抗干扰能力比较强，可对缺陷进行定位。但对大型设备器需要众多的传感器，现场应用较为不便，由于信号中的高频部分衰减很快，声音信号在6气体中的传输速率很低（约140m/s），另外，由于在实际应用中，周围一般存在很大的噪声，对超声波检测干扰很大，因此，灵敏度也较低。
2.2.
1.3 超高频和超声波联合法 其系统结构见图2。
这种方法同时提取局部放电信号的超高频（UHF）信号和超声波信号，通过对两种信号的对比分析，能更加有效地排除现场干扰，提高局部放电定位精度和缺陷类型识别的准确性，有利于发现并确定绝缘缺陷。通过在GIS盆式绝缘子处放置UHF传感器，进行超高频检测，和使用超声传感器逐点进行声信号检测。并根据出现的几种具体情况进行进一步的分析判断：
如果电信号和声信号都存在，则使用超高频法根据盆式绝缘子的位置进行粗略定位，同时使用超声法进行精确定位，如果两者都定位到同一个GIS腔体且表现一致，则判断该腔体内部存在放电故障，具有绝缘缺陷，应根据具体情况进行进一步跟踪检测或采取相应措施。
如果只测量到了超高频电磁波信号而没有超声波信号，则应通过改变UHF传感器的位置摆放和传感器的方向性及信号的频率分布，判断是否是周围设备发生了局部放电或者是否存在另外的干扰源，并对GIS设备进行重点跟踪观察。
如果超声波法测量到了声信号而超高频法没有测量到电磁波信号，则在使用超声法在超声信号最大的部位进行精确定位。通过具体位置及设备结构进行分析，是否是设备本身的正常振动或者是设备的结构导致超高频信号衰减很大，不能通过检测位置测量到。并对设备进行重点跟踪观察。
在实际应用中，对传感器和放大器的选择、工控机部分的设计和相关软件的实现应重点关注。
2.2.2 便携式GIS局部放电检测系统 便携式GIS局部放电检测系统（如图3）的原理和方法与上节（2.1局部放电在线检测）相同，因其具有可重复、可多处使用的方便灵活性，只需要对不同的GIS组合电器进行传感器安装点进行标定，使用便携式局部放电检测系统定期对未安装固定式局部放电在线监测装置的设备进行带电检测，同样能达到局部放电检测的目的。缺点是不能连续进行局部放电监测，对发生局部放电的渐变过程进行记录，需要以加大检测频率和做好阶段检测数据对比分析来加以弥补。
根据以上GIS局部放电检测方法的分析对比，能够满足局放在线连续监测并能准确定位的有声学和超高频（UHF）检测法。
3 铁路GIS局部放电检测方法的确定及要求
3.1 铁路GIS局部放电检测方法的确定 根据以上局放检测方法的分析、对比，同时借鉴电力行业有关局放检测方法的成功经验（采用超高频—UHF检测法），据了解国家电网和南方电网公司都采用了超高频检测法，并形成了比较完善的技术标准和管理体系。因此，结合铁路GIS既有新建又有已经投入运行的现状，建议牵引变电所GIS局部放电的检测方法为超高频（UHF）检测法，新建GIS采用内置传感器（如图4）、既有GIS采用外置传感器（如图5）的UHF在线监测系统（如图6），并结合采用便携式UHF局部放电带电检测仪系统（如图7），能够满足铁路牵引供电系统中的220KV、110KV和27.5KV电压等级的GIS设备局部放电检测的需要。3.2 铁路GIS局放检测的技术、功能等要求 为满足铁路GIS局部放电检测系统的实用性、全面性和准确性，需要对该系统提出较完善的技术、功能等要求。3.
2.1 局放检测的技术要求
3.2.1.1 检测频带 检测频带应尽量覆盖GIS内部可能发生的各类局部放电信号的频率范围，通常在300MHz到3GHz之间，实际检测装置中可根摘自：学术论文网www.udooo.com
据需要选用其间的子频段。检测频带的选择应尽量避开电磁干扰信号，如架空线电晕放电和移动通讯等。3.2.1.2 灵敏度 检测装置最小可测量放电量不小于10pC的放电信号，最大可测量放电量不大于5000pC的放电信号，在量程范围内检测结果应能有效反映局部放电强度的变化。
3.2.
1.3 电磁兼容性能 检测装置的电磁兼容性满足以下要求：
①辐射电磁场干扰：应能承受GB/T14598.9中规定的严酷等级4级。②电快速瞬变脉冲群干扰：应能承受GB/T14598.13中规定的严酷等级3级。③静电放电干扰：应能承受GB/T14598.14中规定的严酷等级4级。④浪涌抗干扰：应能承受GB/T17626.5中规定的严酷等级4级。⑤工频磁场抗干扰：应能承受GB/T17626.8中规定的严酷等级4级。⑥阻尼振荡磁场抗干扰：应能承受GB/T 17626.10中规定的严酷等级4级。3.2.1.4 接入安全性要求 检测装置内置传感器的设置应保证GIS主绝缘的性能，内置传感器信号引出应保证GIS气体密封性能。内置传感器应由GIS生产厂在制造时植入，寿命应与GIS保持一致。
检测装置外置传感器的设置应不影响GIS盘式绝缘子结构的密封性能和外壳接地和通流性能。外置传感器的设置原则上应不拆动GIS的任何部件。
3.2.2 局放检测的功能要求 GIS局放检测的主要功能有：局部放电检测功能、信号采集存储功能、检测参数设置功能、网络通讯功能、检测结果显示功能、放电类型识别功能、放电源定位功能、自检测和自恢复功能等。
3.2.3 抗干扰 现场干扰将降低局部放电检测的灵敏度，甚至导致误报警和诊断错误。因此，局部放电检测装置应能将干扰抑制到可以接受的水平。
3.2.3.1 主要干扰类型 GIS局部放电特高频检测中主要存在以下几类干扰形式：①移动通讯和雷达等无线电干扰；②变电站架空线上尖端放电干扰；③变电站高电压环境中存在的浮电位体放电干扰；④照明、风机等电气设备中存在的电气接触不良产生的放电干扰；⑤开关操作产生的短时放电干扰。
3.2.3.2 干扰的抑制 在局部放电特高频检测中，干扰抑制可通过滤波、屏蔽、干扰识别和干扰定位等方法来实现。
3.
2.4 放电源定位 可采用强度定位法、时差定位法进行放电源定位。
3.2.5 局部放电严重程度判定 GIS局部放电缺陷的严重程度应分析中应参考局部放电超声检测和气体分解物检测等诊断性试验结果，主要根据放电源的定位结果、放电类型的识别结果和检测特征量的发展趋势进行综合判断。4 研究结论
针对电气化铁路大量投入GIS全封闭组合电器的使用，对GIS全封闭组合电器的监测、维护和检修问题也提上了议事日程，通过分析对比现有的局部放电监测、检测方法，建议铁路全封闭GIS组合电器的局部放电检测方法采用超高频局部放电在线监测法和便携式超高频局部放电带电检测法为宜。参考文献：
邱毓昌.用超高频法对GIS绝缘进行在线监测[J].高压电器，1997，（4）.
刘卫东，黄瑜珑.GIS局部放电特高频在线检测和定位[J].高压电器，1999，（1）.
[3]金立军，张明锐，刘卫东.GIS局部放电故障诊断试验研究[J].电工技术学报，2005，（11）.
[4]何宾，.GIS带电测试技术在广州的应用[J].高电压技术，2004，（4）.