1．背景
GIS具有较高的安全可靠性，是免维护设备。然而，在GIS制造、安装、运行和检修过程中，仍有可能产生一些绝缘缺陷，导致绝缘故障。GIS的结构特点和变电站现场的电磁环境经常限制常规局部放电检测试验，使得现场条件下的GIS局部放电检测和定位难以有效进行。目前，不断有GIS达到规定的免维护运行年限，如何进行这些设备的维护已是实际面临的迫切问题。
基于GIS体外UHF传感的局部放电在线检测技术，能够在GIS正常运行和无需拆动GIS任何部件的条件下，检测和定位其内部的局部放电，能够抵抗变电站环境中的主要电磁干扰，包括空气中电晕放电的干扰，对GIS中主要局部放电类型实现灵敏检测度和准确定位。
GIS局部放电在线检测能够帮助及时发现GIS的绝缘缺陷，避免绝缘故障；能够弥补常规局部放电检测的不足，为GIS局部放电检测和定位提供新的手段；能够帮助实现GIS绝缘的状态维修，减少停电时间和节省维修费用。
2．工作原理
2．1 特高频UHF传感原理
局部放电是电气绝缘中局部区域的电击穿，能够产生宽频带的电磁暂态和电磁波。不同类型局部放电具有不同的电击穿过程，产生不同幅值和陡度的脉冲电流，从而产生不同频率成分的脉冲电磁波。例如：空气中电晕放电所产生的脉冲电磁波主要分布在100MHz以下频带；SF6气体中的局部放电所产生的脉冲电磁波的频带能够达到1GHz以上。
局部放电超高频UHF传感是在300MHz－3GHz的频带范围内选取一个合适的信号传感频段，进行局部放电的检测和定位。采用UHF传感的目的提高局部放电在线检测的抗干扰能力。
2．2 抗干扰原理
局部放电UHF传感的抗干扰基于以下原理：
（1） 电力系统中的干扰信号，包括空气中电晕放电的干扰，主要分布在低于UHF的频段，因此，在UHF频段进行局部放电信号传感，可以避开主要的干扰信号，提高局部放电信号传感的信噪比。
（2） UHF信号传播过程中衰减比较快，一处的UHF干扰信号只能局限在比较小的范围，不会产生大范围的影响。因此，采用局部放电UHF传感，可以减小电力设备之间相互的放电干扰。
（3） 基于局部放电UHF脉冲电磁的时差可以进行局部放电定位，有效区分设备内部的局部放电和设备附近的放电型干扰。放电定位是非常重要的抗干扰手段。
2．3 放电定位原理
UHF传感的局部放电定位基于以下原理：
（1） 信号衰减定位 UHF信号传播过程中衰减比较快，离开放电源的距离不同，放电信号的幅值显著不同。通过比较UHF放电信号的幅值可以进行放电定位。基于信号衰减的定位比较粗略。
（2） 信号时差定位 UHF局部放电脉冲电磁波信号具有ns时间量级的起始沿，采用多个UHF传感器同时测量，能够测得ns量级的脉冲时差，由此可实现m量级准确度的放电源定位。
2．4 GIS体外传感原理
GIS的盘式绝缘子使GIS外壳含有介质缝隙，如图1所示，GIS内部局部放电的UHF脉冲电磁波信号可以通过这些介质缝隙传播到GIS体外。
将UHF传感器放在GIS盘式绝缘子的介质缝隙处，可以有效接收GIS内部局部放电的UHF脉冲电磁波信号，传感位置越靠近局部放电，传感灵敏度越高。
⒊ 典型实现方式
图2所示是清华大学电机系研制的M600型GIS局部放电UHF在线检测定位仪，包含2个特高频传感器和一台高速数字记忆示波器。传感器通过等长电缆连接至示波器，信号传送的时延相同，不影响放电定位的脉冲时差测量。
特高频传感器的内部结构框图如图3所示，它包含天线、UHF放大电路和脉冲整形电路。天线接收局部放电的电磁脉冲信号，经过UHF放大电路放大，在HO端口输出局部放电的UHF脉冲信号；UHF脉冲信号经过脉冲整形电路，得到单极性宽脉冲信号，在RO端口输出。
在局部放电测量时，当需要观察放电脉冲的幅值和放电脉冲在工频周期内的分布时，选择观测RO输出信号。当需要用脉冲时差测量进行局部放电定位时，选择观测HO输出信号。图4所示是典型局部放电的MO输出信号和HO输出信号。
GIS局部放电UHF在线检测的应用场合包括：
（1） GIS工厂试验 在完成GIS工厂组装，并完成出厂工频耐压试验以后，将试验电压降至局部放电试验电压，对GIS进行局部放电检测和定位。
（2） GIS现场试验 在完成GIS现场现场安装或现场检修，并完成现场工频耐压试验以后，将试验电压降至局部放电试验电压，对GIS进行局部放电检测和定位。
（3） GIS运行检测 在GIS正常运行情况下，通过定期检测，发现和定位GIS运行过程中可能发展起来的局部放电。
（4） 放电型干扰的定位 在GIS制造车间或GIS运行现场，经常存在干扰放电源，对常规局部放电检测或局部放电在线检测产生干扰。借助于该局部放电在线检测定位仪，可以定位干扰放电源，帮助排除放电型干扰。
4．检测、定位和诊断
4．1 局部放电检测
将传感器依次放置在GIS盘式绝缘子处或电缆接头处，见图5所示，观测是否有局部放电脉冲信号。局部放电信号由一串重复的典型放电脉冲组成。局部放电信号通常具有工频关联性，每10ms（工频半波）或20ms（工频周波）重复若干放电脉冲。
4．2 局部放电定位
当检测到放电信号时，需要进行放电源定位，区分GIS内部的局部放电和GIS外部的干扰放电。如果是GIS内部的局部放电，确定它的具体位置。放电定位的测量方法和常见问题如下。
4．2．1 信号幅值比较法
检测和比较各传感位置处放电信号的大小，信号最大的位置为靠近放电源的位置。有时只在一处位置可检测到放电信号，此时可确定放电源就在该位置附近。由于信号传播过程中存在折反射、叠加和二次感应等，信号幅值变化比较复杂，信号幅值比较法的定位是粗略的，准确定位需要采用时差测量。
4．2．2 平分面法
如果放电信号存在于很大的空间范围内，可采用图6所示的平分面定位法。首先选择一个方位，分开放置A、B两个传感器，调整它们的位置，直到两个传感器的信号时差为零，此时表明放电源在A、B两点的平分面P上。换不同的方位重复进行上述的测量，可得到不同的平分面P′和P″。这些平分面的交点即为放电源D的位置。
4．2．3 信号先后比较法
如图7所示，把传感器A放在一个检测位置，把传感器B放在其邻近的检测位置，观测两个传感器信号到达的先后，如果传感器A的信号总是领先于传感器B，说明放电源就在传感器A所在位置附近。如果邻近检测位置中有放电信号领先于传感器A，则将传感器A移到该位置，再重复上述的测量。依此重复，最终可确定放电源的位置。
4．2．4 时差计算法
当两个检测位置相距较远，它们之间存在局部放电时，可通过计算确定放电源在中间的具体位置。如图8所示，采用两个传感器测量两个位置的信号时差，根据电磁波的传播速度计算放电源的位置。
4．3 局部放电类型识别
GIS可能出现不同类型的局部放电，如浮电位部件放电、金属颗粒放电、尖端放电、固体绝缘内部缺陷放电等。
局部放电类型识别主要依据放电信号的波形特征，这些波形来自于实验室模拟试验和已被验证了的现场检测。在局部放电在线检测中，如果检测到放电信号，并确定为GIS内部的局部放电，则可以把所测波形和给定的局部放电波形进行比较，确定其局部放电的类型。
局部放电类型的变化非常复杂，导致放电波形的变化也很复杂。局部放电类型识别的准确程度取决于经验和数据的不断积累，目前尚未达到完善的程度，有待于进一步的研究。
4．4 局部放电量估计
在GIS局部放电UHF在线检测中，局部放电检测信号的幅值和3个因素有关：（1）局部放电类型；（2）局部放电量（真实放电量）；（3）局部放电源与传感器之间的信号传播路径。根据局部放电UHF信号幅值估计局部放电量，需要考虑局部放电类型和信号传播路径的影响。
一种局部放电量估计的步骤如下：
（1） 在完成局部放电定位后，将UHF传感器放置在离放电源最近的检测位置，测量局部放电信号幅值。
（2）根据局部放电信号的波形特征，判断局部放电类型。
（3） 根据放电信号幅值和放电类型，再根据图已有的经验数据，估计局部放电量。
图9是模拟试验得到的局部放电信号幅值与局部放电量和放电类型的统计曲线。模拟试验中传感器尽量靠近放电源，减小信号传播路径的影响。
在图9中，局部放电被区分为3种类型：（1）金属－金属间隙放电：浮电位部件放电，金属颗粒之间放电，金属颗粒和金属部件之间放电等。（2）金属－绝缘间隙放电：金属颗粒与固体绝缘表面之间放电。（3）绝缘－绝缘间隙放电：非金属异物和固体绝缘表面之间的放电，固体绝缘内部缺陷的放电等。
需要注意：局部放电量估计包含较多条件简化，结果是近似的。
⒌ 总结
从GIS的盘式绝缘子位置可有效进行局部放电体外特高频传感，实现局部放电在线检测和定位。在局部放电类型识别和放电量估计方面已有了一些研究和数据积累，但还有待于进一步的工作加以完善。
对于带金属法兰的盘式绝缘子，局部放电信号无法通过，限制了体外特高频传感的应用。
绝缘缺陷并非一定导致局部放电或持续的局部放电。局部放电经常是断续发生的。GIS局部放电在线检测需要定期进行，或进行一定时期的在线监测。
特高频传感对金属颗粒、浮电位部件的局部放电最为敏感，对尖端放电等长间隙放电相对不敏感。
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