GIS 特高频局放传感器：高压开关柜局部放电在线监测、无损诊断及故障类型精准识别技术

一、引言：为什么需要无损诊断？

随着工业技术的飞速发展，对电力需求不断攀升，电网基础设施承受的压力也随之增大。电网安全的首要任务是预防电力中断事故。传统诊断方法通常在设备停运后进行，但近年来，国内外研究热点已转向带电诊断技术（Live-diagnosis），旨在不中断供电的情况下，实时掌握设备运行状态。

在高压开关柜和气体绝缘开关设备（GIS）的故障中，超过一半是绝缘击穿导致的事故，而局部放电（Partial Discharge, PD）现象，正是绝缘劣化的重要征兆。

在众多局放诊断方法中，特高频（Ultra High Frequency, UHF）技术脱颖而出，成为预防性诊断的热门选择。

非接触、不中断电源： UHF 局放诊断技术最大的优势在于它不影响负载运行，无需中断电源即可进行测量。
抗干扰能力强： 该技术不易受到外部噪声干扰，有助于准确分析故障原因，实现风险评估。
标准化诊断： 由于经过大量的案例实验，利用 UHF 传感器进行诊断的测量简便，且波形分析已趋于标准化。
工作原理： 当设备内部发生局部放电时，会辐射出超宽带（GHz 以上）的电磁波。UHF 传感器（频率通常在 500-1500 MHz 之间）嵌入设备内部或贴合表面，即可捕捉到这些电磁波信号，从而实现对开关柜内部局部放电的检测。

小知识： 局部放电（PD）现象伴随着放电电流、声信号、光和电磁辐射等多种现象。

诊断方法	测量原理	优势	挑战/局限性
红外热像仪	测量温度变化	现场应用时间长，整体拍摄简单	难以诊断复杂内部结构，存在“阴影区”。常作为辅助手段。
超声波（AE）	测量声信号	可用于故障定位	易受电缆振动影响，难以区分信号和噪声，现场实施困难。
HFCT（高频电流传感器）	测量泄漏电流	频带较低（20-30 MHz），信号处理硬件简单。	难以区分局放引起的泄漏电流和流向地线的环流。
UHF特高频传感器	测量电磁波辐射	测量简单，诊断结果解释容易，波形分析标准化。	在高压配电盘等狭窄结构中，难以像 GIS 那样精确定位故障位置。

本研究使用了一个UHF特高频局放传感器（螺旋结构天线）和一个信号分析设备。

该分析设备内部框图流程如下：

信号输入： 弱信号通过 UHF传感器输入。
信号放大： 经过 LNA (低噪声放大器) 进行放大，确保稳定增益并最小化噪声。
信号筛选： 信号通过 BPF (带通滤波器)，选择特定的频率频段（如 0.3-2 GHz, 0.5-0.85 GHz, 1-1.6 GHz），以最小化不必要的电磁波干扰。
频率转换： 信号通过 视频检测器（Video Detector）后，频率被降至 20-30 MHz 频段，便于后续硬件处理。
数据处理： 信号通过 A/D 转换器输入到 DSP 中央处理单元进行处理。
波形分析： 使用示波器（如 Tectronix TDS 5000 ）采集数据，采用 PRPD (Phase Resolved Partial Discharge，相分辨局部放电) 方法进行分析。

研究人员利用 UHF 局放监测技术，对半导体工厂的约 200 个超高压开关柜进行了实地监测。

重要发现：

研究通过模拟实验（170 kV GIS 模型）获得了三种标准局放信号模式，用于与现场测量信号进行对比，以确定放电类型：

a) 金属间放电（浮动放电型 – Floating Discharge）：

故障原因： 通常由电缆头内部螺栓松动或与母线连接部分的金属松动引起。

b) 尖端放电（电晕放电型 – Corona Discharge）：

故障原因： 通常是由于施加电压部分或金属表面有外来物质或突出物造成。

c) 绝缘缺陷放电（空洞放电型 – Void Discharge）：

故障原因： 通常是 CT、PT 内部绝缘子或支撑绝缘子在制造和组装过程中，因内部空隙、表面损伤或污染造成故障。

本案例成功地验证了将 UHF特高频传感器应用于高压开关柜带电诊断技术的可行性。

虽然由于高压配电盘结构比 GIS 狭窄，利用 UHF 技术进行故障的精确定位仍存在挑战，但该技术能够准确分类故障类型（如浮动放电、电晕放电、空洞放电等）。

未来，这些现场采集和分析的数据将成为宝贵的数据库，为高压配电系统的有效带电管理和风险评估方法研究提供重要的基础信息。