超高频法检测GIS局部放电

秦锟

(云南电网公司保山供电局,云南 保山 678000)

超高频法检测GIS局部放电

秦锟

(云南电网公司保山供电局,云南 保山 678000)

介绍了GIS设备几种常规的局部放电检测方法的优缺点,对超高频法检测原理、定位原理、抗干扰原理进行了阐述,分析了超高频法检测GIS局部放电的的技术关键。

GIS；局部放电；超高频法；带电检测；天线

1 前言

近年来,GIS变电站的数量不断增加,GIS设备的运行电压高、内部空间极为有限,导致设备的工作场强很高。设备中绝缘裕度相对较小,在严格控制的环境条件下,设备中SF6气体的击穿强度可望达到相当高的水平,但实际通常达不到。加强和完善GIS设备交接试验以及运行检测,对保障GIS设备的安全运行具有重要意义。研究表明,局部放电既是绝缘劣化的原因,又是绝缘劣化的先兆和表现形式,对GIS局部放电现象进行检测是非常必要的。

2 GIS设备内部典型的缺陷

1)绝缘缺陷,如生产过程中,由于工艺不合格,造成残存在盆式绝缘子内部或与导体交界处的气隙。

2)残留的绝缘表面金属颗粒。这是GIS较为普遍存在的一种缺陷,一般是由于制造、安装等原因造成的。

3)导体表面存在突出物。这种缺陷易发生电晕放电,在一定冲击电压下可能导致绝缘击穿。

3 常规的局部放电检测法

GIS设备中的局部放电会在GIS设备外壳上产生流动的超高频电磁波信号,使接地线上有高频放电脉冲电流流过,从而导致外壳对地呈现高频电压并向周围空间传播。

1)化学法：在GIS设备内部电弧放电的作用下,部分SF6气体会发生分解,根据相关气体的浓度,可以判断GIS设备内部放电状况的严重程度。化学法优点是检测结果不受外界电磁干扰的影响。化学法缺点是：GIS设备中的吸附剂和干燥剂可能会严重影响化学方法测量的准确性；短脉冲放电不一定能够产生足够的分解物；断路器动作时产生的电弧亦会影响测量等。

2)内部电极法：共有两种内部电极法,其一是将GIS法兰稍加改造,在法兰内部加装金属电极,该电极与外壳构成耦合电容,以此电容传感器提取局部放电的脉冲信号。其二是在盆式绝缘子内靠近接地端预先埋设一个电极,由此与外壳构成耦合电容。内部电极法受客观条件限制,内电极只能在厂家生产过程中预埋设,现场安装往往不易实现。另外,内部电极法易受外界干扰。

3)外复电极法：在GIS外壳上敷设绝缘薄膜和金属电极,外壳于金属电极形成的小电容耦合到检测阻抗上,经放大后被检测出来。这种方法的优点是结构简单、较为实用,但缺点是易受外界干扰,特别是电网中自然存在的各种脉冲型信号的干扰。

4)脉冲电流法。该方法是在GIS设备的接地线上加装脉冲电流传感器。这种方法测量频率低,频带窄,包含信息量不足而且现场抗干扰能力差,因此该方法的应用具有局限性。

5)超声波法。该方法是利用安装在GIS设备外壳上的超声波传感器接收局部放电产生的振动信号以达到检测内部局部放电的目的。超声波法的优点是传感器与GIS设备的电气回路无任何联系,不受电气方面的干扰。缺点是检测灵敏度不是很高,有效检测范围仍然较小,完成一个较大规模GIS变电站的检测通常需要数天的时间,检测效率低,而且现场中存在不少其他原因引起的外壳振动干扰,会影响检测精度。

总体而言,常规局部放电检测方法用于局部放电在线检测时,或是干扰信号缺乏识别依据,或是影响GIS的正常运行等。因此,上述局部放电测量方法在现场的应用受到很大限制。

4 超高频法检测GIS局部放电

4.1 超高频法的优越性

1)抗干扰能力强。GIS设备以外的干扰信号,其频谱范围较GIS设备内的局部放电信号要窄得多,一般认为频率在150 MHz以下,信号在传播过程中衰减很快,对GIS设备局部放电测量装置影响很小。采用超高频检测方法可有效避开各种干扰信号,提高GIS局部放电测量的信噪比。

2)可实现局部放电定位。根据电磁脉冲信号在GIS内部传播具有衰减的特点,利用传感器接收信号的幅值大小,可以进行GIS设备故障定位。

3)检测效率高。超高频法检测GIS局部放电的有效检测范围较大,检测点较少,检测效率高。

4)检测灵敏度高。GIS设备的同轴结构非常适合特高频电磁信号传播,能够实现良好的检测灵敏度。

4.2 检测方法

通过采用外部天线接收GIS设备内局部放电时发出的电磁波信号来检测局部放电,在近年得到了迅速发展。GIS局部放电的超高频传感基本属于近场 (感应场),而非远场 (辐射场),其接收传感器单元广泛选择平面螺旋天线。为了保证传感器单元在有效的频带内具有近乎不变的检测灵敏度,研究选用平面等角螺旋天线。

平面等角螺旋天线的结构示意图如图1所示。

图1 平面等角螺旋天线结构示意图

上述天线在检测频带内具有基本不变的阻抗特性和方向特性,因此对不同频率的局部放电信号具有几乎一致的检测灵敏度。同时,该天线的频带参数完全由其始端和终端到中心的距离确定,是一种与结构参数密切相关的传感器。通过合理的选择结构参数,可以保证接收天线具备合适的检测频带范围。

4.3 超高频检测技术

1)超高频法检测原理：局部放电是绝缘缺陷处的局部击穿,同时会产生一个前沿很陡的脉冲电流,并以电磁波的形式向周围辐射传播。局部放电的击穿过程越快,脉冲电流的前沿陡度越大,则辐射电磁波的频率越高。SF6气体的绝缘强度远高于空气,因此相同形状的放电间隙,在SF6气体中发生放电所产生的电磁波频率要远高于普通的空气中放电。GIS产生的局部放电信号的频率范围位于超高频段,约为300 MHz～1.5 GHz。

当GIS设备内部存在局部放电现象时,所产生的超高频电磁波能够沿着GIS设备的管体向远处传播。GIS设备的管体结构类似于波导,超高频电磁在传播时的衰减比较小,因此能够传播到较远的距离。但是,通常在GIS设备管体的拐弯、T形连接、盘式绝缘子和电流互感器的引出端处会有比较明显的衰减。

由于导体支撑和气室隔离的需要,GIS设备内部有很多的盘式绝缘子安装在连接法兰之间。盘式绝缘子使金属法兰盘之间存在一个很小的绝缘缝隙,当GIS内部的超高频信号传播到盘式绝缘子处时,部分信号会通过此绝缘缝隙辐射到GIS设备的体外。该信号不是简单的通过缝隙从GIS设备内部传播到外部,超高频信号流过GIS壳体时在缝隙处会产生二次辐射,且缝隙宽度不会对辐射强度产生决定性影响。因此,在GIS设备体外的盘式绝缘子处安放天线,则可以传感到GIS设备内部的超高频局部放电信号。

2)超高频定位原理：在确认GIS设备内部存在放电时,有必要继续确定放电源的位置,采用幅值比较法可实现GIS放电源的大致定位。

超高频信号传播过程中衰减比较快,衰减幅度与传播路径的距离直接相关。一般来说,距离放电源越远,信号衰减就越厉害,能够检测到的信号就越弱。将传感器单元依次放在不同的盘式绝缘子处,并比较各处检测信号的大小,即可基本判断出放电源的位置。一般来说,信号最强的盘式绝缘子位置最靠近放电源,如果仅有1个传感器单元能够感应出放电信号,则放电源就在该传感器放置的盘式绝缘子附近。因此,通过比较超高频放电信号的幅值,即可基本判断出放电源的位置。

3)超高频抗干扰原理：电力系统中的干扰信号,包括空气中电晕放电的干扰主要分布在低于超高频的频段。实践经验证明,空气中的电晕放电所产生的脉冲信号主要分布在100 MHz以下。相比之下,SF6气体中局部放电所产生的脉冲电流具有非常高的陡度,所产生的电磁暂态的频率甚至能够达到1 GHz以上。因此,在超高频频段进行局部放电信号传感,可以避开主要的干扰信号,提高局部放电信号传感的信噪比,做出比较灵敏的反应。

超高频信号在空气中传播时衰减非常快,一处的超高频信号只能局限在比较小的范围内,即便是GIS设备邻近存在其他超高频干扰源,其影响范围也很小,不会对远端的局部放电测量产生干扰影响。因此,采用局部放电超高频传感,可以有效减小电力设备之间的干扰。

4.4 技术关键

1)局部放电类型识别,通过对局部放电的波形特征、相位特征和频率特征的综合分析进行,准确识别GIS局部放电的类型。

2)检测数据的标定,超高频传感的输出信号幅值不仅与放电源实际的放电量有关,还与局部放电的类型和信号传播途径有关,因此不能简单地仅根据放电信号的幅值来判断局部放电的严重程度。一般来说,放电量的估计需要在可靠的局部放电类型识别和定位的基础上进行：

a.局部放电的定位。尽可能将超高频接受天线放在最靠近放电点的盘式绝缘子位置测量,降低传播途径衰减对放电量估计结果的影响；

b.放电类型识别。在其它条件相同的情况下,不同的放电类型会导致不同幅值的超高频传感。一般来说,同种类型的局部放电存在相同的放电电压 (mV)-放电量 (PC)同样的变换关系。

5 应用实例

采用具有超高频法检测GIS局部放电功能的局放测试仪对多个变电站进行了GIS局放测试,局放测试仪采用超高频法,超高频传感器安装在GIS的法兰盘外部,在某220 kV变电站220 kV侧220111号母刀气室A相靠1号母线侧法兰处测试的图谱具有比较明显的局部放电特征,测试图谱如下：

图2 GIS实时幅值相位图谱

分析现场超高检测结果：由测试图谱可以看出信号分布聚集,数量相对较多。信号分布于工频相位的一、三象限,具有明显的180度对称信号团,且幅值相对较大。可以据此判断存在局部放电现象。

Application of High Frequency Method on GIS Partial Discharge Detection

QIN Kun
(Yunnan Baoshan Power Supply Bureau,Baoshan,Yunnan 678000)

This paper firstly introduces advantages and disadvantages of several common partial discharge detection methods for GIS in general terms,and then put forward high frequency detecting technique can effectively check the partial discharge condition of GIS.Afterwards detection principle,location method,anti-interference theory and analysis for the technique’s key points are illustrated concretely.Lastly the paper lists out application of high frequency method in GIS partial discharge.

GIS,partial discharge,high frequency detection method,on-line detection,antenna

TM86

B

1006-7345(2014)02-0057-03