特高频局部放电监测装置测评研究

周雷 ，谭向宇，闫江宝 ，彭晶

（1.华北电力大学 自动化系，河北 保定 071003；2.云南电网责任有限公司电力科学研究院，昆明 650217；3.昆明理工大学 信自学院，昆明 650504；4.云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明 650217）

0 前言

气体绝缘组合电器 (gas insulated substation,GIS) 在电力设备中具有很重要的地位，由于其占地面积小，效率高，抗干扰性较强，设备寿命长[1]。为保证GIS的可靠运行，在变电站等一些安装GIS设备的场所均广泛采用局部放电特高频检测法监测GIS的运行状态。GIS设备在生产、运输、安装、操作等环节都会出现一些缺陷导致GIS内部出现一些毛刺和金属颗粒，这样会引起内部金属尖端局部放电和悬浮电位体局部放电。如果未能及时处理这些缺陷就会导致设备内部绝缘层因局部放电引起的快速老化，从而会引起较大的电力事故。检验特高频局部放电监测系统在线监测系统功能是否正常，在正常使用过程中是否产生由老化、损坏等因素造成的性能下降很有必要[2]。局部放电量的大小本身并不能指示设备发生故障的危险程度，但产生局部放电的原因必须要弄清楚，然后才能评估局部放电对设备的影响程度。

1 测评原理

GIS中的绝缘介质中每次局部放电均会伴随有一个或者几个陡的电流脉冲，他们会向周围辐射电磁波。研究表明，局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局部放电源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。而且在SF6气体中的局部放电所辐射出的电磁波范围可达数GHz的超高频范围，由于GIS气室的共振作用，进而形成多种模式的超高频谐振电磁波[3]。因此通过对超高频电磁波的检测可实现对局部放电和设备绝缘程度的检测。

由于GIS气室就像一个低损耗的微波共振腔，局部放电信号的振荡波在气室中存在的时间得以延长，可以长达1个毫秒，得使安装在GIS上的内置/外置耦合器有足够的时间够俘获这些信号[4]。耦合器俘获的局部放电信号的强度很低，仅为毫伏级，但经过特高频局放监测装置（检测样机）放大后，使用局部放电人工智能分析软件对他进行多方面的分析，判断GIS可能存在的缺陷。在检测到GIS设备有局部放电现象，并通过分析PRPD（Phase Resolved Peak Display）波形确定缺陷的种类后，就需要进行定位，找出局部放电的位置，以便进行维修工作[5]。为了对GIS设备进行在线监测系统测评，首先应该对特高频传感器进行测评。在对检测特高频传感器的结束之后进行特高频局放监测装置（检测样机）进行校验，以确保备在使用过程中的准确性。特高频局放监测装置（检测样机）检测平台如图1所示。

图1 特高频局放监测装置（检测样机）检测平台

2 模拟测评

为了能够准确对现场GIS设备进行测评，需要对测评仪器进行校准以保证其准确性。

2.1 特高频局放监测装置

特高频局放监测装置（检测样机）常被用作变电站GIS设备的检修仪器，它能够检测、记录、分析GIS内部发生的局部放电事件，分析其原因，跟踪器发展趋势，以便早作处理，避免彻底停机事故。特高频局放监测装置（检测样机）由两部分组成：运行局部放电人工智能分析软件Port SUB的笔记本电脑和超高频信号采集处理单元DAQ（the Portable Data Acquisition Unit)，一部分内置在便携式数据获取单元DAQ检测仪里面，另一部分是安装在一台笔记本电脑里的局部放电人工智能分析软件Port SUB。电脑通过网线连接DAQ，接收DAQ通过耦合器Coupler（最多3个）采集的超高频局部放电信号[6]。

使用特高频局放监测装置（检测样机）检测到局部放电事件后，配合使用适当的示波器，通过计算检测到信号的时间差，可以对局部放电源进行准确定位。DAQ检测到的所有局部放电数据都通过网络传输到笔记本电脑，用户可以实时观察检测结果。

系统检测每个时间段的局部放电信号峰值和放电速率，并将他们显示在电脑屏幕上。为了提高检测的可靠性，本系统采用插值平均法对检测数据进行处理，即将相邻3个检测时间段的检测值进行平均。Port SUB系统软件提供多种对信号峰值数据的处理方法。Port SUB系统软件流程图如图2所示。

图2 系统软件流程图

本系统对局部放电的分析是自动进行的，自动给出分析、判断的结果，并以图形的方式显示在屏幕上，帮助用户对GIS设备进行深入的故障诊断。

2.2 检测能力测评

在实验室对特高频传感器进行测评以确保所使用的传感器是标准的，并且使用ns陡脉冲发生器输出脉冲序列间隔频率为50 Hz的3 V电压的特高频信号[7]。将该特高频信号通过0.5 GHz～7.5 GHz超高频传感器发射天线释放特高频信号，用与示波器连接的特高频传感器且正对方向为0.1 m进行接收，观测其能否有效检测到特高频信号并正确显示。

2.3 模式识别能力测评

金属尖端放电和悬浮电位体放电具有较为显著的、稳定的、易与其他类型局部放电区分开来、且易模拟的特征，故模式识别能力测评中，使用ns级陡脉冲发生器产生特征类似于金属尖端放电和悬浮电位体放电的模拟信号[9]。使用信号发生器产生频率为50 Hz、相位为工频周期270°，或频率为100 Hz，相位为工频周期90°的方波信号，对任意波形发生器进行触发，使得任意波形发生器以50 Hz或100 Hz的脉冲重复率重复发出陡前沿脉冲，并且陡前沿脉冲固定在工频周期270°或90°和270°的相位产生，形成陡前沿脉冲序列，如图3所示。陡前沿脉冲序列为一种宽频带、陡前沿、在工频周期270°（以模拟金属尖端放电）或90°和270°（以模拟悬浮电位体放电）相位发生的信号，非常类似实验室或现场检测得到的局部放电波形，可以用来模拟真实局部放电波形[10]。

图3 放电模拟信号

2.4 抗干扰能力测评

抗干扰能力测评主要是通信手机干扰，使用手机重复拨打、挂断电话，以形成较强的手机通讯干扰。在距离手机0.5 m处、与手机天线正对的方向上，使用超高频传感器进行接收，判断对其干扰能力[11]。

3 测评结果

3.1 检测能力测评

对于特高频传感器的检测能力，所使用的特高频传感器均能够清晰的在示波器上显示所接收到的电磁波信号，说明特高频传感器能检测发射接收的特高频信号。显示结果如图4所示。

图4 检测能力测评结果

3.2 模式识别测评

为分析了解局部放电的特点，以便在现场测试时能准确辨识电气设备内部的局部放电，对其进行局部放电测量研究，分析局部放电的图谱特征及规律特性。图谱分别对应单周期检测方式（三维图）、单周期检测方式（二维图）、峰值保持检测方式、PRPD谱图检测方式。

金属尖端放电的特征为：放电次数较多，放电幅值分散性小，时间间隔均匀。放电的极性效应非常明显，通常仅在工频相位的负半周出现。

悬浮电位体放电的特征为：放电脉冲幅值稳定，且相邻放电时间间隔基本一致。当悬浮金属体不对称时，正负半波检测信号有极性差异。

模拟金属尖端放电，特高频局放监测装置（检测样机）的模式识别能力测评结果如图5所示。

图5 模拟金属尖端放电结果

图a、b分别为单周期的模拟局部放电的相位分辨脉冲序列的三维图和二维图，可以很直观的观察到放电的极性效应非常明显；c与d分别为峰值保持和PRPD图谱，可以观察到峰值负轴能观察到1个脉冲峰值，而且PRPD图谱负轴能观察到1个标记点则放电幅值分散性小且工频相位负半周出现；故模式会识别结果是金属尖端放电。

模拟悬浮电位体放电，特高频局放监测装置（检测样机）的模式识别能力测评结果如图6所示。

图6 模拟悬浮电位体放电结果图

图a、b中可以观察到局部放电单周期相邻放电时间间隔基本一致；图c、d可以观察到峰值正负半轴都能观察到脉冲峰值，而且PRPD图谱正负轴均能观察到1个标记点则正负半波检测信号有极性差异。

3.3 抗干扰能力测评

特高频局放监测装置（检测样机）抗干扰能力测评结果如图7所示。

图7 抗干扰能力测评结果

从图a、b中可以直接观察到检测到的干扰信号已经淹没放电信号，图c、d中峰值保持为满，PRPD无标记点，故模式识别结果为局部放电类型为非局部放电。由此可见，该超高频局部放电监测装置的抗干扰能力是很好的。

4 结束语

1）对于特高频传感器能检测到超高频信号，具有良好的检测能力；

2）对于金属尖端放电模型和悬浮电位体放电模型，检测灵敏度较高，检测能力较好，而且各通道的检测结果一致性较好，其局部放电类型模式识别结果与实际放电类型存在基本一致；

3）对于抗手机通讯干扰能力很强；

4）对超高频信号的检测能力、局放模式的识别、抗干扰能力这几方面是特高频局放在线监测装置入网测评的必要检测项目，可有效的对在线监测装置进行质量把关。