一种新型局部放电特高频传感器性能分析

何俊达 廖肇毅 陈冰心

一种新型局部放电特高频传感器性能分析

何俊达 廖肇毅 陈冰心

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000）

局部放电现象是电气设备绝缘材料劣化的主要表现形式，研究如何有效地检测局部放电信号以减少电力设备绝缘击穿事故的发生，对电力设备的安全运行具有重要意义。本文针对现有外置式局部放电传感器应用于上海思源气体绝缘全封闭组合电器（GIS）盆式绝缘子存在的问题，研制一种新型天线连接器（AC）型局部放电特高频传感器，并给出其结构设计。实验结果表明，本文设计的传感器的监测带宽、灵敏度等性能优良，能够有效提高局部放电检测的灵敏度，与常规外置式局部放电传感器相比，其检测强度提升了约30dB。

局部放电；气体绝缘全封闭组合电器（GIS）；特高频传感器；盆式绝缘子

0 引言

气体绝缘全封闭组合电器（gas insulated switchgear, GIS）主要由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线等封闭组成，内部被充满一定压力的绝缘气体[1-4]，在输电和配电系统中承担断路、隔离和接地等功能。GIS中电场分布不均匀，局部电场强度过高导致绝缘体中局部范围内发生放电、击穿的情况叫做局部放电现象[5-6]。引起局部放电现象的原因主要为绝缘缺陷，包括绝缘子表面金属污染物、悬浮电极等[7]。短时存在的局部放电不会影响电气设备的绝缘性能，但长时间的局部放电会导致绝缘体局部损伤，甚至会在一定条件下击穿绝缘介质[8]。局部放电是绝缘介质劣化的主要表现，对GIS进行定期局部放电带电检测能够了解设备的绝缘状况，并及时确定设备损坏程度，对电力设备的安全稳定运行具有重要意义[9]。

上海思源GIS的盆式绝缘子在电气设备中广泛应用，该款盆式绝缘子的局部放电测试窗口尺寸为45mm×20mm，存在局部放电测试窗口长度较小的情况[10]，只能无损辐射1 600MHz以上的特高频信号，该频段的特高频信号超过了GIS特高频局部放电在线监测装置的监测频带范围，造成特高频信号衰减快、监测装置监测灵敏度低、覆盖范围不足的问题。针对该款GIS的结构特征，本文设计一种天线连接器（antenna connector, AC）型GIS局部放电特高频传感器，能在一定频段内实现可靠监测GIS内的局部放电信号，满足局部放电在线监测的有效性和覆盖范围要求，提高监测的可靠性和灵敏度。

1 局部放电测试窗口的特高频信号频率响应测试

1.1 实验场景设计

本文针对东莞某站220kV GIS开展特高频信号频率响应试验，测试对象为GIS主母线盆式绝缘子，其局部放电测试窗口尺寸为45mm×20mm。信号注入源设备为射频源，输出信号幅值为0dB、频率可任意调整的特高频信号。在1号盆式绝缘子的局部放电测试窗口，采用原有外置式特高频传感器耦合注入，并在相邻2号盆式绝缘子的局部放电测试窗口采用外置式特高频传感器接收信号。现场测试传感器布置如图1所示，频率衰减曲线如图2所示。

图1 现场测试传感器布置

图2 频率衰减曲线

1.2 数据分析

对上述特高频检测信号进行衰减分析可以看出，在1 700MHz附近，长度45mm的局部放电测试窗口具有较好的频率响应特性。结合缝隙天线传播特性：只有波长小于缝隙天线波长的电磁波才能无损传播，即只有满足频率大于下限截止频率的电磁波信号才能从缝隙天线无损传播。因此，该款思源GIS盆式绝缘子局部放电测试窗口只能无损辐射出1 600MHz以上的特高频信号。然而，该频率下的信号衰减快，造成现有安装的GIS在线监测装置监测灵敏度低、覆盖范围不足，存在局部放电信号漏报的潜在风险，因此亟须根据该款GIS盆式绝缘子的结构特征，设计一种新型的GIS局部放电特高频传感器，以满足GIS局部放电在线监测灵敏度、有效性和覆盖范围的要求。

2 AC型传感器的设计

2.1 盆式绝缘子AC型传感器的结构设计

上海思源GIS的每个盆式绝缘子外部都带有金属铝环，预留长度较小的局部放电测试窗口，盆子靠近金属铝环附近有一个浇注在环氧树脂内的金属辅助电极，通过三个弹簧和螺钉连接到金属铝环上，螺钉对该位置进行密封。该辅助电极的作用是补偿或均匀静电分布，以及消除环氧材料和铝环之间可能存在的气穴的影响。

本文根据上述GIS盆式绝缘子的结构特征和金属辅助电极的特性，设计一种AC型局部放电特高频传感器。取辅助电极的一个接地点连接特高频传感器耦合电极，此时传感器、连接的辅助电极和金属屏蔽环结构组成一个特高频局部放电传感器，通过连接的传感器、金属辅助电极和金属屏蔽环形成特高频耦合天线耦合GIS内产生的特高频局部放电信号，通过传感器耦合特高频信号后将信号引出至GIS金属屏蔽环的外部，再通过三通接头实现特高频信号与同轴电缆的连接，同时三通的另一端加装过电压保护器，实现工频信号的接地和特高频信号的有效传输。该款传感器适配所有相同尺寸结构的盆式绝缘子，在一定频段内能够有效检测设备内的局部放电信号，下限截止频率理论计算值可达400MHz，在GIS特高频局部放电在线监测装置检测频带要求的300～1 500MHz范围内，而且感应本体不采用电阻、电容等电子器件，在安装过程中不会引起GIS电场畸变和危及本体安全。AC型传感器结构如图3所示，AC型传感器检测原理如图4所示。

2.2 盆式绝缘子AC型传感器的安装位置

上海思源GIS盆式绝缘子外部都带有金属铝环，预留3个接地的辅助电极螺钉，选取其中一个辅助电极的接地点作为特高频传感器的安装位置，AC型传感器安装示意图如图5所示。

图3 AC型传感器结构

图4 AC型传感器检测原理

3 传感器性能测试

为了验证AC型传感器的频率响应特性和灵敏度，本文针对东莞某站220kV GIS展开与常规外置式传感器的频率响应特性、灵敏度和动态范围对比试验。

3.1 GIS填充氮气情况下的测试

对现场一段充氮气的分支母线，在右侧盆式绝缘子采用AC型传感器注入特高频信号，在左侧盆式绝缘子上安装一个AC型传感器并在局部放电测试窗口位置安装常规外置式传感器，测试现场如图6所示，测试数据见表1。

图6 测试现场

表1 AC型传感器和外置式传感器测试数据

对上述测试数据进行对比分析，在GIS充氮气的情况下，同一盆子上安装的AC型传感器信号幅值比原有外置式传感器信号幅值提升了约16dB，等同于提升了6.3倍的信号强度。

3.2 GIS填充SF6气体情况下的测试

对同一盆子进行信号注入和信号监测试验，在同一盆子安装2个AC型传感器，在盆子局部放电测试窗口安装常规外置式传感器，将AC-2传感器和常规外置式传感器信号接入特高频局部放电在线监测装置。同一盆子的传感器安装示意图如图7所示。

图7 同一盆子的传感器安装示意图

试验信号源为射频信号发生器通过AC型传感器的耦合信号，信号幅值为0dBmW，通过AC-1传感器耦合注入信号，在600～1 600MHz频率范围内，每隔100MHz选取一个测试频点，不同频率信号下的性能比较见表2。

通过上述测试数据可知，在GIS充SF6气体的情况下，相对于原有外置式传感器，AC型传感器信号幅值可提升约30dB，灵敏度、频率响应特性均得到较大幅度的提升。

3.3 传感器平均有效高度测试

在检验规范DL/T 1432.4规定的吉赫兹横电磁波（gigahertz transverse electromagnetic, GTEM）小室测试条件下，分别对思源盆子局部放电测试窗口的常规外置式局部放电传感器与AC型传感器进行频率响应特性和平均有效高度试验，得到外置式传感器局部放电测试窗口有效高度曲线如图8所示，AC型传感器有效高度曲线如图9所示。

表2 不同频率信号下的性能比较

图8 外置式传感器局部放电测试窗口有效高度曲线

图9 AC型传感器有效高度曲线

通过上述测试数据可知，常规外置式传感器应用于局部放电测试窗口与AC型传感器应用的平均有效高度分别为1.8mm、11.3mm，说明本文设计的AC型传感器性能优于常规外置式传感器，满足DL/T 1498.4提出的平均有效高度应大于6mm的要求。

3.4 传感器脉冲重复率测试

将AC型传感器信号接入特高频局部放电在线监测装置，按照DL/T 1694.1要求进行脉冲重复率测试，实验结果表明本文设计的AC型传感器满足最大允许误差一般不超过±20%的要求。脉冲重复率测试结果见表3。

表3 脉冲重复率测试结果

4 结论

本文设计的新型GIS局部放电特高频传感器充分考虑了阻抗匹配、信号衰减、密封、绝缘与接地安全等基本要求，测试数据和工程应用效果表明，该款新型传感器能够有效提升特高频局部放电监测的灵敏度、频带范围、覆盖范围和可靠性，有利于更早地监测到GIS微弱的局部放电信号。

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Performance analysis of a new partial discharge ultra-high frequency sensor

HE Junda LIAO Zhaoyi CHEN Bingxin

(Dongguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Corporation, Dongguan, Guangdong 523000)

Partial discharge phenomenon is the main manifestation of the deterioration of the insulating material of electrical equipment. How to effectively detect the partial discharge signal, so as to reduce the occurrence of electric insulating equipment breakdown accidents, is of great significance for the safe operation of power equipment. In this paper, a novel antenna connector (AC)-type partial discharge ultra-high frequency (UHF) sensor is developed for the existing external partial discharge sensor applied on Shanghai Siyuan gas insulated switchgear (GIS) basin insulators, and the structural design of the sensor is introduced. The experimental results show that the sensor designed in this paper has excellent performance in monitoring bandwidth and sensitivity, which can effectively improve the sensitivity of partial discharge monitoring and enhance the detection intensity by about 30dB compared with the conventional external local discharge sensor.

partial discharge; gas insulated switchgear (GIS); ultra-high frequency (UHF) sensors; pot insulators

2023-10-17

2023-11-27

何俊达（1984—），男，广东省东莞市人，本科，高级工程师，主要从事高电压与绝缘技术、电力设备状态监测方面的研究工作。