GIS光局放诊断及闪弧侦测保护系统的研究

左 程，吴志峰，李既明，李 治

（湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省长沙市 410200）

0 引言

GIS设备在生产制造及运行中，局部放电会引起绝缘劣化，进而导致绝缘事故。当前主要的GIS局部放电检测手段主要有特高频法（UHF）、超声波法、耦合电容法、光学法、化学法等[1、3]。近年来特高频法在国内应用越来越多，从多年大量实际应用情况看，特高频法无法准确定位局放位置，误报警率高、抗干扰性差，造成GIS设备绝缘事故依然频发，状态检修工作无法高效开展，影响设备的安全稳定运行。

从国际主流最新应用状况表明，摒弃传统的UHF等电测技术，采用高抗干扰的光测技术。光测法最大优势是，能够精准定位局部放电位置[1]，对电磁波、机械波及杂波等干扰信号免疫，具有强大的抗干扰能力，设备误报警率极低，非常适合应用于现场在线监测，目前已有应用于开关柜的弧光监测保护系统[4-5]。本文研究的光局放诊断及闪弧侦测保护系统是基于弧光技术的GIS局部放电监测系统，该系统由光局放诊断系统和闪弧侦测保护系统两部分组成。光局放诊断系统用于局放信号的参数诊断，适用于在线诊断或带电检测。闪弧侦测保护系统则用于侦测GIS设备内部因故障产生的弧光信号，适用于在线监测。

1 光局放检测原理及构成

1.1 GIS设备局部放电主要类型

GIS设备局部放电的主要类型有：

（1）松动金属部件产生的悬浮电位体放电。

（2）固体绝缘内部开裂、气隙等缺陷引起的绝缘件内部气隙放电。

（3）绝缘表面金属颗粒或绝缘表面脏污导致的沿面放电。

（4）处于高电位或低电位的金属毛刺或尖端导致的尖端毛刺放电。

（5）金属颗粒和金属颗粒间的局部放电，金属颗粒和金属部件间的自由颗粒放电。

1.2 电弧成因

电弧是一种气体放电现象，是电流通过某些绝缘介质产生的瞬间火花现象。根据电弧发生的不同部位可以将电弧分为以下三类：

（1）带电导体间的电弧放电。

（2）带电导体与地之间的电弧放电。

（3）绝缘体表面的沿面放电（爬电）。

1.3 光局放检测原理

当电力设备的内部产生局部放电时，会伴随有很多不同的效应出现，如：电磁效应、光效应、热效应、声效应、压力效应、化学效应等，利用以上的光效应，通过相应的传感技术能够有效地监测GIS设备内部的电弧，并及时预测和定位故障位置。由于各类电弧与放电现象产生的光效应不同，所以针对弧光特性进行分析诊断，通过对不同光的研究，电弧弧光有其特殊的波长范围和频率范围[2]，分析和筛选合适的光信号，就能够准确地判断电弧放电故障，并准确地测量得到局部放电的各项参数及图谱。

光局放检测手段的基本原理是基于对气态放电过程中由于介质的离子化、激发效应以及复合过程等多个过程中产生的光的检测来完成的。在GIS 设备内部，放电过程中产生的光的特征（如波长），受到到了所在环境各种因素的影响，如放电类型、气体压力、介质种类、电场强度等。同时这些光线也会被介质气体吸收、GIS 内表面反射等影响，光通量也会随着不同环境改变。研究表明：放电光通量Ip可以由公式给出，决定了光检测系统的灵敏度。

式中k——介质气体的光吸收系数；

Ri——GIS的内表面光反射系数，≤1。

紫外辐射强度与局部放电强度的相关性：局部放电发生时，根据能量守恒定律，放电过程中的光辐射本质上是放电电流能量的转移和释放。光辐射功率是放电功率的一部分，在外部环境因素（气压、温度、湿度）不发生改变的情况下，能量转化的比例是恒定的，紫外光辐射能量占放电总能量的比例是一定的。随着放电的增强，电离区域单位体积内的离子和自由电子的密度增加，电子的温度增加，则相应光辐射的功率增加。假设放电的功率为P，而相应的光辐射的功率为Pl，则光辐射功率Pl与放电功率P近似满足：

式中λ1——光辐射功率与放电功率之间的关系系数。

1.4 系统组成结构

通过分析GIS内部局部放电所产生的光效应，开发了一种新型的基于弧光技术的光局放监测系统，其组成包括光局放诊断系统和闪弧侦测保护系统，如图1所示。

图1 系统结构图Figure 1 System structure diagra

GIS设备发生局放，伴随产生电弧。闪弧侦测传感器捕捉到电弧弧光信号，通过光纤传输到闪弧侦测保护装置，装置在极短时间内向后台发出报警信号。而通过光局放诊断系统可确认局部放电的发生，获取相应局部放电位置及类型、局放量等相关信息。运维人员将光局放传感器连接到闪弧侦测传感器上，通过局放传感器的光电信号处理，把弧光信号转换为电信号传输给信号采集装置，进行信号的进一步处理，最后上传至后台软件，将局放图谱、局放相位等信息展现在界面上，从而完成局部放电的监测和测量。

2 光局放诊断系统

光局放诊断系统主要包括：光局放传感器、便携式信号采集装置、笔记本和软件等，用于检测发生在局部放电中的光学现象，与高电压频率的同步，获得相位关系，使得能够在用户界面上显示出这种光学现象，根据位置和局部放电位置，信号显示为任何的正或负半波，由此可以判定局部放电的局放类型。该系统适用于带电运行中的GIS设备，以及GIS出厂型式试验等各种工况的局部放电检测。

2.1 光局放传感器

光局放传感器用于检测由局部放电产生的光信号，其原理为：一个高度敏感的光电元件，捕获局放产生的光信号[3]。传感器通过连接线缆接到信号采集装置，由局部放电产生的电压脉冲，在其结束时通过信号处理链，显示为软件图形用户界面上的测量点。

2.2 信号采集装置

信号采集装置做为光局放传感器与笔记本电脑之间的接口，传感器的信号被进一步处理，并通过光缆传输至笔记本电脑。该装置还具有同步传感器的采样速率与GIS中的高电压频率，从而获取相位信息。

2.3 分析软件

安装于笔记本电脑的专用的分析软件，可分析局部放电信号并进行数据库比对，直观地展示出局部放电的图谱、放电量等信息参量，软件界面如图2所示。

图2 光局放诊断系统界面Figure 2 A diagnostic system interface

2.4 试验分析

将光测法与IEC60270标准电测法进行了详细地试验分析，其试验测量原理图如图3所示。

图3 对比试验原理图Figure 3 Comparison test schematic diagram

经过大量的试验分析，共获取了17种标准的光测法图谱，对于后续的油污颗粒放电、工具引起的悬浮放电、GIS导体上的沿面放电，光测法均能准确检测识别，说明光测法具有更强的抗电磁干扰能力和故障识别能力[4]。

3 闪弧侦测保护系统

闪弧侦测保护系统主要包括：闪弧测量传感器、闪弧侦测保护装置、VE连接光纤等，系统结构图如图4所示。

图4 闪弧侦测保护系统结构图Figure 4 An arc detection protection system structure diagram

传感器安装在GIS设备本体，通过VE光纤连接到闪弧侦测保护装置，用于在线侦测GIS设备内部局部放电产生的电弧。当设备内部因局部放电而产生电弧，弧光信号通过传感器传送到监测主机进行判断分析，系统能够早于故障电流剧增（接地后200ms）前，在极短时间（20ms）内发出报警，精准定位局部放电发生的具体气室。

3.1 闪弧测量传感器

闪弧测量传感器为内置式，体积小，伸入GIS内部的探头部分不含任何金属，每个气室安装1只，在设备上开孔小，重量轻，对GIS设备运行及其电磁场不会造成任何影响，其作用是捕捉因GIS内局部放电产生的弧光信号，外形如图5所示。闪弧测量传感器适用室内外各种场合，根据具体应用分为两大类：一类是GIS直埋式测量传感器，适用于新GIS；另一类是T型复合测量传感器，适用于旧GIS改造。GIS内发生的光学现象通过光路传输到光传感器，再通过光纤传送至远方。

图5 闪弧测量传感器Figure 5 Flash-arc measurement sensor

3.2 闪弧侦测保护装置

闪弧侦测保护装置结构原理为：电子单元将从光纤接收到的光信号转换成为电信号，与参考信号进行对比分析，将对比分析的结果显示出来[5]。在电源失电的情况下，信号会被暂时存储在电子单元内，待供电恢复，继续将信号传输到远程控制中心。单个信号和信号组都可以通过地址通道进行传输，从而能够便捷地将数据传输到控制中心。

装置有24通道型和40通道型，每个信号采集板卡有4个通道，每台装置最多6块板卡或10块板卡，装置具有故障指示、测试模式、修正模式、复位按钮等。

3.3 VE连接光纤

使用含有特殊聚合物的VE光纤进行信号传输，其显著特点是信号传输损耗小，传输效率高，特殊设计的插头式连接，铺设简单。

4 结束语

多年来各地GIS设备频发因局部放电而发生绝缘事故，究其原因就是所采用的局部放电监测手段不可靠，新型的GIS闪弧侦测保护及光局放诊断系统的开发解决了此难题。通过引入新的GIS设备局部放电检测手段，带电检测式的光局放诊断系统能够直观明了地确定局部放电位置及类型，通过多次检测了解不同气室局放的发展趋势；在线监测式的闪弧侦测保护系统可对GIS进行长期监测，当局部放电超限时进行快速报警和精准定位，保证状态检修的顺利开展。该系统极大地提高了GIS设备局部放电监测的可靠性与安全性，必将成为未来GIS设备智能化的重要组成部分。