在高压电力系统中，气体绝缘开关设备（GIS）凭借体积小、绝缘性能优、运维成本低等优势，成为变电站核心设备之一。然而，GIS 内部的局部放电（PD）是引发绝缘故障、威胁设备寿命与电网安全的 “隐形杀手”。本文基于海外权威技术文献，系统解析 GIS 典型局部放电源特征、主流检测方法（传统电气法、声学法、UHF 法）及工程应用案例，为电力行业从业者提供专业技术参考，助力 GIS 设备状态监测与故障预警。
一、GIS 与局部放电：电力设备安全的关键挑战
局部放电是指 GIS 绝缘系统中局部区域的电场强度超过介质耐受水平，引发的非贯穿性放电现象。根据文献研究，PD 的产生需满足两个核心条件：
- 缺陷附近的电场强度（E）超过绝缘材料的耐受阈值；
- 存在自由电子以触发并维持放电（电子的可用性受复杂物理过程影响，导致 PD 信号呈现随机、非规律性）。
PD 在 SF₆气体中会产生超快上升沿（<100ps）的脉冲信号，其射频（RF）分量可覆盖甚高频（VHF）至特高频（UHF，300-3000MHz）频段。过去 30 余年，基于 RF 信号的检测技术已成为 GIS PD 诊断的核心手段，而明确 PD 源头特征则是精准检测的前提。
二、GIS 典型局部放电源：成因与信号特征
图 1（典型 GIS 局部放电源与 UHF / 声学传感器、干扰源示意图）清晰展示了 GIS 内部主要 PD 缺陷类型，结合其形成机制与信号特点，可分为以下 5 类：
1. 移动 / 跳跃金属颗粒
成因：多为装配过程中螺纹加工产生的金属碎屑（如铝制外壳碎片），尺寸通常在毫米级，在电场作用下会 “跳跃式” 移动。
信号特点：PD 信号易被传统电气法、声学法及 UHF 法捕获，检测难度低；但因运动轨迹不可预测，被视为高风险缺陷（可能划伤绝缘表面、加剧放电）。
2. 悬浮电位放电
成因：金属部件（如电极、接触组件）未与高压极（内导体或外壳）形成电连接，形成电容分压器，在电场中充电；当间隙（通常远小于 1mm）两端电压超过 SF₆耐受强度时，会反复击穿放电。
信号特点：脉冲幅值高、计数密集，是 GIS 中较易识别的 PD 类型。
3. 导体 / 外壳凸起
成因：内导体或外壳表面的尖刺、毛刺，会导致局部电场集中，引发电晕放电。
信号特点：具有典型电晕放电特征；因工厂出厂检测严格，现场运行中较少出现。
4. 固体绝缘缺陷
成因：支撑内导体的绝缘子、绝缘传动轴、套管等部件中存在孤立气隙、裂纹或绝缘 – 金属界面分层。
信号特点：气隙缺陷因缺乏初始电子，放电起始延迟长，可能规避出厂 60s 高压测试；小尺寸气隙（<1mm）信号幅值极低（远小于 10pC），且活性随时间波动大；裂纹若填充 SF₆，检测难度进一步提升。
5. 表面放电
成因：绝缘部件表面附着金属 / 半导电污染物，或 GIS 与电缆、变压器连接的梯度电位套管内部边界层存在缺陷；若绝缘子表面有孤立金属颗粒，也会引发低幅值表面放电。
信号特点：多数情况下信号幅值较高，但放电物理过程复杂，信号时域波动性大。
三、GIS 局部放电检测方法：传统与非常规技术对比
针对 GIS PD 检测，行业形成了 “传统电气法” 与 “非常规检测法” 两大技术体系，各自具备独特优势与适用场景。
3.1 传统检测：IEC 60270 电气测量法
原理与应用
IEC 60270 是高压设备 PD 检测的经典标准，其核心是将 GIS 模块接入标准测试回路，通过耦合电容与测量阻抗捕获 PD 产生的微弱电流，实现信号采集。该方法在工厂测试中应用广泛，因 GIS 模块可近似为集中电容，检测稳定性高。
核心优势
校准明确：标准详细规定校准方法，可将被测设备 PD 信号幅值（pC）与限值对比，建立清晰的 “合格 / 不合格” 判据，是行业公认的出厂验收标准。
主要局限
无法定位：最高测量频率仅 1MHz（对应波长 300m），无法通过信号差异定位 PD 源头，需配合人工声学法辅助定位；
抗干扰差：易受外部电晕、中波广播信号、电源接地噪声等电磁干扰（EMI），部分场景下干扰信号甚至超过 PD 验收阈值，难以消除；
现场适用性低：现场测试需满足 “耦合电容容量远大于 GIS 电容” 以保证灵敏度，但大型输电 GIS 所需耦合电容体积大、重量沉，还会大幅增加高压电源负载。
3.2 非常规检测（一）：声学检测技术
原理
局部放电本质是 “微火花放电”，会形成气体冲击波（类似闪电产生雷声），同时移动颗粒撞击外壳也会产生特征声波。声学检测通过紧贴 GIS 外壳的超声波传感器（10-500kHz）捕获这些信号，实现 PD 检测与定位。
设备类型与应用
1、手持便携设备：操作员沿 GIS 移动传感器，通过耳机监听信号，结合仪器信号处理功能增强检出率。该设备对小至 1mm 的移动颗粒定位精度高，因声学信号强度与距离强相关，经验丰富的操作员可精准定位 PD 源。
2、基于仪器的系统：将压电传感器（声发射传感器、加速度计、电容麦克风）固定于 GIS 外壳，连接专用信号处理仪器，具备信号放大、算法分析与可视化功能（如 Lundgaard 时间 – 幅值图、PRPD 图谱），可辅助判断 PD 类型（如移动颗粒的飞行时间与尺寸关联）。
优势与局限
优势：抗 EMI 干扰能力强（不受变电站电磁环境影响），是工厂与现场定位 PD 源的核心手段；
局限：固体绝缘缺陷（如气隙、裂纹）的声学信号衰减严重，检测灵敏度低；信号传播受 GIS 材质（铝壳、环氧绝缘）与结构（法兰、隔室）影响大，跨隔室检测难度高，不适用于在线监测。
3.3 非常规检测（二）：UHF 检测技术（核心推荐）
原理
GIS 内 PD 会产生上升沿 < 100ps 的超快脉冲，其射频信号频谱可覆盖 UHF 频段（300-3000MHz）。UHF 检测通过内置或外置传感器捕获这些信号，经放大、处理后实现 PD 检测、定位与类型判断，是近 30 年 GIS PD 检测的主流技术方向。
关键技术细节
1、窄带与宽带技术：
- 窄带技术：采用 3-10MHz 可变带宽窗口，适用于特定频段信号分析；
- 宽带技术：覆盖 200-2000MHz 宽频段，是在线监测系统的主流选择，部分方案还会结合两者形成混合技术，兼顾灵敏度与带宽。
2、设备组成：
典型 UHF 检测系统包括：RF 前置放大器（增益 > 30dB，噪声系数 < 6dB，保护电路防止高压损坏）、多路复用器（MUX，实现多传感器切换与远程供电）、频谱分析仪 / 数字存储示波器（DSO），用于信号观察与 PRPD 图谱生成。
3、信号传播与传感器：
- GIS 并非理想的 UHF 信号传输介质，内部导体、绝缘边界、阻抗突变（如弯头、变径）会导致信号反射、衰减与模式叠加，原始脉冲会失真为数百纳秒的复杂暂态信号（图2所示）；
- 传感器分为内置与外置：内置传感器安装于 GIS 内部，通过气密 RF 同轴接口引出信号，灵敏度高且抗外部干扰；外置传感器用于无内置传感器的 GIS，通过观察窗、绝缘子浇筑孔等开口采集信号，灵敏度较低但适用 retrofit 场景。
4、TOF 定位技术：
通过 2 个及以上传感器采集 PD 信号的到达时间差（Δt），结合 GIS 内 UHF 信号传播速度（需考虑材质差异，如铝壳中约 6420m/s），计算 PD 源位置（图3）。为保证精度，需使用带宽≥1GHz、采样率≥5GS/s 的 DSO，并确保传感器线缆长度一致（或校准长度差），可实现隔室内厘米级定位。
5、CIGRÉ 灵敏度验证：
因 UHF 信号幅值与 PD 电荷（pC）无法直接定量关联，CIGRÉ TF 15/33.03 提出 “灵敏度验证方法”：实验室中用 5pC 移动颗粒 PD 信号校准脉冲发生器，现场将同参数脉冲注入传感器，若相邻传感器可检出，则判定该段 GIS 检测灵敏度合格，是行业公认的 UHF 系统验证标准。
四、工程案例：GIS 局部放电检测实战应用
案例 1：UHF 监测误报排查 —— 外部信号溯源
某 400kV 电厂 GIS 的 UHF 在线监测系统频繁报警，分析 PRPD 图谱发现：三相信号存在 120° 相位偏移，推测信号源自 GIS 外部。通过 TOF 测量（图4），发现靠近变压器的传感器信号比相邻传感器早 24.5ns；进一步注入外部脉冲验证（图5），信号到达顺序反转，确认 PD 信号来自升压变压器（经油气套管低通滤波后耦合至 GIS），排除 GIS 内部缺陷。
案例 2：固体绝缘缺陷定位 —— 绝缘子气隙检出
某 400kV GIS UHF 监测系统捕获低幅值随机信号，PRPD 图谱符合固体绝缘缺陷特征（图6）。通过 TOF 测量（图7），将缺陷锁定在两个相邻传感器之间，信号到达时间差仅 390ps，最终定位至某绝缘子。更换绝缘子后信号消失，X 射线检测发现绝缘子中心导体附近存在 700μm 直径气隙。
案例 3：电缆终端表面放电检测
某 400kV GIS feeder 的 UHF 监测系统显示强 PD 信号，PRPD 图谱指向表面放电（图8）。使用外置 UHF 传感器沿 feeder 检测，发现信号源自厂房外电缆终端；通过 TOF 测量（图9），信号到达时间差约 38ns，与传感器间距匹配，最终确认电缆终端表面污染引发放电，清理后故障消除。
五、GIS 局部放电检测方法对比与选型建议
| 检测方法 | 校准能力 | 灵敏度 | 耦合方式 | 抗 EMI 干扰 | 定位能力 | 适用场景 |
| 传统 IEC 60270 | 可校准（pC） | 高（<1pC） | 耦合电容 + 测量阻抗 | 差 | 无法定位 | 工厂出厂验收测试 |
| 声学检测 | 不可校准 | 高（<5pC） | 压电传感器（紧贴外壳） | 优 | 隔室内精准定位 | 工厂 / 现场 PD 源定位、固体绝缘缺陷辅助检测 |
| UHF 检测 | 不可校准（CIGRÉ 验证） | 高（<5pC） | 内置 / 外置 RF 传感器 | 优 | TOF 隔室 / 厘米级定位 | 工厂测试、现场验收、在线监测 |
六、总结：GIS 局部放电检测的核心原则
- 非常规方法无定量校准：UHF 与声学检测无法将信号幅值直接换算为 PD 电荷（pC），需通过 CIGRÉ 灵敏度验证或对比分析判断设备状态；
- 信噪比优先：传感器选型、信号处理算法（如 PRPD）、测量链路优化（低噪声放大器、屏蔽线缆）是提升检测可靠性的关键；
- 定期核查与记录：非常规检测无统一标准回路，需定期检查传感器、线缆、前置放大器等部件状态；测试过程需详细记录回路配置、图谱数据与现场环境，便于追溯与对比；
- 多方法协同：传统法用于出厂验收，UHF 法用于在线监测与初步定位，声学法用于精准定位，三者结合可实现 GIS PD 全生命周期管控。
GIS 局部放电检测是保障电网安全的 “第一道防线”，掌握 UHF、声学等非常规检测技术，结合工程案例经验，可有效提升 GIS 设备缺陷检出率与故障预警准确性，为电力系统稳定运行提供有力支撑。
