GIS特高频局部放电内置传感器自身放电缺陷分析方法

张丕沛，王江伟，李 杰

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

特高频局部放电在线监测系统可以实现气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）内部局部放电信号的实时监测、主动预警及数据记录等功能，且具有抗干扰能力强、灵敏度高等特点，既避免了定期开展局部放电普测耗费的人力物力，又实现了GIS设备运行状态的24 h监测［1-4］。然而在线监测内置传感器需嵌入GIS 壳体内部，若内置传感器自身出现局部放电，不仅难以对其进行检修更换，无法及时监测到设备内部放电，甚至还会导致对设备运行状况的误判［5-8］。因此亟须对内置传感器自身放电的信号特征及检测方法进行研究分析。

文献［9-10］提出了一种特高频局部放电内置传感器的现场校验方法，通过注入局部放电脉冲信号的方法现场校验内置传感器的灵敏度，但该方法能否检测内置传感器的自身放电，尚且缺乏理论支撑和应用经验。文献［11-12］针对某变电站GIS 内部的异常特高频信号开展时差定位，通过在多个方向上的反复对比分析，确定局部放电源位于特高频内置传感器附近，但时差定位仅能判断局部放电源的大致范围，无法直接判断为内置传感器自身放电。

针对上述问题，提出一种GIS 特高频局部放电内置传感器自身放电缺陷分析方法，该方法结合现场检测情况及波传导相关理论，总结得到内置传感器自身放电缺陷时的信号图谱特征，从而为内置传感器自身放电的识别提供了判据，对后期处理类似特征的局部放电信号具有一定参考借鉴作用。

1 检测定位情况

1.1 在线监测告警情况

某特高压变电站GIS 特高频局部放电内置传感器存在异常告警信号，在线监测图谱如图1 所示。从图1 中可以看出，局部放电信号幅值比较分散，放电电位较稳定，相位特征较明显。

图1 在线监测图谱

1.2 特高频定位情况

带电检测人员使用PSD-G1500局部放电检测与定位系统对异常信号进行现场定位复测。传感器位置及检测波形如图2 所示。首先进行干扰排除，绿色标识的传感器连接在GIS 内置传感器处，红色标识的特高频传感器放置于GIS 设备外部空间。由图2 可以看出绿色标识传感器能够检测到特高频局部放电信号，红色标识传感器却未见明显异常，说明该信号来自GIS设备内部，非外部干扰信号。

图2 干扰排除传感器位置及检测波形

确定异常特高频局部放电信号来自GIS 内部后，须进一步确定局部放电信号源位置。由于特高频信号在SF6气体中传播速度近似为光速c=3×108m∕s，其从信号源到达各个位置的时间与距离成正比，因此可以采用特高频时差定位法进行信号源位置确定。绿色标识传感器位置不变，将红色标识传感器固定于GIS 下方盆式绝缘子处。传感器位置及检测波形如图3所示。从图3中可以看到，绿色标识的特高频信号在时间上超前于红色标识的特高频信号，时差约为15 ns，即两个传感器接收到的特高频信号传播距离相差约4.5 m，与两个传感器的距离一致，说明该特高频信号源位于GIS内置传感器附近。

图3 特高频时差定位法传感器位置及检测波形

1.3 声电联合定位情况

由于特高频信号只能从内置传感器及盆式绝缘子处检测到，特高频时差定位法只能确定信号源的大致范围，而超声波信号可以在GIS 壳体上的任意位置进行检测，因此要对局部放电信号源进行精确定位，还需要采用特高频与超声波相结合的声电联合定位法［13］。

特高频信号仍从内置传感器处取得，超声波传感器在气室壳体上不断移动，最终在内置传感器法兰盖板上发现超声波异常信号，传感器位置及检测波形如图4所示。由图4可以看出，内置传感器法兰盖板上存在与特高频信号对应的超声波信号。经过多次触发采集，将示波器的时间轴放大后，计算发现特高频信号始终领先超声波信号0.1～0.4 ms。根据SF6中超声波信号传播速度约140 m∕s，估算信号源位于法兰盖板内部约1.4～5.6 cm 处。而内置传感器安装在法兰盖板内壁上，厚度约为10 cm，说明放电点位于内置传感器本体上。

图4 声电联合定位传感器位置及检测波形

2 内置传感器现场检查

该特高压变电站内置传感器采用对数天线采集特高频信号，对数天线通过绝缘件固定在观察窗法兰盘上，通过馈线引出信号［14］。传感器内部结构如图5所示。

图5 内置传感器结构

综合分析内置传感器结构，初步怀疑馈线末端存在放电缺陷。由于馈线末端通过压接安装在法兰上，安装时需要在末端扭曲连接头，如图6 所示，可能导致扭曲处的绝缘减弱。

图6 馈线末端扭曲

拆除内置传感器与监测单元之间的传输线，测试馈线接头内芯与外侧屏蔽之间的绝缘电阻，绝缘电阻小于0.1 MΩ（出厂值为100 MΩ），说明馈线末端的绝缘性能由于弯折扭曲已严重下降。而正常运行时，馈线内芯与外屏蔽之间的感应电压大小约为110 V，导致了馈线末端芯线与外屏蔽间的绝缘放电。

3 放电图谱特征分析

为进一步分析内置传感器放电的图谱特征，从内置传感器上取特高频信号，通过长度为10 m 同轴电缆并经高通滤波后接入示波器，在时域下展开其中一支放电脉冲的波形，如图7所示。由图7可以看出，一支放电脉冲由多簇信号组成，且几簇信号的幅值逐渐衰减、时间间隔一致，怀疑为放电信号在传播路径上折反射形成。

图7 放电脉冲波形

为验证此推论，改变内置传感器至示波器间同轴电缆的长度，继续观测多簇信号间的时间间隔，如图8所示。

图8 多簇信号间的时间间隔

结合图7 和图8，当内置传感器与示波器间同轴电缆的长度分别为10 m、20 m、35 m 时，相邻两簇信号波头间的时间间隔分别为106 ns、208 ns、364 ns，时间间隔与同轴电缆长度基本为正比例关系。另一方面，电磁波在聚乙烯绝缘的电缆中的传播速度约为光速的2∕3［15-17］，为2×108m∕s，其前进10 m 所需要的时间τ为

则电磁波在长度为10 m 的同轴电缆中传播一个来回所需时间为2τ=100 ns，与图7 中现场测得的时间间隔一致，从而说明了内置传感器放电信号的多簇特征是由于电磁波在同轴电缆上的折反射形成的，折反射过程及现场检测时的等值电路如图9所示。

图9 中，u1和i1分别为芯线上的电压波和电流波，u2和i2分别为屏蔽层上的电压波和电流波，ZL为示波器输入阻抗，t0为放电发生的时刻。

图9 现场检测时的等值电路

将芯线与屏蔽层视为两条平行支路，则同轴电缆上的波过程满足

式中：Z11和Z22分别为芯线和屏蔽层的自波阻抗；Z12为两者之间的互波阻抗［18-20］。

内置传感器正常工作时，对数天线接收GIS 腔体内部的特高频信号，并转化为电压电流信号，通过电缆芯线传输至示波器，电缆屏蔽层中无行波流过。波阻抗Z的定义为电压波与电流波的比值，则正常运行时同轴电缆的波阻抗为芯线的自波阻抗Z11，且与示波器输入阻抗ZL相等，即

从而实现了阻抗匹配，所以正常情况下沿同轴电缆传输的特高频信号不会发生折反射。

而此次内置传感器馈线末端芯线对外屏蔽层间的绝缘击穿放电，使得芯线和屏蔽层在同轴电缆的始端相连，变成两条并联支路，即

由安培环路定理可知，屏蔽层电流所产生的磁通全部与电缆芯线相交链，故屏蔽层的自波阻抗Z22等于屏蔽层与芯线之间的互波阻抗Z12，即

而芯线电流产生的磁通仅部分与屏蔽层相交链，故芯线的自波阻抗Z11大于互波阻抗Z12，即

联立式（2）、式（4）、式（5）可得

再结合式（6）可知，i1必为0，即芯线中无行波流过。则此时同轴电缆的波阻抗为

说明此时同轴电缆与示波器的输入阻抗已不再满足阻抗匹配的条件，从而在连接处发生了波的折反射，形成了图7 所示的幅值逐渐衰减、时间间隔一致的多簇信号特征。

综上，此次内置传感器馈线处的绝缘放电，使得同轴电缆的波阻抗发生改变，从而与示波器端口阻抗失配，导致特高频信号在同轴电缆上发生折反射，形成了幅值逐渐衰减、时间间隔一致的多簇信号特征。而内置传感器正常工作时，同轴电缆传输的特高频信号不会发生折反射。因此，后期检测人员对内置传感器报警信号进行现场复测时，若通过示波器观察到具有折反射特征的局部放电信号，即可初步判断放电位于内置传感器馈线处。

4 结语

针对一起特高压GIS 特高频局部放电内置传感器监测到的局部放电缺陷，通过局部放电定位及现场检查，判断为内置传感器馈线末端绝缘减弱导致的芯线对屏蔽层放电。结合示波器检测及波传导理论分析，总结得出内置传感器馈线处放电的示波器检测图谱具有明显的折反射特征，从而将此特征作为内置传感器馈线处放电的判据，实现了对内置传感器自身放电的快速诊断，避免了内置传感器自身缺陷影响GIS的正常运行。

随着特高频局部放电内置传感器的大范围应用，其自身缺陷的种类势必会逐渐增多，下一步须继续加强内置传感器运行状况的监测，进一步研究总结内置传感器自身缺陷的检测分析方法。