GIS特高频局部放电在线监测系统

谢锡锋　左江林

摘要：特高频局部放电监测是检验高压电气设备绝缘性能的一种新方法；首先介绍了特高频局部放电在线监测系统的系统功能原理，然后分析了系统的硬件及软件设计，最后阐述了系统实现的关键技术。

关键词：特高频；GIS；局部放电；在线监测

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）07-1600-03

GIS是气体绝缘全封闭组合电器的英文缩写，为近几十年发展起来的高、精、尖输变电设备，利用SF6气体良好的绝缘性能，把母线、断路器、接地开关、隔离开关、进出线套管、避雷器、CT、PT、电缆终端等封闭地组装在一起，该设备占地面积小，技术先进，维护工作量小，运行可靠性高，将是未来变电设备的发展方向。GIS故障少，但一旦发生故障后果非常严重，其检修时间长且繁杂，稍有不慎容易导致检修质量问题。因此，对GIS设备状态进行监测及检修很有相当重要和迫切的需求。局部放电特高频检测技术是一种检测并诊断GIS状态的重要手段，其可以发现GIS内部的多种绝缘缺陷，具有检测灵敏高和抗干扰能力强等特点，非常适用在变电站和发电厂现场条件下对GIS进行监测。

1 系统功能

1） 数据显示功能：直接显示传感器接受到的局部放电活动，显示局部放电谱图，具有存储、输出及打印功能。

2） 数据分析及诊断系统：利用诊断软件对各种缺陷进行分析，找到故障现象的直接原因，判断出不同的局部放电类型，如：母线毛刺、壳体毛刺、内部空穴、内部电晕、自由微粒、电极等。

3） 保护功能：系统具有过压、过流、过热及掉电保护功能。

4） 数据统计、存储与输出功能：具备数据统计、存储功能，根据保存的数据可以追溯回放历史测试数据或图谱，并可通过相关格式文件输出形成测试报告。

5） 告警功能：可采用趋势报警、关联报警和阈值报警等多种报警模式，也可可设置多个报警级别。

6） 外同步触发功能：系统具有触发接口，以适应外部电源电压、PT信号及BNC口，或提供专用转接端子适应以上不同触发源，以达到能够测量不同电压频率下的局放活动，并给出统计谱图。

7） 设置参数功能：在软件中提供了设置参数的页面，在该页面中可以设置硬件参数和设置局部放电信号阈值等。

2 GIS局部放电在线监测系统组成

如图1所示，系统由后现场传感器，前置监测仪 ，后台监视系统三大部分组成。

2.1 现场传感器

特高频传感器主要由天线、特高频放大器、高通滤波器、检波器、耦合器和屏蔽外壳组成。UHF传感器主要是用来采集GIS内部发生局放时产生的高频信号，此传感器直接固定在绝缘盆子上，盘子上除了放置传感器的地方外其他的地方用屏蔽带屏蔽，这样的好处是保证高频传感器采集的高频信号是从GIS内部出来的第一手信号，有效防止了外界干扰信号从盆子处进入高频传感器，保证了高频传感器采集高频信号的纯净度和可信对。

现场传感器采用超高频传感器IUF-01，感应300MHz～1.5GHz局部放电信号，并将信号通过同轴电缆传送给局部检测控制器，检测灵敏度为10pC，测量范围为10pC～10nC 。

2.2 前置监测仪

前置监测仪采用NI公司的采集卡插入工控机的PCI插槽中进行数据采集，该采集卡的带宽100MHZ；最大2.5GS/s重复采样率，100MS/s单次采样率，100MS/s单资采样率。前置监测仪主要是把高频传感器采集的局放信号和噪音传感器采集的现场噪音信号进行相位比较，对GIS采集的信号做一个判断，判断高频传感器采集的信号是否是GIS里面发生的局放信号，如果是局放信号就再进行具體的处理，不是局放信号就直接在噪音通道相对应的液晶屏面上显示出来，并大致的判断是什么干扰信号造成的干扰。这样就防止外界干扰信号造成了一个误报、误判。

2.3 后台监控软件

系统采用美国国家仪器公司 （NI公司）提供的图形化编程软件LABVIEW进行编制。系统软件分为两大部份：下位机程序和上位机程序，上下位机通过局域网、CAN总线或MIS网实现远程通讯，主要实现如下功能：对局部放电数据进行采集、预处理、计算、分析处理、传输及处理等，其结构图如图2所示：

3 关键技术

3.1 特高频（UHF）定位方法

特高频（UHF） 定位法是通过放置在生产现场的超高频信号传感器接收GIS发生局部放电过程中辐射出来的超高频电磁波信号，通过对这些电磁波信号进行分析运算，从而实现局部放电的检测及诊断，与传统的检测方法相比，其具有检测频率高、抗干扰性强和灵敏度高等优点，更适合局部放电在线监测。当电力高压电力设备内部发生局部放电时，将会向外辐射出特高频（Ultra High Frequency，下文简写为UHF）电磁波（300MHz-3GHz），因此，通过检测电力GIS内部是否存在UHF信号，可以判断电力GIS内部是否发生局部放电；然后再利用多UHF传感器检测PD信号的时延，结合波传播的最短路径搜索，确定放电位置。UHF检测方法由于检测频带宽且高（300M～1500MHz），因此兼有灵敏度高和抗干扰能力强的优点；特别由于GIS外壳具有良好的屏蔽作用，外部UHF信号无法进入油箱内部，这更加有利于现场环境下的抗干扰。此外，由于UHF检测方法由于和GIS高压侧完全不存在电气上的连接，因此这种检测方式对于二次系统和操作人员来说更加安全可靠。放电点定位有以下几种技术：信号幅值比较法、信号先后比较法、平分面法和时间差计算法。

3.2 干扰抑制方法

变电站的干扰水平可达到数万甚至百万皮库，干扰包括：连续周期性干扰（谐波、高频保护信号和电力载波通信干扰等）、脉冲型周期性干扰（旋转电机电刷和滑环间的电弧等）和脉冲型干扰（高压输电线的电晕放电，相邻电气设备内部放电，雷电，开关、继电器的断、合，电焊操作等无规律的随机性干扰）等。

3.2.1 硬件方法

选择合适的检测频带，以避开现场的主要干扰频带，对固定式系统可在现场实测调试确定，检测系统本身可设置多个检测频带，采用差动平衡法结合超高频传感器实现外部干扰的鉴别。

3.2.2 软件方法

小波包滤波方法和IIR滤波器、开窗法实现对白噪、周期性、脉冲性干扰的抑制和消除。

3.3 局部放电分析与故障诊断

3.3.1 局部放电信号分析

局部放电信号分析是指如何从测试信号中提取有关放电的信息，一般采用数字信号处理技术，目前常用的方法主要有：时域分析，频域分析，时频联合分析和人工神经网络分析。

3.3.2 放电类型的模式识别

局部放电模式识别的两个关键环节是特征提取和模式分类与识别。

3.3.2.1 特征提取

GIS中的典型局部放电类型（金属尖端放电、绝缘件内部气隙放电、沿面放电、悬浮电位体放电、自由金属颗粒放电等），局部放电的放电次数n、放电相位φ和放电量q是局部放电的重要特征量，统计算子分为两类：一类是描述φ-n、φ-q谱图的形状差异，包括局部峰点数Pe、陡峭度Ku、偏斜度Sk；另一类是描述φ-q谱图正负半周的轮廓差异，包括放相位不对称度Φ、电量因数Q、 互相关系数cc以及修正的互相关系数mcc。

3.3.2.2 模式分类与识别

模式分类与识别方法主要有：人工神经网络方法、模糊专家系统、小波分析方法等及其上述各种方法相联合的方法。首先需要建立模式库，其可以根据典型局部放电信号的波形特征或统计特性提取局部放电指纹来建立，然后，在进行检测时，将检测结果和模式库做对比，从而局部放电类型识别。

3.3.3 局部放电严重程度判定

局部视在放电量是常规脉冲电流法判断缺陷严重程度的基本參数，但特高频检测尚没有成熟的定量评价方法。可以根据放电类型的识别结果、放电源的定位结果和检测特征量的发展趋势进行综合判断GIS局部放电缺陷的严重程度，分析中应参考局部放电超声检测和气体分解物检测等诊断性试验结果。

4 结束语

用特高频技术监测GIS的局部放电，能够在GIS运行条件下，实时确定被GIS局部放电幅值变化趋势、放电的瞬时变化、在线定位放电位置及放电位置位移趋势预测等，及时发现绝缘缺陷，避免出现绝缘故障，有效预防电力系统发生突发性事故，确保了高压电气设备安全。

参考文献：

[1] 李晓峰.特高频局部放电检测技术在GIS设备上的典型应用[J].高压电器，2013（7）.

[2] 刘颖.GIS特高频局放在线监测技术的应用[J].高压电器，2013（5）.

[3] 朱超杰.新型变压器局放监测特高频传感器的研究[J].仪器仪表学报，2013（4）.

[4] 郑书生.变压器绕组对局部放电特高频定位方法的影响[J].高电压技术，2013（2）.