2024年8月28日发(作者：柔柔惠)
维普资讯
２ＯＯ６年第３期 河南电力
运行ＧＩＳ设备的局部放电检测技术及其应用
黄兴泉，张欲晓，付海金
（河南电力试验研究院，河南郑州４５ｏ０５２）
摘要：超高频局部放电测量技术（ＵＨＦ法）可有效检测运行ＧＩＳ设备局部放电信号，及时发现ＧＩＳ设备内部存在的
绝缘缺陷。ＵＨＦ法弥补了ＧＩＳ设备缺乏有效试验手段的不足，可作为现行高压电气设备预防性试验方法的补充，
有助于ＧＩＳ设备的运行维护。本文采用自行研制测量装置成功地捕获到运行ＧＩＳ设备产生的超高频局部放电信
号。为推广应用ＵＨＦ法积累了经验。
关键词：ＧＩＳ超高频局部放电
中图分类号：ＴＭ８３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：Ｘ（２００６）０３－０２ ．０５
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆＰａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ＧＩＳ ｂｙ Ｕｓｅｄ ｏｆＵＨＦ Ｏｎ－ｌｉｎｅ
Ｈｕａｎｇ Ｘｉｎｇ・ｑｕａｎ，Ｚ￣ａｎｇ Ｙｕ－ｘｉａｏ，Ｆｕ Ｈａｉ－ｊｉｎ
（Ｈｅｎａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００５２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂａ￣ｔ：Ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｉｍｐｕｌｓｅ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｈａｔ ｐａｒｔｉａｌ ｉｄｓｃｈａｒｇｅ㈣ｉｎ
ＧＩＳ ｉｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ（ｕｍ０ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｎｉｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ
ＵＨＦ ｍｅｔｈｏｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｓ ｉｄｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｏｎ—ｓｉｔｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｓａ ａ ｕｓｅｆｕｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＰＤ
ｄｅｔｅｃｔｎｉｇ ｎｉ ＧＩＳ ｏｎ・ｌｎｉｅ．
Ｉ￣ｗｏｒ，ｌｓ：ＧＩＳ；ｕｌｒｔａ—ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｐａｒｔｉａｌｄｉｓｃｈａｒｇｅ
电磁波信号，有效地避开了现场的电晕等干扰，因
１ 概述
而具有较强的抗干扰能力。而且，ＵＨＦ法实施方便，
目前，ＧＩＳ设备缺乏有效的试验方法和手段。以
非常适宜运行ＧＩＳ设备的局部放电检测。
ＧＩＳ变电站为全封闭的结构。断路器、隔离开关、互
２ ＧＩＳ局部放电检测原理
感器、避雷器以及母线等均被密封在一个充满高压
ＳＦ６绝缘气体介质的金属罐内，除微水等少数试验项
研究表明．ＧＩＳ设备发生局部放电的原因在于
目外。现行高压电气设备预防性试验方法大多无法
其内部存在缺陷，主要缺陷类型包括：①固体绝缘
用于ＧＩＳ设备【１】翻。正是由于ＧＩＳ设备的特殊性，ＧＩＳ
材料内部缺陷；②ＧＩＳ设备内残留自由导电微粒，如
设备长期以来几乎处于一种无法维护的状态。
金属碎屑或金属颗粒等．这类缺陷一般是由于制
实践证明。ＧＩＳ设备内部故障以绝缘性故障为
造、安装等原因造成的；③导体表面存在突出物，如
多。研究认为，ＧＩＳ设备中出现的放电现象可造成
毛刺、尖角等。这种缺陷易发生电晕放电，在稳定的
ＳＦ６气体分解，进而严重影响电场分布，导致电场畸
运行电压下一般不会引发绝缘击穿。但在冲击电压
变以及绝缘材料的劣化。最终引发绝缘击穿囹。ＧＩＳ
下可能导致绝缘击穿；④导体接触不良等。上述缺
设备内部局部放电既是绝缘性故障的先兆又是故
陷在一定电压下可以产生ＧＩＳ局部放电。
障的表现形式．监测ＧＩＳ局部放电可以及时有效地
由于ＧＩＳ内的主要绝缘介质为绝缘强度较高
发现ＧＩＳ设备存在的绝缘缺陷和故障隐患。因此。
的ＳＦ６气体，因而发生在ＧＩＳ中的局部放电与空气
开展ＧＩＳ设备局部放电的监测可以弥补目前ＧＩＳ
中的电晕放电有所不同：空气中的电晕放电。其频
设备试验方法的不足。及时发现和避免ＧＩＳ事故的
率成分一般在２００ＭＨｚ以下Ｄ－习，而ＳＦ６中局部放电
发生，保障ＧＩＳ设备的安全稳定运行。目前，国内外
脉冲信号的上升时间极短，一般为璐级，持续时间
广泛采用超高频局部放电测量法（ＵＨＦ法）检测ＧＩＳ
也只有几个ｎｓ。因此。ＧＩＳ局部放电脉冲含有较为丰
局部放电囹 网。ＵＨＦ法不同于传统的脉冲电流法，
富的超高频信号成分。最高可达数ＧＨｚ。放电过程
其显著特点在于采集局部放电过程产生的超高频
伴随超高频电磁波的产生。并以辐射形式向四周传
维普资讯
２４ 黄兴泉等：运行ＧＩＳ设备的局部放电检测技术及其应用 ２ＯＯ６年第３期
播。由于ＧＩＳ设备的基本结构为导电杆和金属外壳
构成的同轴导电体，相当于不同特性阻抗的低损同
轴传输线串联．且具有若干不连续点．这一结构形
式构成了传播电磁波的导波系统１３］，由此可传播ＧＩＳ
超高频局部放电电磁波信号。利用上述特征，采用
超高频局部放电测量技术（ＵＨＦ法）可以达到有效
地检测ＧＩＳ局部放电的目的。
体外采集方式中的传感器由接收天线和超高
频放大器等构成。天线采用平面等角螺旋天线或阿
基米德螺旋天线，放大器采用低噪音、高增益超高
频信号放大器，传感器的典型频率特性曲线如图２，
工作频带一般３００ＭＨＺ￣ｌ５ｏ０ＭＨｚ，增益４０ｄＢ～５０ｄＢ。
目前，ＵＨＦ法具体应用形式包括ＧＩＳ设备体内
型传感和体外型传感两种电磁波信号采集方式。
（１）体内型传感器采集方式
体内型传感器采集方式通常将传感器安装在
ＧＩＳ设备的手孔或舱口盖板的内壁，超高频信号可
由此引到ＧＩＳ的体外进行测量。传感器一般为盘形
形状的超高频天线．其平面与外壳的内壁平齐以尽
可能减小对ＧＩＳ内部电场分布的影响。采用体内型
传感方式可直接接收被测信号，具有较高的传感效
率。另外，ＧＩＳ设备金属外壳对于屏蔽ＧＩＳ以外的干
扰信号十分有利，可用于局部放电的在线实时监
测。但是，这种方式受两方面因素所限制．使其应用
受到影响。一是ＧＩＳ设备内部空间十分有限．在其
内安置任何导体材料或多或少会对ＧＩＳ内部原有
电场分布产生影响；二是传感器的设计和安装需在
ＧＩＳ设备制造、装配中完成．对大量已成型或运行的
ＧＩＳ设备，体内型传感方式无法实施。
（２）体外型传感器采集方式
为了克服体内型传感器安装所存在的限制和
不足，国内研究了ＧＩＳ体外传感测量超高频信号的
方法。ＧＩＳ的全封闭金属同轴结构虽对于体内局部
放电产生的超高频信号是一个理想的波导．但同时
也是一个良好的屏蔽体。ＧＩＳ各间隔的连接处一般
为盆式绝缘子，它属于绝缘材料，超高频电磁波信
号可以从这些缝隙中辐射出来。在这些绝缘子附近
放置天线可以检测到ＧＩＳ内部所产生超高频局部
放电信号，如图１所示。
二二二
图１体外测量原理
图２放大器频率响应曲线
体外式测量一般为便携式测量方式，具有使用
方便、不受环境限制、可用于放电的定位等特点。与
体内采集方式相比．被测信号衰减较大，灵敏度受
到影响。幸运的是，ＧＩＳ往往有多个盆式绝缘子，可
提供多处检测位置，由此可实现近距离检测，尤其
是盆式绝缘子附近的放电。有研究表明，体外传感
方式的灵敏度不低于体内传感方式的灵敏度ｉ９］。体
外型采集方式存在的问题是测量单元易受现场环
境的干扰，且不便于实现放电的实时监测。
采用体外式ＧＩＳ局部放电检测方法可对运行中
的ＧＩＳ设备实施局部放电检测。具体方法是，将测
量传感器安装在运行ＧＩＳ设备的盆式绝缘子外沿．
如图３。图中传感器为自行研制的超高频信号测量
传感器，其特性如图２。传感器采集的信号由数字示
波器直接显示，现场一般只需提供示波器所用的
２２０Ｖ交流电源。
图３测量传感器安装示意图
选用两个特性完全一致的传感器，利用体外式
检测方法可实现ＧＩＳ设备的局部放电定位．其原理
是根据不同检测点局部放电信号的时间差．以“等时
间差”确定放电大致位置。定位测量时要求所采集的
维普资讯
２ＯＯ６年第３期 河南电力
放电脉冲信号，其上（下）沿尽可能陡一些，以利于分
辨信号的起始时间。同时要求示波器具有足够高的
响应频率和采样率。以满足响应匹配和有效记录ＮＳ
１放在一个盆式绝缘子外沿，另一个传感器２放在
其邻近的盆式绝缘子外沿，如果总是传感器１的信
号先到达。则表明信号源就在传感器１所在的盆式
绝缘子附近。反之，如果邻近盆式绝缘子的信号先于
传感器１，则以该盆式绝缘子为中心，重复上面的测
量。依次类推，最终可以确定超高频信号源的位置。
图５为两传感器第一次同时捕获的超高频信
数量级的放电脉冲。一般配置为：采样率１Ｇｓ／ｓ、带宽
５００ＭＨｚ以上；双通道；１５ｍ超高频信号电缆。定位的
具体方法是。将两个探头分别放在具有一定距离的
盆式绝缘子上，在示波器上观测两个探头信号到达
的先后，如果探头Ａ的信号总是领先于探头Ｂ，则说
号波形．图中．上、下波形分别对应传感器１和传感
明放电电源就在探头Ａ、Ｂ中线靠近探头Ａ所在的
一
侧。移动探头Ｂ，重复上述测量。当两个探头信号上
（下）沿重合或基本（即两个探头测量的信号“等时间
差”），放电点即为探头Ａ、Ｂ中线附近。
３ 应用举例
自２００２年，河南电网采用“运行ＧＩＳ设备局部
放电检测技术”，对其管辖的郑州、洛阳、南阳、信
阳、濮阳、新乡等十余个供电局（公司）的三十多座
１１０～２２０ｋＶ ＧＩＳ变电站中运行的ＧＩＳ设备进行了局
部放电现场普查测量。从实际测量结果上看，绝大
多数ＧＩＳ变电站未发现局部放电信号，现场干扰信
号一般小于５０ｍＶ。实际测量的超高频信号最大幅
值小于１０ｏ ｍＶ。在测量１１０ｋＶ郑园站和１１０ｋＶ禾
滨站时，捕获到一定幅值的超高频信号。
（１）１ １０ｋＶ郑园站测量情况
郑园站位于居民区中，附近无工厂企业。该站
为北京开关厂生产ＺＦ４一ｌ１Ｏ型ＧＩＳ设备（三相分
箱），２０００年投入运行。２ｏｏ５年２月在局部放电现
场普查测量中捕获到明显的超高频信号．信号呈间
歇状出现。其中，最大幅值约３００ｍＶ，初步判断为局
部放电信号，典型波形如图４所示。
图４郑园站捕获的超高频信号
为了进一步确定所捕获的超高频信号是否为
ＧＩＳ设备内部产生的局部放电信号．使用两个特性
基本相同的传感器，并采用“信号先后比较法”对超
高频信号源进行了定位测量。定位原理是，将传感器
器２捕获的超高频信号。按“信号先后比较法”原
理，移动传感器１（或传感器２），逐步缩小两传感器
捕获的信号时间差，则可达到接近超高频信号源的
目的。
图５两传感器同时捕获的超高频信号
当传感器１、传感器２分别移至“曾ｌ１２东刀
闸”、“曾１１２甲刀闸”与母线交叉位置附近时（如
图６），两传感器同时捕获的超高频信号时间差已
足够小，如图７所示。随意移动其中一个传感器，
使其偏离“曾１１２东刀闸”或“曾１１２甲刀闸”．则
两传感器捕获的超高频信号时间差增大：重复测
量过程，上述结果基本保持不变。由此可以确定传
感器所捕获的超高频信号为ＧＩＳ内部传播出来的
超高频局部放电信号．放电源可能在“曾ｌ１２东刀
闸”、“曾ｌ１２甲刀闸”与母线交叉位置附近．即传
感器１和传感器２之间。根据现场情况，目前，对
该站实施跟踪监测。
图６传感器位置
维普资讯
黄兴泉等：运行ＧＩＳ设备的局部放电检测技术及其应用 ２００６年第３期
（２）１ １０ｋＶ禾滨站站测量情况
禾滨站位于城市中心区，附近无工厂企业。该
站为上海华通开关厂生产ＺＦ３—１１０（２８型ＧＩＳ设备
（三相分箱），１９９９年投入运行，一次系统图如图８。
２００２年在局部放电现场普查测量中捕获到明显的
超高频信号。信号呈间歇状出现。其中，最大幅值约
１５０ｍＶ．初步判断为超高频局部放电信号。２００３年
图７“曾１１２”、“曾１１２”附近捕获的超高频信号
１Ｏ月对其进行跟踪及定位测量。
陬｝点２甲地
图８禾滨站一次系统图（部分）
由于禾滨站为全封闭结构。现场测量时几乎无
干扰信号。本次测量的超高频信号幅值上升至３００
ｍＶ，而且超高频信号发生的频率较高。约５—８分钟
采集到一个脉冲信号。采用上述定位测量方法，经
过反复测量最后定位在陈滨２一陈滨２南与滨１１Ｏ
南母间，如图８和图９右下圆圈所示。
２００６年３月，禾滨站在无操作情况下发生故
障。故障部位为陈滨２一陈滨２南同间隔的（线路）
气室，如图８和图９左上圆圈．该处距超高频局部
图１Ｏ烧毁的ＰＴ气室
放电定位位置约两个气室。图１Ｏ为烧毁的 气室。
为了进一步确定ＧＩＳ设备是否存在其它放电
点，在 气室事故并拆除后对其余仍在运行的ＧＩＳ
设备再次进行了局部放电测量。检测结果显示，除
Ｐｒ气室外。禾滨站ＧＩＳ设备不再存在放电现象。这
一
结果说明．禾滨站局部放电普查时捕获的信号为
气室中存在的放电现象产生的。
４结论
（１）ＵＨＦ法可有效检测运行ＧＩＳ设备的局部放电，
图９盯气室及定位位置
为ＧＩＳ设备提供了新的检测、试验方法。 【下转第４８页）
维普资讯
４８ 王长有等：ＤＴＭ３２０１５８０￣磨煤机传动齿轮轴断裂原因分析及防范措施 ２ＯＯ６年第３期
４．２装配工艺的影响
现场检查发现，传动轴与对轮在装配时，轴和
对轮分别设计有二处平键槽，相隔ｉ２０￣角；而实际
装配时只装配了一条平键．造成传动轴一个平键处
承受２倍的设计传动力矩，使平键处轴４５。截面上
的最大切应力过大。在长期的交变应力和外界应力
作用下．键槽的应力集中处产生疲劳微小裂纹，而
微小裂纹又在交变应力的作用下，随着运行时间的
延长逐步扩展．最终导致传动轴的断裂破坏。
４．３运行方式的影响
钢球磨煤机在加钢球时负荷大，运行中钢球逐
渐磨损，负荷逐渐变小，因此磨煤机传动轴的负荷
是一个交变负荷．加上钢球磨煤机冷态启动时的过
大载荷．也是造成传动轴疲劳裂纹产生和扩展的重
要因素．这些都可能使大轴疲劳断裂破坏。
图２传动轴断口特征
５防范措施
４断裂原因分析
（１）合理设计传动轴的结构尺寸，提高加工工艺
经过对该轴断口特征及运行状况的检查、分
和加工精度．尽可能避免局部应力集中的产生。
析，我们认为该轴断裂的主要原因有以下三点。
（２）安装和检修过程中，要严格按照设计说明书
４．１应力集中的影响
的要求进行安装装配，使载荷分配合理。
键槽底部的９０￣角和轴径台阶Ｒ弧处由于设计
（３）检修人员要认真执行点检，运行人员应认真
不佳、加工工艺粗糙形成应力集中。例如键槽底部
监盘．发现磨煤机电流突变、磨煤机减速机系统有
的９０￣角处在大轴调质处理时．因热处理工艺不佳
异常振动和响声时，要及时停运，避免事故扩大。
可能在调质处理时，产生微小裂纹。轴径台阶Ｒ弧
（４）磨煤机加钢球时要严格执行规定，不要一次
图纸标定Ｒ＝２ｍｍ，但实际上基本看不到Ｒ弧，这些
性加太多．否则会造成磨煤机超载．传动轴扭矩过
地方都会形成很高的峰值应力和应变集中．高的峰
大，使传动轴产生过大交变应力。
值应力即使不能使材料发生屈服，也会降低材料的
塑性，促使材料在应力集中处提前失效。
收稿日期：２ｏｏ６—０４—２１
（上接第２６页）
ｍｐｏｓｉｕｍ ２２・２７ Ａｕｇｕｓｔ １９９９ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．４６
（２）ＧＩＳ设备局部放电普查结果显示，我省电网
７，观，１ ９９９，Ｌｏｎｄｏｎ．
ＧＩＳ设备超高频局部放电信号水平一般很小。对信
【５】Ｄｉｅｓｓｎｅｒ，Ｇｏｒａｂｌｅｎｋｏｗ，Ｈａｓｈｏｆｆ，Ｓｃｈｒｅｉｅｄｅｒ：Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ
号明显偏大的ＧＩＳ设备．应加强ＧＩＳ运行监督以及
ｗｉｔｈ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｌｘｉｃａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇ
ＩＳ，Ｃｉｇｒ６ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｂｅｒｌｉｎ，１９９３，Ｒｅｐｏｒｔ ｌ １０－２３
跟踪测量，并积极开展ＧＩＳ局部放电定位，以保障
【６ Ｈｅｒ６］ｉｎｇ，Ｓｃｈｉｃｈｌｅｒ，Ｇｏｒａｂｌｅｎｋｏｗ：Ｏｎ－ｌｉｎｅ Ｐａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ
ＧＩＳ设备的可靠运行。
Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ４２０／５５０ ｋＶ ＧＩＳ．６．Ｉｎｔ．Ｅｌｅｃ￣ｃａｌ
参考文献
ｉｍｕｌ￣Ｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＬＡＢＥＩＮ，Ｂｉｌｂａｏ，Ｓｐａｉｎ，１９９７
【１苑舜．１］高压开关设备状态监测与诊断技术．机械工业出版
【７】黄兴泉等．交流耐压条件下的ＧＩＳ局部放电检测．华中电
社．２００１年
力，２００２年第ｌ５卷，第５期，１—３
【２】中华人民共和国电力行业标准Ｄ ｒ５９６—１９９６电力设备
【８】王建生，邱毓昌．气体绝缘开关设备中局部放电在线监测
预防性试验规程．１９９６年
技术．电工电能新技术，２０００年第４期，４４一Ｈ４８
【３邱毓昌．３］用超高频法对ＧＩＳ绝缘进行在线监测．高压电
【９蒋建玲．９］华北电力大学硕士学位论文，２００２年
器，１９９７年第４期，Ｐ．３６－－３９
【４］Ｕｗｅ Ｓｃｈｉｃｈｌｅｒ，Ｊ？ｒｇ Ｇｏｒａｂｌｅｎｋｏｗ．Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｗｉ山ＵＨＦ ＰＤ
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ＧＩＳ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｈｉｇｈ－Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｙ－
收稿日期：２０９６－０３—２１
2024年8月28日发(作者：柔柔惠)
维普资讯
２ＯＯ６年第３期 河南电力
运行ＧＩＳ设备的局部放电检测技术及其应用
黄兴泉，张欲晓，付海金
（河南电力试验研究院，河南郑州４５ｏ０５２）
摘要：超高频局部放电测量技术（ＵＨＦ法）可有效检测运行ＧＩＳ设备局部放电信号，及时发现ＧＩＳ设备内部存在的
绝缘缺陷。ＵＨＦ法弥补了ＧＩＳ设备缺乏有效试验手段的不足，可作为现行高压电气设备预防性试验方法的补充，
有助于ＧＩＳ设备的运行维护。本文采用自行研制测量装置成功地捕获到运行ＧＩＳ设备产生的超高频局部放电信
号。为推广应用ＵＨＦ法积累了经验。
关键词：ＧＩＳ超高频局部放电
中图分类号：ＴＭ８３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：Ｘ（２００６）０３－０２ ．０５
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆＰａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ＧＩＳ ｂｙ Ｕｓｅｄ ｏｆＵＨＦ Ｏｎ－ｌｉｎｅ
Ｈｕａｎｇ Ｘｉｎｇ・ｑｕａｎ，Ｚ￣ａｎｇ Ｙｕ－ｘｉａｏ，Ｆｕ Ｈａｉ－ｊｉｎ
（Ｈｅｎａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００５２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂａ￣ｔ：Ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｉｍｐｕｌｓｅ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｈａｔ ｐａｒｔｉａｌ ｉｄｓｃｈａｒｇｅ㈣ｉｎ
ＧＩＳ ｉｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ（ｕｍ０ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｎｉｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ
ＵＨＦ ｍｅｔｈｏｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｓ ｉｄｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｏｎ—ｓｉｔｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｓａ ａ ｕｓｅｆｕｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＰＤ
ｄｅｔｅｃｔｎｉｇ ｎｉ ＧＩＳ ｏｎ・ｌｎｉｅ．
Ｉ￣ｗｏｒ，ｌｓ：ＧＩＳ；ｕｌｒｔａ—ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｐａｒｔｉａｌｄｉｓｃｈａｒｇｅ
电磁波信号，有效地避开了现场的电晕等干扰，因
１ 概述
而具有较强的抗干扰能力。而且，ＵＨＦ法实施方便，
目前，ＧＩＳ设备缺乏有效的试验方法和手段。以
非常适宜运行ＧＩＳ设备的局部放电检测。
ＧＩＳ变电站为全封闭的结构。断路器、隔离开关、互
２ ＧＩＳ局部放电检测原理
感器、避雷器以及母线等均被密封在一个充满高压
ＳＦ６绝缘气体介质的金属罐内，除微水等少数试验项
研究表明．ＧＩＳ设备发生局部放电的原因在于
目外。现行高压电气设备预防性试验方法大多无法
其内部存在缺陷，主要缺陷类型包括：①固体绝缘
用于ＧＩＳ设备【１】翻。正是由于ＧＩＳ设备的特殊性，ＧＩＳ
材料内部缺陷；②ＧＩＳ设备内残留自由导电微粒，如
设备长期以来几乎处于一种无法维护的状态。
金属碎屑或金属颗粒等．这类缺陷一般是由于制
实践证明。ＧＩＳ设备内部故障以绝缘性故障为
造、安装等原因造成的；③导体表面存在突出物，如
多。研究认为，ＧＩＳ设备中出现的放电现象可造成
毛刺、尖角等。这种缺陷易发生电晕放电，在稳定的
ＳＦ６气体分解，进而严重影响电场分布，导致电场畸
运行电压下一般不会引发绝缘击穿。但在冲击电压
变以及绝缘材料的劣化。最终引发绝缘击穿囹。ＧＩＳ
下可能导致绝缘击穿；④导体接触不良等。上述缺
设备内部局部放电既是绝缘性故障的先兆又是故
陷在一定电压下可以产生ＧＩＳ局部放电。
障的表现形式．监测ＧＩＳ局部放电可以及时有效地
由于ＧＩＳ内的主要绝缘介质为绝缘强度较高
发现ＧＩＳ设备存在的绝缘缺陷和故障隐患。因此。
的ＳＦ６气体，因而发生在ＧＩＳ中的局部放电与空气
开展ＧＩＳ设备局部放电的监测可以弥补目前ＧＩＳ
中的电晕放电有所不同：空气中的电晕放电。其频
设备试验方法的不足。及时发现和避免ＧＩＳ事故的
率成分一般在２００ＭＨｚ以下Ｄ－习，而ＳＦ６中局部放电
发生，保障ＧＩＳ设备的安全稳定运行。目前，国内外
脉冲信号的上升时间极短，一般为璐级，持续时间
广泛采用超高频局部放电测量法（ＵＨＦ法）检测ＧＩＳ
也只有几个ｎｓ。因此。ＧＩＳ局部放电脉冲含有较为丰
局部放电囹 网。ＵＨＦ法不同于传统的脉冲电流法，
富的超高频信号成分。最高可达数ＧＨｚ。放电过程
其显著特点在于采集局部放电过程产生的超高频
伴随超高频电磁波的产生。并以辐射形式向四周传
维普资讯
２４ 黄兴泉等：运行ＧＩＳ设备的局部放电检测技术及其应用 ２ＯＯ６年第３期
播。由于ＧＩＳ设备的基本结构为导电杆和金属外壳
构成的同轴导电体，相当于不同特性阻抗的低损同
轴传输线串联．且具有若干不连续点．这一结构形
式构成了传播电磁波的导波系统１３］，由此可传播ＧＩＳ
超高频局部放电电磁波信号。利用上述特征，采用
超高频局部放电测量技术（ＵＨＦ法）可以达到有效
地检测ＧＩＳ局部放电的目的。
体外采集方式中的传感器由接收天线和超高
频放大器等构成。天线采用平面等角螺旋天线或阿
基米德螺旋天线，放大器采用低噪音、高增益超高
频信号放大器，传感器的典型频率特性曲线如图２，
工作频带一般３００ＭＨＺ￣ｌ５ｏ０ＭＨｚ，增益４０ｄＢ～５０ｄＢ。
目前，ＵＨＦ法具体应用形式包括ＧＩＳ设备体内
型传感和体外型传感两种电磁波信号采集方式。
（１）体内型传感器采集方式
体内型传感器采集方式通常将传感器安装在
ＧＩＳ设备的手孔或舱口盖板的内壁，超高频信号可
由此引到ＧＩＳ的体外进行测量。传感器一般为盘形
形状的超高频天线．其平面与外壳的内壁平齐以尽
可能减小对ＧＩＳ内部电场分布的影响。采用体内型
传感方式可直接接收被测信号，具有较高的传感效
率。另外，ＧＩＳ设备金属外壳对于屏蔽ＧＩＳ以外的干
扰信号十分有利，可用于局部放电的在线实时监
测。但是，这种方式受两方面因素所限制．使其应用
受到影响。一是ＧＩＳ设备内部空间十分有限．在其
内安置任何导体材料或多或少会对ＧＩＳ内部原有
电场分布产生影响；二是传感器的设计和安装需在
ＧＩＳ设备制造、装配中完成．对大量已成型或运行的
ＧＩＳ设备，体内型传感方式无法实施。
（２）体外型传感器采集方式
为了克服体内型传感器安装所存在的限制和
不足，国内研究了ＧＩＳ体外传感测量超高频信号的
方法。ＧＩＳ的全封闭金属同轴结构虽对于体内局部
放电产生的超高频信号是一个理想的波导．但同时
也是一个良好的屏蔽体。ＧＩＳ各间隔的连接处一般
为盆式绝缘子，它属于绝缘材料，超高频电磁波信
号可以从这些缝隙中辐射出来。在这些绝缘子附近
放置天线可以检测到ＧＩＳ内部所产生超高频局部
放电信号，如图１所示。
二二二
图１体外测量原理
图２放大器频率响应曲线
体外式测量一般为便携式测量方式，具有使用
方便、不受环境限制、可用于放电的定位等特点。与
体内采集方式相比．被测信号衰减较大，灵敏度受
到影响。幸运的是，ＧＩＳ往往有多个盆式绝缘子，可
提供多处检测位置，由此可实现近距离检测，尤其
是盆式绝缘子附近的放电。有研究表明，体外传感
方式的灵敏度不低于体内传感方式的灵敏度ｉ９］。体
外型采集方式存在的问题是测量单元易受现场环
境的干扰，且不便于实现放电的实时监测。
采用体外式ＧＩＳ局部放电检测方法可对运行中
的ＧＩＳ设备实施局部放电检测。具体方法是，将测
量传感器安装在运行ＧＩＳ设备的盆式绝缘子外沿．
如图３。图中传感器为自行研制的超高频信号测量
传感器，其特性如图２。传感器采集的信号由数字示
波器直接显示，现场一般只需提供示波器所用的
２２０Ｖ交流电源。
图３测量传感器安装示意图
选用两个特性完全一致的传感器，利用体外式
检测方法可实现ＧＩＳ设备的局部放电定位．其原理
是根据不同检测点局部放电信号的时间差．以“等时
间差”确定放电大致位置。定位测量时要求所采集的
维普资讯
２ＯＯ６年第３期 河南电力
放电脉冲信号，其上（下）沿尽可能陡一些，以利于分
辨信号的起始时间。同时要求示波器具有足够高的
响应频率和采样率。以满足响应匹配和有效记录ＮＳ
１放在一个盆式绝缘子外沿，另一个传感器２放在
其邻近的盆式绝缘子外沿，如果总是传感器１的信
号先到达。则表明信号源就在传感器１所在的盆式
绝缘子附近。反之，如果邻近盆式绝缘子的信号先于
传感器１，则以该盆式绝缘子为中心，重复上面的测
量。依次类推，最终可以确定超高频信号源的位置。
图５为两传感器第一次同时捕获的超高频信
数量级的放电脉冲。一般配置为：采样率１Ｇｓ／ｓ、带宽
５００ＭＨｚ以上；双通道；１５ｍ超高频信号电缆。定位的
具体方法是。将两个探头分别放在具有一定距离的
盆式绝缘子上，在示波器上观测两个探头信号到达
的先后，如果探头Ａ的信号总是领先于探头Ｂ，则说
号波形．图中．上、下波形分别对应传感器１和传感
明放电电源就在探头Ａ、Ｂ中线靠近探头Ａ所在的
一
侧。移动探头Ｂ，重复上述测量。当两个探头信号上
（下）沿重合或基本（即两个探头测量的信号“等时间
差”），放电点即为探头Ａ、Ｂ中线附近。
３ 应用举例
自２００２年，河南电网采用“运行ＧＩＳ设备局部
放电检测技术”，对其管辖的郑州、洛阳、南阳、信
阳、濮阳、新乡等十余个供电局（公司）的三十多座
１１０～２２０ｋＶ ＧＩＳ变电站中运行的ＧＩＳ设备进行了局
部放电现场普查测量。从实际测量结果上看，绝大
多数ＧＩＳ变电站未发现局部放电信号，现场干扰信
号一般小于５０ｍＶ。实际测量的超高频信号最大幅
值小于１０ｏ ｍＶ。在测量１１０ｋＶ郑园站和１１０ｋＶ禾
滨站时，捕获到一定幅值的超高频信号。
（１）１ １０ｋＶ郑园站测量情况
郑园站位于居民区中，附近无工厂企业。该站
为北京开关厂生产ＺＦ４一ｌ１Ｏ型ＧＩＳ设备（三相分
箱），２０００年投入运行。２ｏｏ５年２月在局部放电现
场普查测量中捕获到明显的超高频信号．信号呈间
歇状出现。其中，最大幅值约３００ｍＶ，初步判断为局
部放电信号，典型波形如图４所示。
图４郑园站捕获的超高频信号
为了进一步确定所捕获的超高频信号是否为
ＧＩＳ设备内部产生的局部放电信号．使用两个特性
基本相同的传感器，并采用“信号先后比较法”对超
高频信号源进行了定位测量。定位原理是，将传感器
器２捕获的超高频信号。按“信号先后比较法”原
理，移动传感器１（或传感器２），逐步缩小两传感器
捕获的信号时间差，则可达到接近超高频信号源的
目的。
图５两传感器同时捕获的超高频信号
当传感器１、传感器２分别移至“曾ｌ１２东刀
闸”、“曾１１２甲刀闸”与母线交叉位置附近时（如
图６），两传感器同时捕获的超高频信号时间差已
足够小，如图７所示。随意移动其中一个传感器，
使其偏离“曾１１２东刀闸”或“曾１１２甲刀闸”．则
两传感器捕获的超高频信号时间差增大：重复测
量过程，上述结果基本保持不变。由此可以确定传
感器所捕获的超高频信号为ＧＩＳ内部传播出来的
超高频局部放电信号．放电源可能在“曾ｌ１２东刀
闸”、“曾ｌ１２甲刀闸”与母线交叉位置附近．即传
感器１和传感器２之间。根据现场情况，目前，对
该站实施跟踪监测。
图６传感器位置
维普资讯
黄兴泉等：运行ＧＩＳ设备的局部放电检测技术及其应用 ２００６年第３期
（２）１ １０ｋＶ禾滨站站测量情况
禾滨站位于城市中心区，附近无工厂企业。该
站为上海华通开关厂生产ＺＦ３—１１０（２８型ＧＩＳ设备
（三相分箱），１９９９年投入运行，一次系统图如图８。
２００２年在局部放电现场普查测量中捕获到明显的
超高频信号。信号呈间歇状出现。其中，最大幅值约
１５０ｍＶ．初步判断为超高频局部放电信号。２００３年
图７“曾１１２”、“曾１１２”附近捕获的超高频信号
１Ｏ月对其进行跟踪及定位测量。
陬｝点２甲地
图８禾滨站一次系统图（部分）
由于禾滨站为全封闭结构。现场测量时几乎无
干扰信号。本次测量的超高频信号幅值上升至３００
ｍＶ，而且超高频信号发生的频率较高。约５—８分钟
采集到一个脉冲信号。采用上述定位测量方法，经
过反复测量最后定位在陈滨２一陈滨２南与滨１１Ｏ
南母间，如图８和图９右下圆圈所示。
２００６年３月，禾滨站在无操作情况下发生故
障。故障部位为陈滨２一陈滨２南同间隔的（线路）
气室，如图８和图９左上圆圈．该处距超高频局部
图１Ｏ烧毁的ＰＴ气室
放电定位位置约两个气室。图１Ｏ为烧毁的 气室。
为了进一步确定ＧＩＳ设备是否存在其它放电
点，在 气室事故并拆除后对其余仍在运行的ＧＩＳ
设备再次进行了局部放电测量。检测结果显示，除
Ｐｒ气室外。禾滨站ＧＩＳ设备不再存在放电现象。这
一
结果说明．禾滨站局部放电普查时捕获的信号为
气室中存在的放电现象产生的。
４结论
（１）ＵＨＦ法可有效检测运行ＧＩＳ设备的局部放电，
图９盯气室及定位位置
为ＧＩＳ设备提供了新的检测、试验方法。 【下转第４８页）
维普资讯
４８ 王长有等：ＤＴＭ３２０１５８０￣磨煤机传动齿轮轴断裂原因分析及防范措施 ２ＯＯ６年第３期
４．２装配工艺的影响
现场检查发现，传动轴与对轮在装配时，轴和
对轮分别设计有二处平键槽，相隔ｉ２０￣角；而实际
装配时只装配了一条平键．造成传动轴一个平键处
承受２倍的设计传动力矩，使平键处轴４５。截面上
的最大切应力过大。在长期的交变应力和外界应力
作用下．键槽的应力集中处产生疲劳微小裂纹，而
微小裂纹又在交变应力的作用下，随着运行时间的
延长逐步扩展．最终导致传动轴的断裂破坏。
４．３运行方式的影响
钢球磨煤机在加钢球时负荷大，运行中钢球逐
渐磨损，负荷逐渐变小，因此磨煤机传动轴的负荷
是一个交变负荷．加上钢球磨煤机冷态启动时的过
大载荷．也是造成传动轴疲劳裂纹产生和扩展的重
要因素．这些都可能使大轴疲劳断裂破坏。
图２传动轴断口特征
５防范措施
４断裂原因分析
（１）合理设计传动轴的结构尺寸，提高加工工艺
经过对该轴断口特征及运行状况的检查、分
和加工精度．尽可能避免局部应力集中的产生。
析，我们认为该轴断裂的主要原因有以下三点。
（２）安装和检修过程中，要严格按照设计说明书
４．１应力集中的影响
的要求进行安装装配，使载荷分配合理。
键槽底部的９０￣角和轴径台阶Ｒ弧处由于设计
（３）检修人员要认真执行点检，运行人员应认真
不佳、加工工艺粗糙形成应力集中。例如键槽底部
监盘．发现磨煤机电流突变、磨煤机减速机系统有
的９０￣角处在大轴调质处理时．因热处理工艺不佳
异常振动和响声时，要及时停运，避免事故扩大。
可能在调质处理时，产生微小裂纹。轴径台阶Ｒ弧
（４）磨煤机加钢球时要严格执行规定，不要一次
图纸标定Ｒ＝２ｍｍ，但实际上基本看不到Ｒ弧，这些
性加太多．否则会造成磨煤机超载．传动轴扭矩过
地方都会形成很高的峰值应力和应变集中．高的峰
大，使传动轴产生过大交变应力。
值应力即使不能使材料发生屈服，也会降低材料的
塑性，促使材料在应力集中处提前失效。
收稿日期：２ｏｏ６—０４—２１
（上接第２６页）
ｍｐｏｓｉｕｍ ２２・２７ Ａｕｇｕｓｔ １９９９ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．４６
（２）ＧＩＳ设备局部放电普查结果显示，我省电网
７，观，１ ９９９，Ｌｏｎｄｏｎ．
ＧＩＳ设备超高频局部放电信号水平一般很小。对信
【５】Ｄｉｅｓｓｎｅｒ，Ｇｏｒａｂｌｅｎｋｏｗ，Ｈａｓｈｏｆｆ，Ｓｃｈｒｅｉｅｄｅｒ：Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ
号明显偏大的ＧＩＳ设备．应加强ＧＩＳ运行监督以及
ｗｉｔｈ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｌｘｉｃａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇ
ＩＳ，Ｃｉｇｒ６ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｂｅｒｌｉｎ，１９９３，Ｒｅｐｏｒｔ ｌ １０－２３
跟踪测量，并积极开展ＧＩＳ局部放电定位，以保障
【６ Ｈｅｒ６］ｉｎｇ，Ｓｃｈｉｃｈｌｅｒ，Ｇｏｒａｂｌｅｎｋｏｗ：Ｏｎ－ｌｉｎｅ Ｐａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ
ＧＩＳ设备的可靠运行。
Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ４２０／５５０ ｋＶ ＧＩＳ．６．Ｉｎｔ．Ｅｌｅｃ￣ｃａｌ
参考文献
ｉｍｕｌ￣Ｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＬＡＢＥＩＮ，Ｂｉｌｂａｏ，Ｓｐａｉｎ，１９９７
【１苑舜．１］高压开关设备状态监测与诊断技术．机械工业出版
【７】黄兴泉等．交流耐压条件下的ＧＩＳ局部放电检测．华中电
社．２００１年
力，２００２年第ｌ５卷，第５期，１—３
【２】中华人民共和国电力行业标准Ｄ ｒ５９６—１９９６电力设备
【８】王建生，邱毓昌．气体绝缘开关设备中局部放电在线监测
预防性试验规程．１９９６年
技术．电工电能新技术，２０００年第４期，４４一Ｈ４８
【３邱毓昌．３］用超高频法对ＧＩＳ绝缘进行在线监测．高压电
【９蒋建玲．９］华北电力大学硕士学位论文，２００２年
器，１９９７年第４期，Ｐ．３６－－３９
【４］Ｕｗｅ Ｓｃｈｉｃｈｌｅｒ，Ｊ？ｒｇ Ｇｏｒａｂｌｅｎｋｏｗ．Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｗｉ山ＵＨＦ ＰＤ
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ＧＩＳ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｈｉｇｈ－Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｙ－
收稿日期：２０９６－０３—２１