特高频法检测GIS局部放电的原理

运行中的GIS内部充有高气压SF6气体，其绝缘强度和击穿场强都很高。当局部放电在很小的范围内发生时，气体击穿过程很快，将产生很陡的脉冲电流。对信号进行频谱分析之后，发现其中频率成分可达数GHz，并且脉冲向四周辐射出的特高频电磁波。研究认为，GIS设备中的放电脉冲波不仅以横向电磁波(TEM波)的形式传播，而且还会以横向电场波(TE波)和横向磁场波(TM波)的方式传播。TEM波为非色散波，理论上讲，任何频率的TEM波都能在GIS同轴波导中传播。但GIS同轴波导存在导体损耗和介质损耗，随着频率的提高，信号的衰减逐渐增大。研究表明，TEM波在GIS内在大约100MHz左右达到值，然后大小会随着频率的增高而衰减。对于TE波和TM波存在一个下限截止频率，一般为几百MHz。当信号频率小于截止频率时，其衰减很大；而信号频率大于截止频率时，信号在传播时的损失很小。由于GIS设备的金属同轴结构是一个良好的同轴波导，因此可用同轴波导的概念，分析超高频信号在GIS中的传播。因此，他们认为在GIS内部的电磁波中TE波和TM波占主要成分。因此，他们认为在GIS内部的电磁波中TE波和TM波占主要成分。

由于GIS波导壁为非理想导体，电磁波在GIS内部传播过程中就会有功率损耗，因此，电磁波的振幅将沿传播方向逐渐衰减，并且GIS中的SF6气体将会引起波导体积中的介质损耗，也会造成波的衰减。这种衰减具有1us左右的衰减时间常数，它的衰减量要比信号在绝缘子处由于反射造成的能量损耗低得多。研究表明，1GHz的电磁波在直径为0.5m的GIS内传播所产生的衰减只有3-5dBm/km。因此在用波导理论进行局部放电仿真和测量时可以不考虑这种衰减。

GIS有许多法兰连接的盆式绝缘子、拐弯结构和T型接头、隔离开关及断路器等不连续点，特高频信号在GIS内传播过程中经过这些结构处时，必然会造成衰减。信号在绝缘子和T型接头处的反射是造成信号能量损失的主要原因，并通过计算，初步确定绝缘子处的能量衰减为3dB，T型接头处的能量衰减为10dB。

由于GIS的这些盆式绝缘子均为非铁磁材料，可以透射超高频电磁波信号，当GIS设备局部放电产生的电磁波沿金属轴(筒)传播时，部分信号可通过绝缘子向外辐射，通过无线检测方式即可接收到这些从GIS设备内部传出的放电信号。

根据GIS中电磁波传播特点，可以利用特高频传感器接收其中500-3000MHz的特高频信号进行检测，可避免常规电磁脉冲干扰。这是因为空气中的电晕放电等电磁干扰频率一般在500MHz以下，利用一个加有500MHz的高通滤波器的特高频放大器就可解决干扰问题，从而提高局部放电检测的信噪比。

UHF段信号虽抗干扰性能好，但该频段信号较弱，故需要较精密的仪器来测量和显示，该段信号的检测既可使用只有几MHz带宽的窄频法，也可使用达几GHz带宽的宽频法。窄频法一般除了需要频谱分析仪外，还需要低噪音高增益的UHF放大器来收集局部放电信号，在有特高频干扰的情况下比较适用，且要求仪器较精密。宽频法在一般的场合使用更广泛，它需要可达ns级采样的示波器和截止频率为250-300MHz的高通滤波器。UHF法的灵敏度依赖于传感器等测量装置的可靠性。局部放电信号的强弱及特性与产生的放电的缺陷类型和严重程度有关。局部放电信号强度和传感器与放电源距离的关系可确定局放源所在的隔室，不同位置传感器接收信号的时差可定位局放源，但方法需研究、完善。有关GIS局部放电的鉴别、定位还需更多试验。