基于UHF的GIS局部放電檢測(cè)技術(shù)的研究

標(biāo)簽：GIS UHF 局部放電 智能電網(wǎng)

引言

GIS以結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為超高壓電力系統(tǒng)中的主流設(shè)備。但由于制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)裝配等多種原因，GIS不可避免地存在絕緣缺陷而影響其長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行。鑒于絕緣介質(zhì)在發(fā)生擊穿前都會(huì)產(chǎn)生局部放電，因此，對(duì)GIS進(jìn)行局部放電監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)絕緣的早期故障。目前，測(cè)量GIS的局部放電的方法有光電法、化學(xué)氣體分析法、超聲檢測(cè)法和高頻CT耦合檢測(cè)法等，由于受靈敏度和設(shè)備運(yùn)行情況的限制，這幾種方法在實(shí)際中難以推廣，而超高頻法可以有效地避開(kāi)電力系統(tǒng)的電暈和廣播電視無(wú)線電干擾，靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)定位，適合于現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)[1]。

1 超高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)

超高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)是在UHF(0.3~3GHz)頻段內(nèi)選擇合適的頻段進(jìn)行局部放電的電磁波信號(hào)檢測(cè)。GIS設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)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(hào)作為檢測(cè)信號(hào)，可以避開(kāi)常規(guī)電氣測(cè)試方法中難以識(shí)別的電力系統(tǒng)干擾，顯著提高局部放電檢測(cè)的信噪比[2]。UHF法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、運(yùn)用方便，由于所測(cè)信號(hào)的時(shí)差在ns級(jí)，不僅需要測(cè)量設(shè)備具有很高的采樣率和頻寬，還要求被測(cè)信號(hào)的起始脈沖清晰，以讀取信號(hào)的起始時(shí)間。由于GIS中盆式絕緣子通常是環(huán)氧樹(shù)脂材料，對(duì)電磁波信號(hào)的衰減較小，因此，UHF定位法得到了廣泛應(yīng)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(dòng)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(chǎn)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(chǎn)生的。突出物的尖端高度受力并在母線電壓達(dá)到峰值時(shí)產(chǎn)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(chǎng)的作用下移動(dòng)，并且在殼體管壁上彈跳。每次粒子接觸到殼體，他都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)放電。自由粒子的移動(dòng)表現(xiàn)出隨機(jī)性，所以放電也會(huì)發(fā)生在AC周期的任何位置。

浮動(dòng)電極放電: GIS上沒(méi)有接地或者接到母線上的一部分被稱為浮動(dòng)元件或浮動(dòng)電極。浮動(dòng)電極的表現(xiàn)形式很像一個(gè)放電電容器，并有很高的幅值(>100pC)。這個(gè)局部放電信號(hào)會(huì)達(dá)到滿幅值(100%)，其輸出可能將使系統(tǒng)的輸入放大器達(dá)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(nèi)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(hào)分布于整個(gè)周期。最高幅值的信號(hào)出現(xiàn)在AC波形的正負(fù)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(diǎn)而遞減并消失。

3 GIS傳感器

UHF傳感器是UHF局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，用來(lái)檢測(cè)GIS中由局部放電所激發(fā)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(jù)安裝方式可分為內(nèi)置式和外置式兩種[3]。內(nèi)置傳感器可獲得較高的靈敏度，但對(duì)制造安裝的要求較高，特別是對(duì)早期設(shè)計(jì)制造的GIS安裝內(nèi)置傳感器通常是不可行的，這時(shí)只能選擇外置傳感器。相對(duì)于內(nèi)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(tǒng)的運(yùn)行、安全性較高，因而也得到了較為廣泛的應(yīng)用[4][5]。

4 試驗(yàn)回路及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(shè)置了如下缺陷：

1. 在母線上設(shè)置了長(zhǎng)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(shè)置了一長(zhǎng)0.3cm、直徑0.2mm的銅絲，模擬金屬粉末;

3.在母線上設(shè)置一塊含空氣澆注的環(huán)氧樹(shù)脂，模擬盆式絕緣子內(nèi)氣泡。

天線和頻譜分析儀之間通過(guò)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(hào)。從試驗(yàn)變壓器高壓端取一分壓信號(hào)，通過(guò)電壓比較器得到頻譜分析儀的外部觸發(fā)信號(hào)，即在工頻過(guò)零相位時(shí)觸發(fā)頻譜分析儀并開(kāi)始采樣。試驗(yàn)時(shí)先采集無(wú)電壓時(shí)背景頻譜，再給GIS加壓使其產(chǎn)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(chǎn)生局放的頻譜確定局放電磁信號(hào)分布在哪個(gè)頻帶，再用窄帶法檢測(cè)。

圖4為實(shí)驗(yàn)室背景頻譜和不同類型的局放頻譜圖(dB的基準(zhǔn)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(cè)量時(shí)，選取1.0~1.8GHz頻段。該頻帶采集信號(hào)可有效避免外界干擾(包括電暈、電臺(tái)、電視、手機(jī))，所得到的3種缺陷頻譜見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)3者整體線形分布存在差異，可作為模式識(shí)別特征參數(shù)提取，同時(shí)還可見(jiàn)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(shí)域波形

圖6為在20ms 周期內(nèi)1~1.8GHz頻帶內(nèi)選一頻率用窄帶法掃描得到的時(shí)域波形，可見(jiàn)其中3種故障的波形分布差異明顯，有利于模式識(shí)別特征參數(shù)的提取。研究還發(fā)現(xiàn)，同種故障在不同電壓下的時(shí)域波形(在一定電壓范圍內(nèi))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(shí)波形會(huì)變化[10]。

5 結(jié)論

采用超高頻法對(duì)GIS中3種典型絕緣缺陷類型進(jìn)行了試驗(yàn)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(jié)合寬帶和窄帶頻譜分析法，利于模式識(shí)別特征參數(shù)提取，能夠更加準(zhǔn)確定位故障的類型，進(jìn)而指導(dǎo)下一步檢修工作。

參考文獻(xiàn)：

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

2. 邱昌容，王乃慶.電工設(shè)備局部放電及其測(cè)試技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(shù)，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(cè)系統(tǒng)[J].高壓電器，2005，41(1)：6-9.

5. 李 信，GIS局部放電特高頻檢測(cè)技術(shù)的研究[D].華北電力大學(xué).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(cè)技術(shù)[J].西安交通人學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32(12)26-28

7. 王建生。 邱毓呂， 周新利 氣體絕緣開(kāi)關(guān)中電磁波的傳播特性. 電網(wǎng)技術(shù)，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