基于超高频法的1000kV GIS在线监测装置应用技术研究

伍超勇，刘胭脂，王彦文，江博

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北　宜昌　443002; 2.国网松滋市供电公司,湖北　荆州　434200)



基于超高频法的1000kV GIS在线监测装置应用技术研究

伍超勇1，刘胭脂2，王彦文1，江博1

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002; 2.国网松滋市供电公司,湖北荆州434200)

特高压1000kV交流输电是解决我国电网和能源发展的重要选择，一旦特高压GIS设备出现故障，便会造成重大损失，因此，特高压GIS设备在线监测装置应用技术的研究尤其重要。本文首先介绍几种GIS局放检测法，然后对超高频局部放电法原理及放电图谱进行分析，最后给出使用超高频法判断局部放电的四点原则。

特高压；超高频法；局部放电；放电图谱

1　引言

特高压1000kV交流输电具有容量大、距离远、损耗低、占地省等显著优势，在我国电网和能源发展上起到至关重要的作用[1-2]。2009年初，我国建成并投入运行了世界最高电压水平的1000kV “晋东南-南阳-荆门”特高压交流输电线路。目前的特高压设备是首台首套，技术复杂，没有能够借鉴的运行维护经验，为了保障特高压设备的正常运行，避免非计划性停电，现场采用的是基于超高频法的局部放电在线监测装置检测并判断GIS设备的内部情况[3-4]。早在20世纪40年代初，西屋公司就发明了局部放电监测电机绝缘的技术，而我国在70年代才开始对局放在线监测技术进行研究。许多国家已经采用特高频法对GIS设备进行在线监测[5]，但对于超高压1000kV GIS 局部放电在线监测装置的应用研究，目前还相当薄弱。

2　GIS局方检测方法

国内检测GIS局部放电的方法主要有电检测法和非电量检测法，一般分类如图1所示。

图1　GIS局放检测方法

2.1电检测法

GIS局部放电最直接的现象是引起电极之间的电荷移动，一定数量的电荷通过电介质，就会引起试样外部电压的变化。电检测法就是基于此进行的。

(1)脉冲电流法

脉冲电流法的基本测试回路分为直测法和平衡法两种。直测法在现场很多干扰的环境下，会严重影响测试灵敏度。而平衡法由于其抑制共模干扰的优良性能，但灵敏度低，这也就抑制了平衡法的应用。

(2)无线电干扰法

1925年，Schwarge发现电晕放电会发射电磁波，通过无线电干扰电压表可以检测到局部放电的发生，这种检测方法叫无线电干扰法(RIV)，国内也叫射频检测法。较常用射频传感器有电容传感器、Rogowski线圈电流传感器和射频天线传感器等。

RIV方法能定性检测局部放电是否发生，甚至可以根据电磁信号的强弱对电机线棒和没有屏蔽层的长电缆进行局部放电定位；采用Rogowski线圈传感器也能定量检测放电强度，且测试频带较宽(1～30MHz)，现场测试证明，该方法具有较好的实用价值。

(3)介质损耗分析法

在大多数绝缘结构中，随着电压的升高，介质中气隙或气泡的数目将增加，局部放电的现象将导致介质的损坏，从而使得tgδ大大增加。因此可以通过测量tgδ的值来测量局部放电能量从而判断绝缘材料和结构的性能情况。

介质损耗分析法基本不能检测局部放电量的大小，只能定性的测量局部放电是否发生，这限制了介质损耗分析法的运用。

(4)超高频法

1982年Boggs和Stone在他们的试验中使测试仪器的测量频带达到1GHz，成功的测试出GIS中的初始局部放电脉冲。在此频带下，噪声信号衰减剧烈，可有效的实现噪声抑制，且可以基本无损的再现局部放电脉冲，从而深化对局部放电的机理性研究。

2.2非电量检测法

GIS局部放电伴随着产生光、波、声等物理现象以及气体分解反应等化学现象，非电量检测法就是通过相应的方法来检测其内部的绝缘状况。

(1)声测法

在发生局部放电时，瞬时释放的能量将放电源周围的介质加热使其蒸发，此时放电源如同一个声源，向外发出声波。声测法在复杂设备放电源定位方面有独到的优点[7]，但由于声波在传播途径中衰减、畸变严重，基本不能反映放电量的大小。在实际中一般不独立使用声测法，而将声测法和电测法结合起来使用。

(2)光测法

光测法传感器必须侵入设备，只能测试表面放电和电晕放电，在现场该方法基本上没有直接应用。近年来，随着光纤技术的发展，将光纤技术和声测法相结合提出了声-光测法。当设备内部发生局部放电时，超声波在油中传播，这种机械压力波挤压光纤，引起光纤变形，导致光折射率和光纤长度的变化，从而光波将被调制，通过适当的解调器即可测量出超声波，可实现放电定位。

(3)化学检测法

当电力设备绝缘中发生局部放电时，各种绝缘材料会发生分解破坏，产生新的生成物，通过检测生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态。在电力变压器中，油色谱分析(DGA)方法是一种简单、经济、有效的在线监测方法。它通过色谱柱、气体传感器分离、检测出变压器油中各种可溶性气体的含量，并由此判断变压器绝缘状况。

3　1000kV GIS超高频局放在线监测原理

导致GIS设备发生局放的情况一般有六种：导体突出物、外壳突出物、触头损伤、SF6中的漂浮物、屏障绝缘子中有气泡、屏障绝缘子上有孔洞或金属微粒。当GIS设备发生局部放电的时候，会发射大量的超高频电磁波信号(300MHz～3GHz)，如图2所示。

图2　HGIS局放激发出的超高频电磁波信号

在SF6中的局放产生的强烈信号的频率比空气中的放电高频干扰要大，能够很好的除去干扰。检测的高频电磁波信号经过传输、放大，然后送到频谱仪和计算机，采用专门的软件(SmartSub软件)进行分析，绘制局放谱图，通过对数据谱图、波形的分析，从而能判断故障类型和严重程度。

特高压现场超高频局放在线监测装置由UHF耦合器、OCU光电转换器、PDM主机和系统软件SmartSub等组成。

UHF耦合器是超高频信号传感器，能够感应100MHz～1.5GHz的局部放电信号，并将信号通过同轴电缆传送给OCU光电转换器，OCU用来接收UHF耦合器采集的高频信号并进行数字化处理，然后通过光缆传送给PDM主机的光发送单元。PDM主机通过光缆接收来自OCU检测单元的采集信号。HGIS内局部放电信号的典型频带在500～1200MHz间，OCU通过滤波电路有效地去除此频率之外的电磁波，实现滤除广播信号和空气绝缘设备的放电干扰信号的功能。同时OCU具有很强的高压防护功能，能够适应各种应用环境。运行PDM系统软件SmartSub，对采集到的局部放电信号数据进行分析、判断、识别。

4　局放典型图谱研究

目前投入运行的局部放电监测系统能对局放的来源进行定义并且对故障风险进行评估。对于大部分局部放电源都有比较典型的图像。常见的局放类型有：固定粒子放电(母线和壳体电晕)、自由粒子放电、浮动电极放电、绝缘缺陷放电、干扰放电等。

4.1固定粒子放电

GIS设备中，固定粒子放电有母线和壳体电晕两种，可能是由焊在母线上的金属屑或不光滑的气室壁突起的颗粒物产生的，两者其过程和图形基本相似。以母线电晕为例分析：当母线电压到达峰值的时候，突起的尖端高度受压，便产生电晕放电。在发展的第一阶段(又称初始阶段)放电首先发生在母线电压的负半周期。在这一阶段，信号非常小(< 1pC or < 10%)，计数率可能是5～20个/秒，如图3。随着母线电压的增加，或者突起的长度增加，放电率大幅上升，在正半周期可能会发生一种更大的放电。这种放电往往是很规则的，更大的放电可能发展成很危险的放电，如图4，它在正半周期有一个很大的振幅(>50%)，表明电晕放电到达了临界情况，有可能导致闪络。

图3　母线电晕-初始放电(正峰值)

图4　母线电晕

4.2自由粒子

自由粒子是指留在GIS内的很小的金属颗粒，例如金属屑。这种粒子受高电场的影响发生跳跃。颗粒每与壳体碰撞一次，便发生一次放电。自由粒子是随机移动的，放电有发生在交流电源周期的任一点上。这种放电似乎是与母线电压异步的，如图5所示。

图5　典型自由粒子放电

实际上，振幅分布和相位角之间有一定关系。但是要描述这种关系却很复杂，因为它依赖于几个参数，包括大小、重量，粒子密度，场分布和气体压力。图5所示的单周期图像表示这种粒子的随机运动：信号幅值往往比较高(30%～80%)，计数率通常是1/2每周期，或5/6每秒(发生在所有时间段)。这种粒子产生的计数率和单周期图像明显与电晕放电是有区别的。粒子的随机运动的图像也可以绘制成平面图(图6)的形式观看。

在15分钟POW数据图(图7)上，自由粒子分布的形状变得很明显。计数率很小，相对均匀分布，可以看到它的振幅大多数聚集在交流波形的正负峰值处。

4.3悬浮放电(浮动电极)

GIS的部件没有接地或是没有接到母线上，会形成浮动部件或浮动电极。浮动电极的作用就像一个放电电容器，它产生非常高的振幅(>100pC).由于局放信号使PDM系统的灵敏输入放大器饱和了，信号输出是满量程(100%)。如图8所示。

图6　典型自由粒子(平面图)

图7　POW图(自由粒子)

图8　典型浮动电极放电

浮动电极放电往往发生在电源周期的第一和第三象限，有相对高的计数率；图9所示平面图可以看得很清楚。

4.4内部放电(绝缘缺陷)

绝缘缺陷表现为GIS屏蔽体内的空隙、屏蔽体表面的污染物。绝缘缺陷的特点是：在整个周期内表现为中低幅值的信号。最大振幅发生在交流周期的正负峰值处，如图10所示。

绝缘缺陷往往在第三象限产生最大的计数率，随着电压到达下一个零点逐渐变小。绝缘缺陷的特点是：第三象限计数率最高，随着电压到达下一个零点逐渐变小。平面图及POW图如图11、图12所示。

图9　典型浮动电极(平面图)

图10　典型空隙

图11　典型空隙(平面图)

图12　绝缘缺陷(POW图)

4.5干扰

一些外部来源如移动电话、荧光灯、压缩机、雷达等都可以干扰PDM系统。这些干扰的大多数可以使用重合滤波器、数据滤波器或OCU低通滤波器(只用于辐射系统)滤除。

4.5.1移动电话干扰

UHF耦合器常检测到移动电话产生的信号：由于手机使用了时分复用技术(time-division multiplexing,TDM)，这种干扰每周期会产生4个高振幅脉冲。图13中7个脉冲之间的空隙是由于手机没有接收，也没有发送任何数据，也就是发送者或接受者保持沉默的时候。

图13　移动电话干扰

这种干扰的振幅受许多因素的影响，如手机相对耦合器的位置，GIS内的屏蔽体数量。另外，在开始和结束呼叫的时候，信号振幅往往要更高。

4.5.2荧光灯干扰

荧光灯使用的启动器可以产生电干扰，这种干扰可以被PDM系统检测出来。干扰的图像受荧光灯使用的启动器的类型影响：图14记录的是感应启动器的干扰数据。

图14　荧光灯干扰

电子启动器往往产生比感应启动器更小的干扰。但是，将感应启动器换成电子启动器不能保证可以消除干扰信号。人们发现在大多数情况下，重合滤波器可以有效消除这种类型的干扰。

4.5.3压缩机干扰

压缩机干扰是由调节GIS内的SF6气体压力的压缩机产生的。当压缩机泵里的电动机开启或关闭的时候，产生一种电气噪声，这种电气噪声会引起压缩机干扰，如图15所示。

图15　压缩电机干扰

4.5.4雷达干扰

雷达干扰是由GIS附近的雷达设备引起的，例如：附近的机场雷达系统；飞机雷达系统；船用雷达系统；GIS邻近建筑物反射过来的雷达信号，雷达干扰图谱如图16所示。

图16　雷达干扰

5　小结

本文通过对1000kV特高压HGIS设备实际特征频谱进行采集分析，总结了使用超高频局放技术判断GIS局部放电的四点原则，可作为今后各特高压站GIS(或HGIS)设备局放监测工作的借鉴。

5.1缺陷类型的判断

可通过单周期图谱中局放幅值、相位、密度并结合典型故障图谱来判断故障类型。

5.2缺陷严重程度的判断

一般不能根据一个单周期图谱来判断局放的严重程度，要结合对应的POW图进行综合判断，当POW图显示的一段时间内放电幅值及放电次数均较高时，说明放电比较严重。

5.3重点关注局放量变化趋势

固定粒子或自由粒子放电，可能会在某一时间段活动频繁，但随着尖刺烧灼消失，局放会逐渐正常，这类缺陷一般不需要处理。悬浮电位或绝缘子绝缘缺陷引起的局放，开始往往不是很活跃，但随着局放引起往绝缘进一步的破坏，故障会越来越严重，最终可能导致闪络或剧烈放电，需要特别留意。

5.4现场可采用其他检测手段进行综合判断

对于怀疑存在局放的气室，可以采用其他检测或试验手段进行综合判断，通常可以采用超声波局放检测、SF6气体分解产物测试、pH试纸酸度测定等。

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Applied Technology Research on 1000kV GIS Online Monitoring Device Based on UHF Method

WUChao-yong1,LIU,Yan-zhi2,WANGYan-wen1,JIANGBo1

(1.College of Electrical and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.State Grid Songzi Electrical Power Company,Jingzhou 434200,China)

The 1000kV UHV(ultra high voltage)AC(alternating current)transmission to solve an important choice for China′s power grid and energy development.When the GIS equipment break down properly,it will cause a great damage,therefore,it′s particularly important that research on UHV GIS equipment online monitoring device application technology.This paper first introduces several kinds of GIS partial discharge detection method,and then the UHF partial discharge principle and discharge patterns were analyzed.finally,four principles of using UHV method to judge partial dischange is gived.

UHV;ultra high frequency method;partial discharge;discharge patterns

1004-289X(2016)02-0026-06

TM8

B

2015-07-07

伍超勇(1994-)湖北监利人，硕士研究生，专业：高电压与绝缘技术，研究方向：电力设备在线监测与故障诊断。