增强GIS绝缘缺陷检测：光子计数、UHF和常规PD测量方法的比较研究

《Energies》：Enhancing Insulation Defect Detection in GIS: Comparative Study of Photon Counting, UHF, and Conventional PD Measurement Methods

　　

在气体绝缘设备（GIE）制造过程中，高灵敏度检测金属污染物对于降低绝缘风险至关重要。在本研究中，研究人员使用常规局部放电测量（CPDM）、超高频（UHF）和光子计数（PC）方法在252 kV GIS腔体上进行了金属污染物检测试验。结果表明，PC方法对微米级金属粉尘表现出高灵敏度，而UHF传感器在检测毫米级单线状颗粒时表现更佳。CPDM方法在上述两种情况下均无灵敏度优势。对于亚毫米级块状污染物，三种方法均表现出相当的灵敏度。此外，引入了一个综合统计指标来评估不同金属缺陷的放电活动，从而实现了更稳健的定量比较。

论文解读文章

**研究背景与问题**
气体绝缘设备（Gas-Insulated Equipment, GIE），包括气体绝缘开关设备（GIS）和气体绝缘输电线路（GIL），因其结构紧凑、容量大，在超高压（EHV）和特高压（UHV）输变电领域广泛应用。然而，金属污染物在GIE全生命周期中难以完全避免，它们会畸变局部电场并诱发局部放电（Partial Discharge, PD），严重威胁设备绝缘可靠性。现有检测方法，如常规局部放电测量（Conventional PD Measurement, CPDM）、超高频（UHF）传感器和超声波传感器，在检测微米级金属粉尘（放电量常低于1 pC）时灵敏度不足，易导致漏检。此外，以往研究多集中于单一检测方法或特定缺陷类型，缺乏对不同PD检测技术在代表性金属污染物条件下的系统比较，也缺乏统一的定量指标来评估不同形态缺陷的放电活动。因此，开展这项研究旨在系统比较CPDM、UHF和光子计数（Photon Counting, PC）方法对典型金属污染物的检测性能，并建立统一的评估框架。

**研究内容与结论**
研究人员在252 kV GIS腔体上，以SF₆气压0.5 MPa为条件，对四种代表性金属污染物（微米级铜粉、铝线、铝块和铝片）进行了检测试验。研究引入累积等效放电强度指数，综合评估放电重复率和幅度。结果表明：PC方法对微米级金属粉尘具有高灵敏度，UHF方法对毫米级线状颗粒检测更优，CPDM方法在弱放电场景下灵敏度有限；三种方法对亚毫米级块状污染物灵敏度相当。基于此，提出了面向GIE全生命周期的互补检测策略，即工厂检测阶段联合使用PC和UHF，在线监测以UHF为主，维护阶段辅以PC。该论文发表在《Energies》。

**关键技术方法**
研究采用三种主要检测技术：常规局部放电测量（CPDM）系统（用于定量参考）、内置超高频（UHF）传感器（检测电磁脉冲）和光子计数（PC）传感器（检测电致发光光子）。试验在252 kV GIS腔体上进行，平行电极间隙15 mm，SF₆压力0.5 MPa。金属污染物样本包括：200目铜粉（1 mg和0.3 mg）、1.5 mm铝线、0.5 mm×0.5 mm铝块和1.5 mm×1.5 mm铝片。电压从10 kV逐步升至40 kV（每步5 kV，持续30 s）。PC传感器置于暗室中，背景光子计数极低，CPDM和UHF同步记录。所有试验在固定气压和电极配置下进行，以确保一致性。

**研究结果**
**3. Experimental Results and Discussion**
- **Photon Counting (PC) Results**：对于1.5 mm铝线，在20 kV时光子计数突增至约500 s^?1，表明放电起始；1.5 mm×1.5 mm铝片表现出类似特性，但30 kV后信号消失（可能因颗粒附着于丙烯酸管壁）。对于1 mg铜粉，15 kV出现弱光子信号，40 kV时达533 s^?1；0.3 mg铜粉起始电压稍高（20 kV），40 kV时达408 s^?1，表明PC方法对微米级粉尘高度敏感。对于0.5 mm×0.5 mm铝块，10 kV即检测到光子信号，但光子计数先降后升，呈非单调变化，反映放电过程演变。

- **CPDM and UHF Results**：CPDM在40 kV下对1 mg铜粉未检测到超过背景噪声的脉冲，表明放电量低于检测阈值。UHF在35 kV下对0.3 mg铜粉也未发现明显脉冲。相反，对于0.5 mm铝块，UHF在10 kV即获得典型PRPD图；1.5 mm铝线在15 kV出现相位聚集脉冲；1.5 mm铝片在15 kV也有类似特征。说明UHF对大尺寸金属污染物有效。

- **Mechanism Analysis**：PC方法通过累积计数区间内总光子数检测弱放电，适用于微米级粉尘；UHF方法响应单次放电脉冲，适用于大振幅事件。对铝块和铝线的统计比较显示，铝线放电脉冲数随电压显著增加，幅度稳定；铝块脉冲数和幅度均缓慢增加，导致PC方法在20 kV才检测到铝线，而对铝块灵敏度与UHF相当。

- **Cumulative Equivalent Discharge Intensity Index**：引入指数Γ = n_pulse × A_avg，其中n_pulse为固定计数间隔内UHF脉冲数，A_avg为平均幅度。对铝线，Γ从670.2升至3609.6，表明放电活动随电压快速增强；对铝块，Γ在1518.7–2234.5间缓慢上升，反映不同放电机制。该指数比单一参数更全面反映放电活动。

**讨论与结论**
**4. Discussion**
研究人员讨论了三种方法的工程适用性。在工厂检测阶段，PC方法因可有效屏蔽环境光，对微米级粉尘灵敏度高，可作为补充手段；在在线监测中，UHF方法因抗干扰能力强、传感器部署成熟，是首选技术。建议采用互补策略：工厂联合使用PC和UHF，在线监测以UHF为主，维护时再引入PC，以实现全生命周期覆盖。此外，研究还比较了三种方法的统计特征（平均光子计数、标准差、最大光子计数、UHF脉冲数、平均幅度），证实了PC和UHF的互补性。

**5. Conclusions（翻译）**
本文研究了常规局部放电测量（CPDM）、超高频（UHF）和光子计数（PC）方法对气体绝缘设备（GIE）中典型金属污染物的检测性能。基于在252 kV GIS母线全尺寸平台上进行的实验，系统分析了三种方法的检测特性、传感机理和工程适用性。主要结论总结如下：
三种方法的检测性能随污染物形态和放电特性变化显著。PC方法得益于累积光子计数，在本实验条件下对微米级铜粉等弱微放电缺陷表现出较高灵敏度；而UHF方法对产生高振幅放电脉冲的毫米级线状污染物更有效；CPDM方法在本实验条件下对这些弱放电缺陷灵敏度有限。
PC和UHF方法的互补传感机理决定了它们在不同应用场景中的各自优势。PC方法在固定计数间隔内累积弱光学发射，适用于早期缺陷检测；UHF方法响应单个高频放电脉冲，对强放电事件更有效。两者联合应用可实现对更广泛金属污染物的高灵敏度检测。
提出的累积等效放电强度指数比传统单一统计参数能更全面地评估放电活动。通过同时考虑放电脉冲数和平均信号幅度，该指数更有效地反映了不同电压水平下放电活动的整体演变，尤其是当个别参数呈现非单调变化时。
从工程应用角度，两种检测方法的针对性部署匹配了GIE的全生命周期检测需求。PC方法优先用于可控光屏蔽环境下的工厂检测和离线维护，而UHF方法凭借强抗干扰能力和成熟的现场部署，作为主要的在线监测手段。提出的互补检测策略最大化了检测效率，并确保了GIE的长期运行安全。