基于UHF法的SF6斷路器局部放電測試系統在組合電器上的應用

盧 謙，趙書濤，劉海生，董小英

（1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.保定供電公司，河北 保定 071000；3.保定一中，河北 保定 071051）

斷路器在電力系統中承擔切斷故障電流的重要作用，以SF6氣體為絕緣介質的斷路器在電力系統中應用廣泛，大大提高了電力系統運行可靠性。然而由于運行環境惡劣和運行時間的變化，SF6斷路器難免出現以局部放電為主要特征的絕緣性能劣化問題［1－6］。對斷路器進行局部放電在線監測是一種重要技術保障手段，近年來出現的超高頻（UHF）法，由于其具有抗干擾能力強、靈敏度高等優點，在局部放電監測中得到廣泛應用。英國、德國等許多歐洲國家均已采用UHF檢測局部放電的方法，IEC 60270－2000及IEC 62271－102－2003中，已將這種方法作為斷路器和GIS設備局部放電檢測的主要方法之一。該文在基于超高頻法的電氣設備局部放電監測系統的基礎上，對保定供電公司所屬220kV張豐變電站的SF6斷路器進行現場帶電檢測，設計了一套基于UHF檢測原理的SF6斷路器局部放電測試系統，為帶電設備運行狀況提供了一種準確、有效的檢測手段［7－8］。

1 電氣設備的局部放電特點

局部放電所產生電磁波的頻譜特性與放電源的幾何形狀及放電間隙的絕緣強度有關。SF6氣體或絕緣油所產生的脈沖電流波形，具有納秒級的脈沖陡度，脈沖持續時間介于1～100ns之間，因此可產生大量的頻率在300MHz以上的超高頻電磁波信號。而UHF檢測技術，則是在300～1 500MHz寬頻帶內接收局部放電所產生的超高頻（UHF）電磁脈沖信號。由于UHF信號傳播時衰減很快，故被測設備外部的UHF電磁干擾信號（如空氣中的電暈放電）不僅頻帶比設備內部的局部放電信號窄，其強度也會隨頻率增加而迅速下降，到達被測設備附近或內部的UHF分量相對較少，從而避開絕大多數的空氣放電脈沖干擾［9］。

2 UHF局部放電測試系統

2.1 局部放電測試系統的現場要求

斷路器內PD脈沖所含頻率成分范圍較廣（從直流到超過1GHz），持續時間極短，僅有幾個ns，具有極短的波頭上升時間（1ns左右），這種具有快速上升時沿的PD脈沖具有極快的擊穿特性。傳感器作為斷路器PD檢測的關鍵部件，為了有效接收并傳輸PD信號，被要求在足夠寬的頻段內具有良好的頻率響應特性，并且能夠響應ns級的陡脈沖信號，有足夠高的靈敏度。

由于在保定供電公司所轄變電站中所用的設備傳感器接口位于盆式絕緣子處，可以直接購買現成的、匹配的UHF傳感器探頭，既經濟又達到了技術指標。另外，技術人員對數字示波器比較了解，示波器顯示的數據比較直觀，所以在數據顯示上，選擇了寬帶數字示波器，最后，數據傳輸直接通過GPIB接口接入計算機，簡單明了，也滿足現場的要求。

2.2 局部放電測試系統總體設計

UHF局部放電監測儀由傳感器探頭，信號傳輸線、寬帶放大器、電源線圈、帶通濾波器、數字示波器和計算機等組成，如圖1所示。

圖1 UHF局放測試系統

圖中寬帶數字示波器可以用來采集記錄和分析采集到的UHF信號。數字示波器以數據文件格式存儲數據，還可以進行圖譜簡單分析和圖像存儲，還可以通過GPIB通信接口與計算機相連。

3 實例分析

3.1 現場測試試驗

2011年10月19日，對保定220kV張豐變電站126kV GIS斷路器進行局部放電帶電檢測，將測試系統組裝后，對所有GIS斷路器共18個間隔進行局部放電普測，異常部位如圖2所示，主要發現異常信號如下：

圖2 異常部位示意

在“母聯間隔”及圖示右鄰“百樓出線間隔”、左鄰“備用間隔”、“2號主變壓器間隔”的“Ⅱ母線”（見圖2所示下部母線）上存在UHF放電信號，各主要測試點①～○13（母線筒上部分支第1個絕緣子）均存在放電信號。

在測試過程中發現，所測信號圖譜基本一致，并具有以下特征：信號連續出現；從主要測試點⑧～⑩往兩側及間隔上部測試，信號明顯衰減變小；單個信號的圖譜符合典型放電信號的三角波，如圖3所示；信號周期性圖譜為20ms、50Hz，具有工頻相關性，如圖4所示。

圖3 單個信號展開圖譜

圖4 信號周期性圖譜

由操作示波器初步確定存在放電信號，測試結束后由GPIB通信卡通信，主動傳到計算機中，計算機軟件進一步對數據處理和管理。

3.2 放電定位功能實現

在示波器上實現斷路器放電信號源的定位，需要測試過程配合：將傳感器CH1探頭置于⑩測點、CH2探頭置于④測點，記錄并上傳此時放電信號到計算機。測試位置示意見圖5。

圖5 測試位置示意

2個傳感器探頭之間距離為7.8m，設放電信號源與④測點的距離為x，到⑩測點的距離為y，由計算機分析數據及其頻譜，首先確定2個傳感探頭檢測到的放電信號點，并計算2個同步通道對應信號點時間差Δt，如該次測試中Δt1＝35ns，由此得出

式（2）中，v為電磁波在SF6氣體中的傳播速度取0.25m/ns

由式（1）＋式（2），得出x＝8.3

由式（1）－式（2），得出y＝－0.5

計算結果表明：放電信號源位于“母聯間隔”的“Ⅱ母線”內U相附近。

將傳感器CH1探頭置于⑩測點、CH2探頭置于⑦測點，該次測得信號時間差Δt2＝30ns，由

由式（3）＋式（4），得出x＝7.1

由式（3）－式（4），得出y＝－0.4

計算結果表明：放電信號源位于“母聯間隔”的“Ⅱ母線”內U相附近。

由上述定位測試，基本可以確定：放電信號源經定位位于GIS本體內固定位置附近。

3.3 放電類型分析

超高頻測試發現存在明顯放電信號，通過軟件處理發現，幅值最大2.27mV，折算成放電信號約為2 308pC，放電明顯分布在1、3象限，3象限數據明顯較大，分析認為是尖端放電。如圖6、圖7所示。

圖6 放電測試圖譜

圖7 放電相位特征

超高頻測試多處發現150間隔也存在明顯放電信號，幅值最大0.79mV，折算成放電信號約為791 pC，放電明顯分布在1、3象限，3象限數據明顯較大。經軟件分析認為是尖端放電，如圖8所示。

圖8 尖端放電

測試員通過現場分析認為：GIS側靠近101Ⅱ母線處存在明顯放電信號，分析為尖端放電，建議盡早處理。

3.4 分析結果及建議

綜上所述，所測到的信號具備了所有GIS內部局部放電的特征，可確定在“母聯間隔”的“Ⅱ母線”內U相附近存在內部局部放電，因此建議調整運行方式，將“Ⅱ母線”轉入不帶電狀態；根據運行需要，安排計劃進行拆查。

實際操作中，綜合考慮到定位誤差、拆查范圍及經濟性、一次處理的徹底性，拆查的大致方案為：將“Ⅱ母線”停電，從⑦－⑧測點間的波紋管處打開該段母線，檢查內部是否有絕緣件表面閃絡、金屬表面毛刺、連接松動等外觀異常并處理；同時，對“母聯間隔”及其左右相鄰1.5m的“Ⅱ母線”母線筒內的9個絕緣件全部進行更換。更換完成并恢復后，對該段母線重新進行耐壓、局放等測試試驗，以驗證恢復后絕緣狀態正常。

4 結束語

超高頻法用于局部放電測量的技術，彌補了目前GIS設備例行試驗方法的不足，使得對斷路器的局部放電檢測更加準確有效。結合保定所轄變電站GIS設備實際情況設計的SF6斷路器局部放電測試系統，通過在保定供電公司220kV張豐變電站進行現場測試，驗證了其有效性和相關分析方法的正確性。

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