基于超高頻法的1000kV GIS在線監測裝置應用技術研究

伍超勇，劉胭脂，王彥文，江博

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北　宜昌　443002; 2.國網松滋市供電公司,湖北　荊州　434200)

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基于超高頻法的1000kV GIS在線監測裝置應用技術研究

伍超勇1，劉胭脂2，王彥文1，江博1

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002; 2.國網松滋市供電公司,湖北荊州434200)

特高壓1000kV交流輸電是解決我國電網和能源發展的重要選擇，一旦特高壓GIS設備出現故障，便會造成重大損失，因此，特高壓GIS設備在線監測裝置應用技術的研究尤其重要。本文首先介紹幾種GIS局放檢測法，然后對超高頻局部放電法原理及放電圖譜進行分析，最后給出使用超高頻法判斷局部放電的四點原則。

特高壓；超高頻法；局部放電；放電圖譜

1　引言

特高壓1000kV交流輸電具有容量大、距離遠、損耗低、占地省等顯著優勢，在我國電網和能源發展上起到至關重要的作用[1-2]。2009年初，我國建成并投入運行了世界最高電壓水平的1000kV “晉東南-南陽-荊門”特高壓交流輸電線路。目前的特高壓設備是首臺首套，技術復雜，沒有能夠借鑒的運行維護經驗，為了保障特高壓設備的正常運行，避免非計劃性停電，現場采用的是基于超高頻法的局部放電在線監測裝置檢測并判斷GIS設備的內部情況[3-4]。早在20世紀40年代初，西屋公司就發明了局部放電監測電機絕緣的技術，而我國在70年代才開始對局放在線監測技術進行研究。許多國家已經采用特高頻法對GIS設備進行在線監測[5]，但對于超高壓1000kV GIS 局部放電在線監測裝置的應用研究，目前還相當薄弱。

2　GIS局方檢測方法

國內檢測GIS局部放電的方法主要有電檢測法和非電量檢測法，一般分類如圖1所示。

圖1　GIS局放檢測方法

2.1電檢測法

GIS局部放電最直接的現象是引起電極之間的電荷移動，一定數量的電荷通過電介質，就會引起試樣外部電壓的變化。電檢測法就是基于此進行的。

(1)脈沖電流法

脈沖電流法的基本測試回路分為直測法和平衡法兩種。直測法在現場很多干擾的環境下，會嚴重影響測試靈敏度。而平衡法由于其抑制共模干擾的優良性能，但靈敏度低，這也就抑制了平衡法的應用。

(2)無線電干擾法

1925年，Schwarge發現電暈放電會發射電磁波，通過無線電干擾電壓表可以檢測到局部放電的發生，這種檢測方法叫無線電干擾法(RIV)，國內也叫射頻檢測法。較常用射頻傳感器有電容傳感器、Rogowski線圈電流傳感器和射頻天線傳感器等。

RIV方法能定性檢測局部放電是否發生，甚至可以根據電磁信號的強弱對電機線棒和沒有屏蔽層的長電纜進行局部放電定位；采用Rogowski線圈傳感器也能定量檢測放電強度，且測試頻帶較寬(1～30MHz)，現場測試證明，該方法具有較好的實用價值。

(3)介質損耗分析法

在大多數絕緣結構中，隨著電壓的升高，介質中氣隙或氣泡的數目將增加，局部放電的現象將導致介質的損壞，從而使得tgδ大大增加。因此可以通過測量tgδ的值來測量局部放電能量從而判斷絕緣材料和結構的性能情況。

介質損耗分析法基本不能檢測局部放電量的大小，只能定性的測量局部放電是否發生，這限制了介質損耗分析法的運用。

(4)超高頻法

1982年Boggs和Stone在他們的試驗中使測試儀器的測量頻帶達到1GHz，成功的測試出GIS中的初始局部放電脈沖。在此頻帶下，噪聲信號衰減劇烈，可有效的實現噪聲抑制，且可以基本無損的再現局部放電脈沖，從而深化對局部放電的機理性研究。

2.2非電量檢測法

GIS局部放電伴隨著產生光、波、聲等物理現象以及氣體分解反應等化學現象，非電量檢測法就是通過相應的方法來檢測其內部的絕緣狀況。

(1)聲測法

在發生局部放電時，瞬時釋放的能量將放電源周圍的介質加熱使其蒸發，此時放電源如同一個聲源，向外發出聲波。聲測法在復雜設備放電源定位方面有獨到的優點[7]，但由于聲波在傳播途徑中衰減、畸變嚴重，基本不能反映放電量的大小。在實際中一般不獨立使用聲測法，而將聲測法和電測法結合起來使用。

(2)光測法

光測法傳感器必須侵入設備，只能測試表面放電和電暈放電，在現場該方法基本上沒有直接應用。近年來，隨著光纖技術的發展，將光纖技術和聲測法相結合提出了聲-光測法。當設備內部發生局部放電時，超聲波在油中傳播，這種機械壓力波擠壓光纖，引起光纖變形，導致光折射率和光纖長度的變化，從而光波將被調制，通過適當的解調器即可測量出超聲波，可實現放電定位。

(3)化學檢測法

當電力設備絕緣中發生局部放電時，各種絕緣材料會發生分解破壞，產生新的生成物，通過檢測生成物的組成和濃度，可以判斷局部放電的狀態。在電力變壓器中，油色譜分析(DGA)方法是一種簡單、經濟、有效的在線監測方法。它通過色譜柱、氣體傳感器分離、檢測出變壓器油中各種可溶性氣體的含量，并由此判斷變壓器絕緣狀況。

3　1000kV GIS超高頻局放在線監測原理

導致GIS設備發生局放的情況一般有六種：導體突出物、外殼突出物、觸頭損傷、SF6中的漂浮物、屏障絕緣子中有氣泡、屏障絕緣子上有孔洞或金屬微粒。當GIS設備發生局部放電的時候，會發射大量的超高頻電磁波信號(300MHz～3GHz)，如圖2所示。

圖2　HGIS局放激發出的超高頻電磁波信號

在SF6中的局放產生的強烈信號的頻率比空氣中的放電高頻干擾要大，能夠很好的除去干擾。檢測的高頻電磁波信號經過傳輸、放大，然后送到頻譜儀和計算機，采用專門的軟件(SmartSub軟件)進行分析，繪制局放譜圖，通過對數據譜圖、波形的分析，從而能判斷故障類型和嚴重程度。

特高壓現場超高頻局放在線監測裝置由UHF耦合器、OCU光電轉換器、PDM主機和系統軟件SmartSub等組成。

UHF耦合器是超高頻信號傳感器，能夠感應100MHz～1.5GHz的局部放電信號，并將信號通過同軸電纜傳送給OCU光電轉換器，OCU用來接收UHF耦合器采集的高頻信號并進行數字化處理，然后通過光纜傳送給PDM主機的光發送單元。PDM主機通過光纜接收來自OCU檢測單元的采集信號。HGIS內局部放電信號的典型頻帶在500～1200MHz間，OCU通過濾波電路有效地去除此頻率之外的電磁波，實現濾除廣播信號和空氣絕緣設備的放電干擾信號的功能。同時OCU具有很強的高壓防護功能，能夠適應各種應用環境。運行PDM系統軟件SmartSub，對采集到的局部放電信號數據進行分析、判斷、識別。

4　局放典型圖譜研究

目前投入運行的局部放電監測系統能對局放的來源進行定義并且對故障風險進行評估。對于大部分局部放電源都有比較典型的圖像。常見的局放類型有：固定粒子放電(母線和殼體電暈)、自由粒子放電、浮動電極放電、絕緣缺陷放電、干擾放電等。

4.1固定粒子放電

GIS設備中，固定粒子放電有母線和殼體電暈兩種，可能是由焊在母線上的金屬屑或不光滑的氣室壁突起的顆粒物產生的，兩者其過程和圖形基本相似。以母線電暈為例分析：當母線電壓到達峰值的時候，突起的尖端高度受壓，便產生電暈放電。在發展的第一階段(又稱初始階段)放電首先發生在母線電壓的負半周期。在這一階段，信號非常小(< 1pC or < 10%)，計數率可能是5～20個/秒，如圖3。隨著母線電壓的增加，或者突起的長度增加，放電率大幅上升，在正半周期可能會發生一種更大的放電。這種放電往往是很規則的，更大的放電可能發展成很危險的放電，如圖4，它在正半周期有一個很大的振幅(>50%)，表明電暈放電到達了臨界情況，有可能導致閃絡。

圖3　母線電暈-初始放電(正峰值)

圖4　母線電暈

4.2自由粒子

自由粒子是指留在GIS內的很小的金屬顆粒，例如金屬屑。這種粒子受高電場的影響發生跳躍。顆粒每與殼體碰撞一次，便發生一次放電。自由粒子是隨機移動的，放電有發生在交流電源周期的任一點上。這種放電似乎是與母線電壓異步的，如圖5所示。

圖5　典型自由粒子放電

實際上，振幅分布和相位角之間有一定關系。但是要描述這種關系卻很復雜，因為它依賴于幾個參數，包括大小、重量，粒子密度，場分布和氣體壓力。圖5所示的單周期圖像表示這種粒子的隨機運動：信號幅值往往比較高(30%～80%)，計數率通常是1/2每周期，或5/6每秒(發生在所有時間段)。這種粒子產生的計數率和單周期圖像明顯與電暈放電是有區別的。粒子的隨機運動的圖像也可以繪制成平面圖(圖6)的形式觀看。

在15分鐘POW數據圖(圖7)上，自由粒子分布的形狀變得很明顯。計數率很小，相對均勻分布，可以看到它的振幅大多數聚集在交流波形的正負峰值處。

4.3懸浮放電(浮動電極)

GIS的部件沒有接地或是沒有接到母線上，會形成浮動部件或浮動電極。浮動電極的作用就像一個放電電容器，它產生非常高的振幅(>100pC).由于局放信號使PDM系統的靈敏輸入放大器飽和了，信號輸出是滿量程(100%)。如圖8所示。

圖6　典型自由粒子(平面圖)

圖7　POW圖(自由粒子)

圖8　典型浮動電極放電

浮動電極放電往往發生在電源周期的第一和第三象限，有相對高的計數率；圖9所示平面圖可以看得很清楚。

4.4內部放電(絕緣缺陷)

絕緣缺陷表現為GIS屏蔽體內的空隙、屏蔽體表面的污染物。絕緣缺陷的特點是：在整個周期內表現為中低幅值的信號。最大振幅發生在交流周期的正負峰值處，如圖10所示。

絕緣缺陷往往在第三象限產生最大的計數率，隨著電壓到達下一個零點逐漸變小。絕緣缺陷的特點是：第三象限計數率最高，隨著電壓到達下一個零點逐漸變小。平面圖及POW圖如圖11、圖12所示。

圖9　典型浮動電極(平面圖)

圖10　典型空隙

圖11　典型空隙(平面圖)

圖12　絕緣缺陷(POW圖)

4.5干擾

一些外部來源如移動電話、熒光燈、壓縮機、雷達等都可以干擾PDM系統。這些干擾的大多數可以使用重合濾波器、數據濾波器或OCU低通濾波器(只用于輻射系統)濾除。

4.5.1移動電話干擾

UHF耦合器常檢測到移動電話產生的信號：由于手機使用了時分復用技術(time-division multiplexing,TDM)，這種干擾每周期會產生4個高振幅脈沖。圖13中7個脈沖之間的空隙是由于手機沒有接收，也沒有發送任何數據，也就是發送者或接受者保持沉默的時候。

圖13　移動電話干擾

這種干擾的振幅受許多因素的影響，如手機相對耦合器的位置，GIS內的屏蔽體數量。另外，在開始和結束呼叫的時候，信號振幅往往要更高。

4.5.2熒光燈干擾

熒光燈使用的啟動器可以產生電干擾，這種干擾可以被PDM系統檢測出來。干擾的圖像受熒光燈使用的啟動器的類型影響：圖14記錄的是感應啟動器的干擾數據。

圖14　熒光燈干擾

電子啟動器往往產生比感應啟動器更小的干擾。但是，將感應啟動器換成電子啟動器不能保證可以消除干擾信號。人們發現在大多數情況下，重合濾波器可以有效消除這種類型的干擾。

4.5.3壓縮機干擾

壓縮機干擾是由調節GIS內的SF6氣體壓力的壓縮機產生的。當壓縮機泵里的電動機開啟或關閉的時候，產生一種電氣噪聲，這種電氣噪聲會引起壓縮機干擾，如圖15所示。

圖15　壓縮電機干擾

4.5.4雷達干擾

雷達干擾是由GIS附近的雷達設備引起的，例如：附近的機場雷達系統；飛機雷達系統；船用雷達系統；GIS鄰近建筑物反射過來的雷達信號，雷達干擾圖譜如圖16所示。

圖16　雷達干擾

5　小結

本文通過對1000kV特高壓HGIS設備實際特征頻譜進行采集分析，總結了使用超高頻局放技術判斷GIS局部放電的四點原則，可作為今后各特高壓站GIS(或HGIS)設備局放監測工作的借鑒。

5.1缺陷類型的判斷

可通過單周期圖譜中局放幅值、相位、密度并結合典型故障圖譜來判斷故障類型。

5.2缺陷嚴重程度的判斷

一般不能根據一個單周期圖譜來判斷局放的嚴重程度，要結合對應的POW圖進行綜合判斷，當POW圖顯示的一段時間內放電幅值及放電次數均較高時，說明放電比較嚴重。

5.3重點關注局放量變化趨勢

固定粒子或自由粒子放電，可能會在某一時間段活動頻繁，但隨著尖刺燒灼消失，局放會逐漸正常，這類缺陷一般不需要處理。懸浮電位或絕緣子絕緣缺陷引起的局放，開始往往不是很活躍，但隨著局放引起往絕緣進一步的破壞，故障會越來越嚴重，最終可能導致閃絡或劇烈放電，需要特別留意。

5.4現場可采用其他檢測手段進行綜合判斷

對于懷疑存在局放的氣室，可以采用其他檢測或試驗手段進行綜合判斷，通常可以采用超聲波局放檢測、SF6氣體分解產物測試、pH試紙酸度測定等。

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Applied Technology Research on 1000kV GIS Online Monitoring Device Based on UHF Method

WUChao-yong1,LIU,Yan-zhi2,WANGYan-wen1,JIANGBo1

(1.College of Electrical and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.State Grid Songzi Electrical Power Company,Jingzhou 434200,China)

The 1000kV UHV(ultra high voltage)AC(alternating current)transmission to solve an important choice for China′s power grid and energy development.When the GIS equipment break down properly,it will cause a great damage,therefore,it′s particularly important that research on UHV GIS equipment online monitoring device application technology.This paper first introduces several kinds of GIS partial discharge detection method,and then the UHF partial discharge principle and discharge patterns were analyzed.finally,four principles of using UHV method to judge partial dischange is gived.

UHV;ultra high frequency method;partial discharge;discharge patterns

1004-289X(2016)02-0026-06

TM8

B

2015-07-07

伍超勇(1994-)湖北監利人，碩士研究生，專業：高電壓與絕緣技術，研究方向：電力設備在線監測與故障診斷。