GIS设备局部放电检测专利技术浅析

GIS设备局部放电检测专利技术浅析

尤茜

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 天津 300304

摘 要：本文介绍了GIS设备局部放电检测领域的技术发展、相关领域的专利申请情况分析，并概述了GIS设备局部放电的主要测试方法，并且引用了专利文件对其进行解释说明。

关键词：GIS；局部放电；专利申请

1. 引言

随着社会的发展，对电力的需求不断增大，对电能质量的要求也越来越高同时对设备安全运行的可靠性要求也相应提高。GIS（Gas Insulated Switchgear，气体绝缘封闭组合电器）以其体积小、元件全部密封不受环境干扰、安装方便、运行可靠性高、检修周期长、维护工作量小等众多优点越来越多的应用于电力系统当中，随着电力系统向超高压、高可靠性和紧凑型发展，GIS已成为今后的主要发展方向。但正是由于GIS的全封闭组合电力设备，如果出现事故，造成的后果比分离式敞开设备更为严重，故障修复也非常复杂，一旦GIS发生故障，修复时间长、停电影响面积大，后果十分严重。因此，及早预警GIS内部故障是非常重要的^[1]。

2. 局部放电的放电机理

局部放电（partical discharge），是指在绝缘系统表面或绝缘系统内部，当外部电压产生的电场特别集中，引起使绝缘系统的部分区域发生的未形成固定放电通道的放电现象。产生局部放电的主要原因是电介质不均匀时，绝缘体各区域承受的电场强度不均匀，在某些电场强度达到击穿场强而发生放电，而其他区域仍保持绝缘的特性。局部放电一般发生在绝缘薄弱或电场强度偏高的部位^[2]。

3. GIS设备局部放电检测领域专利情况分析

3.1专利申请量趋势分析

用于蓄电池性能测试的分类号主要为G01R31/12，利用局部放电检测的分类号和关键词在中文专利库CNABS和外文专利库VEN中进行检索，统计的专利申请数据截止到2020年5月31日。GIS设备局部放电检测技术国内专利申请始于1990年，上个世纪90年代为该技术的初始阶段，发展缓慢，年申请量为1件左右；从2008年起，专利申请出现了迅猛增长，到2013年达到了第一高峰，年申请量达到50件；但是2014年的申请量出现低谷，仅为35件，与2011年的申请量相差无几；从2014年开始又出现了更为迅猛的增长，并在2016年达到了73件的年申请量最高峰。

3.2专利申请的国家分布

GIS设备局部放电检测技术专利申请主要集中在中国、韩国、日本等国家，其中中国拥有专利申请数量最多，达到全球总量的73%，其次是韩国和日本，其申请量分别为总量的13%和9%，此外的申请国还包括美国、欧洲、德国、台湾、印度等，申请量都不多，其总和为全球申请总量的5%，由此可见，针对GIS设备局部放电检测技术的专利申请主要集中在亚洲国家。

3.3同领域主要申请人分析

日本申请人在该领域申请专利的时间最早，前期在该领域具有很大优势。日本申请人在该领域申请专利的时间最早，前期在该领域具有很大优势。中国于1990年有相关专利申请，之后的专利申请也比较少，一直到2008年，开始了GIS设备局部放电检测技术发展的第一个高峰期。

4. 局部放电检测技术的发展

GIS局部放电常伴有发声、发光、机械波、电脉冲、SF­­6气体化学变化等现象，针对局部放电产生的声、光、电、化学效应，可采用声学、光学、电学、化学等方法来检测。具体检测方法可分为电测法和非电测法两类，其中非电测法主要包括有化学检测法、光学检测法和超声波检测法等；而电测法主要包括脉冲电流检测法和特高频法等。

4.1化学检测法

GIS发生局部放电时会引起SF­6及其杂质的化学反应，导致产生一些气体生成物，化学检测法通过检测绝缘气体成分变化来确定局部放电的严重程度，当发生放电情况时，SF­6会分解产生SOF2和SO2F2两种气体，绝缘气体成分发生变化，但是GIS中的吸附剂和干燥剂会影响其检测结果，断路器正常开断时的电弧产生的气体生成物也会对测量结果产生影响，因此化学检测法的灵敏度很差，相关的专利申请也较少。专利申请CN105067979A提出了SF6电气设备局放分解物综合检测仪及其控制方法，将局部放电检测技术和分解物检测技术有机结合在一起，从电气和化学两方面进行综合诊断的技术方案。

4.2 光学检测法

该方法就是利用安装在GIS内部的光电二极管或光电倍增管进行光测量来评定局部放电的具体强度。由于光检测探头安装在GIS内部，局部放电发生时伴随着强烈的光辐射，检测装置几乎不受外部电磁干扰，因此检测灵敏度高，但SF6气体的光吸收能力随着自身浓度的增加而提高，GIS腔体内壁光滑将引起光的反射，从而导致这种检测的准确度不高，因此不适合用于故障的在线检测，因此相关的专利申请数量也不多。重庆大学申请的专利申请CN101982759A公开了利用感应调压器、无电晕实验变压器、无局部放电保护电阻、标准电容分压器、无感电阻、GIS模拟元件、红外光声光谱系统等组成的检测装置实现对GIS模拟元件中局放下SF­6分解气体进行红外光声光谱检测的技术方案。

4.3超声波检测法

GIS设备内部发生局部放电时，气体检分子发生距离碰撞，瞬间形成一种压力，产生超声波脉冲，以声波的形式向四周传播，用特制的超声波传感器沿GIS金属壳体传播的声波，间接发现腔体内部的局部放电。超声波检测法是非电测局部检测方法中的主流方法，一直受到专利申请人的关注。2000年公开的特兰斯格里德公司和悉尼科技大学申请的CN00812375A中提出了通过分别检测由于在高压电器设备中发生局部放电而产生的超声波脉冲和射频脉冲，进而结合信号处理装置来确定局部放电产生的技术方案。

4.4 脉冲电流检测法

脉冲电流检测法又称常规电测法，由于局部放电发生时被测试品两端电荷发生变化，与试品两端相连的试验回路上就会有脉冲电流流过，利用将电容电极安装在GIS设备外壳上进行耦合探测，记录局部放电在导体引起的电压变化即可检测局部放电情况，其优点是可通过校准对GIS内部局部放电进行定量测量，检测灵敏度高，缺点是抗干扰能力差，无法辨别与多种噪声混杂在一起的局放信号，因而更适用于试验室测量。

4.5超高频检测法

该方法是目前局部放电检测的主流方法之一。当GIS设备发生局部放电时，电荷的迅速移动形成短时电流脉冲，并由于电能作用产生复杂的电磁信号，通过频率范围在300MHz-3GHz的超高频传感器来接收该局放信号，同时对接收到的信号进行分析以确定绝缘缺陷类型。该检测方法的优点是抗电磁干扰能力强、灵敏度高。其缺点是：与传统脉冲电流法相比，无法对局部放电进行放电量大小的标定。该方法是目前局部放电检测的主流方法之一。当GIS设备发生局部放电时，电荷的迅速移动形成短时电流脉冲，并由于电能作用产生复杂的电磁信号，通过频率范围在300MHz-3GHz的超高频传感器来接收该局放信号，同时对接收到的信号进行分析以确定绝缘缺陷类型。该检测方法的优点是抗电磁干扰能力强、灵敏度高。其缺点是：与传统脉冲电流法相比，无法对局部放电进行放电量大小的标定。

参考文献：

[1] 袁玉龙 浅谈GIS设备带电局部放电检测技术的应用前景 [J]，2011（S2）：30-32

[2] 王卫东 GIS局部放电检测方法的分析研究[J], 2012（08）：13-17