基于UHF的GIS局部放電檢測技術的研究

標簽：GIS UHF 局部放電 智能電網

引言

GIS以結構緊湊、可靠性高等優點逐漸成為超高壓電力系統中的主流設備。但由于制造、運輸、現場裝配等多種原因，GIS不可避免地存在絕緣缺陷而影響其長期可靠的運行。鑒于絕緣介質在發生擊穿前都會產生局部放電，因此，對GIS進行局部放電監測可以發現絕緣的早期故障。目前，測量GIS的局部放電的方法有光電法、化學氣體分析法、超聲檢測法和高頻CT耦合檢測法等，由于受靈敏度和設備運行情況的限制，這幾種方法在實際中難以推廣，而超高頻法可以有效地避開電力系統的電暈和廣播電視無線電干擾，靈敏度高，可實現定位，適合于現場帶電檢測和在線監測[1]。

1 超高頻局部放電檢測技術

超高頻局部放電檢測技術是在UHF(0.3~3GHz)頻段內選擇合適的頻段進行局部放電的電磁波信號檢測。GIS設備運行現場的干擾源主要集中在300MHz以下頻段，而在300MHz以上頻段的衰減很快，并且很容易被屏蔽。選擇超高頻段的電磁信號作為檢測信號，可以避開常規電氣測試方法中難以識別的電力系統干擾，顯著提高局部放電檢測的信噪比[2]。UHF法的優點是原理簡單、運用方便，由于所測信號的時差在ns級，不僅需要測量設備具有很高的采樣率和頻寬，還要求被測信號的起始脈沖清晰，以讀取信號的起始時間。由于GIS中盆式絕緣子通常是環氧樹脂材料，對電磁波信號的衰減較小，因此，UHF定位法得到了廣泛應用。

2 GIS中典型的放電類型

GIS中典型的放電類型分為：母線電暈(固定粒子放電)、殼體電暈(固定粒子放電)、自由粒子放電、浮動電極放電、絕緣缺陷放電。

母線電暈(固定粒子放電)：母線電暈指的是由母線上的尖銳的突出物所產生的PD，這種突出物可能是由于小的金屬屑附著在母線上而產生的。突出物的尖端高度受力并在母線電壓達到峰值時產生電暈。

殼體電暈(固定粒子放電): 殼體電暈與母線電暈比較相近，不同的是突出物附著在殼體管壁上而不是母線上。在這種情況中，局部放電圖像以母線電暈放電圖像的鏡像形式顯示。

自由粒子放電: 自由粒子指的是GIS中的微小的金屬物體，如金屬碎屑。粒子在高電場的作用下移動，并且在殼體管壁上彈跳。每次粒子接觸到殼體，他都會產生一個放電。自由粒子的移動表現出隨機性，所以放電也會發生在AC周期的任何位置。

浮動電極放電: GIS上沒有接地或者接到母線上的一部分被稱為浮動元件或浮動電極。浮動電極的表現形式很像一個放電電容器，并有很高的幅值(>100pC)。這個局部放電信號會達到滿幅值(100%)，其輸出可能將使系統的輸入放大器達到飽和。

絕緣缺陷放電: 絕緣缺陷的類型可能是GIS的絕緣子內有空穴或是絕緣子表面有污垢。絕緣缺陷在圖譜中顯示的特性為較小的及中等幅值的信號分布于整個周期。最高幅值的信號出現在AC波形的正負周期的峰值處。絕緣缺陷的放電率往往在第三象限最高，并且隨著電壓趨向零點而遞減并消失。

3 GIS傳感器

UHF傳感器是UHF局部放電在線監測系統的關鍵，用來檢測GIS中由局部放電所激發的頻率為300MHz~3GHz的電磁諧振波，通常它要具備抑制低頻(300MHz以下)干擾的能力。UHF傳感器根據安裝方式可分為內置式和外置式兩種[3]。內置傳感器可獲得較高的靈敏度，但對制造安裝的要求較高，特別是對早期設計制造的GIS安裝內置傳感器通常是不可行的，這時只能選擇外置傳感器。相對于內置傳感器，外置傳感器的靈敏度要差一些，但安裝靈活、不影響系統的運行、安全性較高，因而也得到了較為廣泛的應用[4][5]。

4 試驗回路及試驗方法

試驗采用退役的110kV GIS罐體，如圖3所示[6][7]，充純SF6氣體0.43Mpa。在該段GIS上設置了如下缺陷：

1. 在母線上設置了長0.5cm、直徑0.5mm的銅線，模擬固定金屬微粒;

2. 在盆式絕緣子的表面設置了一長0.3cm、直徑0.2mm的銅絲，模擬金屬粉末;

3.在母線上設置一塊含空氣澆注的環氧樹脂，模擬盆式絕緣子內氣泡。

天線和頻譜分析儀之間通過50Ω電纜連接并加一20dB前置放大器。連接的頻譜分析儀可采集9kHz~1.8GHz的頻域信號。從試驗變壓器高壓端取一分壓信號，通過電壓比較器得到頻譜分析儀的外部觸發信號，即在工頻過零相位時觸發頻譜分析儀并開始采樣。試驗時先采集無電壓時背景頻譜，再給GIS加壓使其產生局部放電，用頻譜分析儀采集寬頻帶的頻譜圖，比較背景頻譜和產生局放的頻譜確定局放電磁信號分布在哪個頻帶，再用窄帶法檢測。

圖4為實驗室背景頻譜和不同類型的局放頻譜圖(dB的基準為mW)。前者在0.72GHz附近和0.9~1GHz間都存在固定干擾，故用高頻寬帶法測量時，選取1.0~1.8GHz頻段。該頻帶采集信號可有效避免外界干擾(包括電暈、電臺、電視、手機)，所得到的3種缺陷頻譜見圖5?？梢?者整體線形分布存在差異，可作為模式識別特征參數提取，同時還可見同類故障在不同電壓下的頻域分布大致相同，僅幅值隨著電壓的升高變大[8][9]。

圖6 時域波形

圖6為在20ms 周期內1~1.8GHz頻帶內選一頻率用窄帶法掃描得到的時域波形，可見其中3種故障的波形分布差異明顯，有利于模式識別特征參數的提取。研究還發現，同種故障在不同電壓下的時域波形(在一定電壓范圍內)大致相同，僅幅值隨著電壓的升高而變大，但接近擊穿電壓時波形會變化[10]。

5 結論

采用超高頻法對GIS中3種典型絕緣缺陷類型進行了試驗研究。固定金屬微粒、金屬粉末、含氣泡的盆式絕緣子都有各自不同的特征頻譜，有效結合寬帶和窄帶頻譜分析法，利于模式識別特征參數提取，能夠更加準確定位故障的類型，進而指導下一步檢修工作。

參考文獻：

1. 張鳴超;王建生;邱毓昌 GIS中局部放電測量用超高頻傳感器[期刊論文]-電網技術 1998(08)

2. 邱昌容，王乃慶.電工設備局部放電及其測試技術[M].北京：機械工業出版社.1994.

3. 李信，李成榕，丁立健，等.新型GIS局放超高頻傳感器抑制干擾的研究[J].高電壓技術，2004，30(2)：37-39.

4. 唐炬，劉明軍，彭文雄，等.GIS局部放電外置超高頻檢測系統[J].高壓電器，2005，41(1)：6-9.

5. 李 信，GIS局部放電特高頻檢測技術的研究[D].華北電力大學.2005.

6. 李忠，張曉楓，陳杰華，等.外部傳感器超高頻GIS局部放電檢測技術[J].西安交通人學學報，2003，32(12)26-28

7. 王建生。 邱毓呂， 周新利 氣體絕緣開關中電磁波的傳播特性. 電網技術，1999, 23 ( 9 ) :1-3

8. Person JS, A Continous UHF Monitor for Gas-insulated Substations. IEEE Trans on E1 1991,6(3):469-478

9. Judd M D, Hampton BF, Farish O. Partial Discharge Excitation of UHF Modes in a Cylindrical Cavity. 9thISH, Graz, 1995:4561

10. CIGRE WG33/23.12 Insulation Coordination of GIS: Return of Experience On-Site Tests and Diagnostic Techniques. Electra, 1998, 176(2):67-95