GIS光局放診斷及閃弧偵測保護系統的研究

左 程，吳志峰，李既明，李 治

（湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省長沙市 410200）

0 引言

GIS設備在生產制造及運行中，局部放電會引起絕緣劣化，進而導致絕緣事故。當前主要的GIS局部放電檢測手段主要有特高頻法（UHF）、超聲波法、耦合電容法、光學法、化學法等[1、3]。近年來特高頻法在國內應用越來越多，從多年大量實際應用情況看，特高頻法無法準確定位局放位置，誤報警率高、抗干擾性差，造成GIS設備絕緣事故依然頻發，狀態檢修工作無法高效開展，影響設備的安全穩定運行。

從國際主流最新應用狀況表明，摒棄傳統的UHF等電測技術，采用高抗干擾的光測技術。光測法最大優勢是，能夠精準定位局部放電位置[1]，對電磁波、機械波及雜波等干擾信號免疫，具有強大的抗干擾能力，設備誤報警率極低，非常適合應用于現場在線監測，目前已有應用于開關柜的弧光監測保護系統[4-5]。本文研究的光局放診斷及閃弧偵測保護系統是基于弧光技術的GIS局部放電監測系統，該系統由光局放診斷系統和閃弧偵測保護系統兩部分組成。光局放診斷系統用于局放信號的參數診斷，適用于在線診斷或帶電檢測。閃弧偵測保護系統則用于偵測GIS設備內部因故障產生的弧光信號，適用于在線監測。

1 光局放檢測原理及構成

1.1 GIS設備局部放電主要類型

GIS設備局部放電的主要類型有：

（1）松動金屬部件產生的懸浮電位體放電。

（2）固體絕緣內部開裂、氣隙等缺陷引起的絕緣件內部氣隙放電。

（3）絕緣表面金屬顆粒或絕緣表面臟污導致的沿面放電。

（4）處于高電位或低電位的金屬毛刺或尖端導致的尖端毛刺放電。

（5）金屬顆粒和金屬顆粒間的局部放電，金屬顆粒和金屬部件間的自由顆粒放電。

1.2 電弧成因

電弧是一種氣體放電現象，是電流通過某些絕緣介質產生的瞬間火花現象。根據電弧發生的不同部位可以將電弧分為以下三類：

（1）帶電導體間的電弧放電。

（2）帶電導體與地之間的電弧放電。

（3）絕緣體表面的沿面放電（爬電）。

1.3 光局放檢測原理

當電力設備的內部產生局部放電時，會伴隨有很多不同的效應出現，如：電磁效應、光效應、熱效應、聲效應、壓力效應、化學效應等，利用以上的光效應，通過相應的傳感技術能夠有效地監測GIS設備內部的電弧，并及時預測和定位故障位置。由于各類電弧與放電現象產生的光效應不同，所以針對弧光特性進行分析診斷，通過對不同光的研究，電弧弧光有其特殊的波長范圍和頻率范圍[2]，分析和篩選合適的光信號，就能夠準確地判斷電弧放電故障，并準確地測量得到局部放電的各項參數及圖譜。

光局放檢測手段的基本原理是基于對氣態放電過程中由于介質的離子化、激發效應以及復合過程等多個過程中產生的光的檢測來完成的。在GIS 設備內部，放電過程中產生的光的特征（如波長），受到到了所在環境各種因素的影響，如放電類型、氣體壓力、介質種類、電場強度等。同時這些光線也會被介質氣體吸收、GIS 內表面反射等影響，光通量也會隨著不同環境改變。研究表明：放電光通量Ip可以由公式給出，決定了光檢測系統的靈敏度。

式中k——介質氣體的光吸收系數；

Ri——GIS的內表面光反射系數，≤1。

紫外輻射強度與局部放電強度的相關性：局部放電發生時，根據能量守恒定律，放電過程中的光輻射本質上是放電電流能量的轉移和釋放。光輻射功率是放電功率的一部分，在外部環境因素（氣壓、溫度、濕度）不發生改變的情況下，能量轉化的比例是恒定的，紫外光輻射能量占放電總能量的比例是一定的。隨著放電的增強，電離區域單位體積內的離子和自由電子的密度增加，電子的溫度增加，則相應光輻射的功率增加。假設放電的功率為P，而相應的光輻射的功率為Pl，則光輻射功率Pl與放電功率P近似滿足：

式中λ1——光輻射功率與放電功率之間的關系系數。

1.4 系統組成結構

通過分析GIS內部局部放電所產生的光效應，開發了一種新型的基于弧光技術的光局放監測系統，其組成包括光局放診斷系統和閃弧偵測保護系統，如圖1所示。

圖1 系統結構圖Figure 1 System structure diagra

GIS設備發生局放，伴隨產生電弧。閃弧偵測傳感器捕捉到電弧弧光信號，通過光纖傳輸到閃弧偵測保護裝置，裝置在極短時間內向后臺發出報警信號。而通過光局放診斷系統可確認局部放電的發生，獲取相應局部放電位置及類型、局放量等相關信息。運維人員將光局放傳感器連接到閃弧偵測傳感器上，通過局放傳感器的光電信號處理，把弧光信號轉換為電信號傳輸給信號采集裝置，進行信號的進一步處理，最后上傳至后臺軟件，將局放圖譜、局放相位等信息展現在界面上，從而完成局部放電的監測和測量。

2 光局放診斷系統

光局放診斷系統主要包括：光局放傳感器、便攜式信號采集裝置、筆記本和軟件等，用于檢測發生在局部放電中的光學現象，與高電壓頻率的同步，獲得相位關系，使得能夠在用戶界面上顯示出這種光學現象，根據位置和局部放電位置，信號顯示為任何的正或負半波，由此可以判定局部放電的局放類型。該系統適用于帶電運行中的GIS設備，以及GIS出廠型式試驗等各種工況的局部放電檢測。

2.1 光局放傳感器

光局放傳感器用于檢測由局部放電產生的光信號，其原理為：一個高度敏感的光電元件，捕獲局放產生的光信號[3]。傳感器通過連接線纜接到信號采集裝置，由局部放電產生的電壓脈沖，在其結束時通過信號處理鏈，顯示為軟件圖形用戶界面上的測量點。

2.2 信號采集裝置

信號采集裝置做為光局放傳感器與筆記本電腦之間的接口，傳感器的信號被進一步處理，并通過光纜傳輸至筆記本電腦。該裝置還具有同步傳感器的采樣速率與GIS中的高電壓頻率，從而獲取相位信息。

2.3 分析軟件

安裝于筆記本電腦的專用的分析軟件，可分析局部放電信號并進行數據庫比對，直觀地展示出局部放電的圖譜、放電量等信息參量，軟件界面如圖2所示。

圖2 光局放診斷系統界面Figure 2 A diagnostic system interface

2.4 試驗分析

將光測法與IEC60270標準電測法進行了詳細地試驗分析，其試驗測量原理圖如圖3所示。

圖3 對比試驗原理圖Figure 3 Comparison test schematic diagram

經過大量的試驗分析，共獲取了17種標準的光測法圖譜，對于后續的油污顆粒放電、工具引起的懸浮放電、GIS導體上的沿面放電，光測法均能準確檢測識別，說明光測法具有更強的抗電磁干擾能力和故障識別能力[4]。

3 閃弧偵測保護系統

閃弧偵測保護系統主要包括：閃弧測量傳感器、閃弧偵測保護裝置、VE連接光纖等，系統結構圖如圖4所示。

圖4 閃弧偵測保護系統結構圖Figure 4 An arc detection protection system structure diagram

傳感器安裝在GIS設備本體，通過VE光纖連接到閃弧偵測保護裝置，用于在線偵測GIS設備內部局部放電產生的電弧。當設備內部因局部放電而產生電弧，弧光信號通過傳感器傳送到監測主機進行判斷分析，系統能夠早于故障電流劇增（接地后200ms）前，在極短時間（20ms）內發出報警，精準定位局部放電發生的具體氣室。

3.1 閃弧測量傳感器

閃弧測量傳感器為內置式，體積小，伸入GIS內部的探頭部分不含任何金屬，每個氣室安裝1只，在設備上開孔小，重量輕，對GIS設備運行及其電磁場不會造成任何影響，其作用是捕捉因GIS內局部放電產生的弧光信號，外形如圖5所示。閃弧測量傳感器適用室內外各種場合，根據具體應用分為兩大類：一類是GIS直埋式測量傳感器，適用于新GIS；另一類是T型復合測量傳感器，適用于舊GIS改造。GIS內發生的光學現象通過光路傳輸到光傳感器，再通過光纖傳送至遠方。

圖5 閃弧測量傳感器Figure 5 Flash-arc measurement sensor

3.2 閃弧偵測保護裝置

閃弧偵測保護裝置結構原理為：電子單元將從光纖接收到的光信號轉換成為電信號，與參考信號進行對比分析，將對比分析的結果顯示出來[5]。在電源失電的情況下，信號會被暫時存儲在電子單元內，待供電恢復，繼續將信號傳輸到遠程控制中心。單個信號和信號組都可以通過地址通道進行傳輸，從而能夠便捷地將數據傳輸到控制中心。

裝置有24通道型和40通道型，每個信號采集板卡有4個通道，每臺裝置最多6塊板卡或10塊板卡，裝置具有故障指示、測試模式、修正模式、復位按鈕等。

3.3 VE連接光纖

使用含有特殊聚合物的VE光纖進行信號傳輸，其顯著特點是信號傳輸損耗小，傳輸效率高，特殊設計的插頭式連接，鋪設簡單。

4 結束語

多年來各地GIS設備頻發因局部放電而發生絕緣事故，究其原因就是所采用的局部放電監測手段不可靠，新型的GIS閃弧偵測保護及光局放診斷系統的開發解決了此難題。通過引入新的GIS設備局部放電檢測手段，帶電檢測式的光局放診斷系統能夠直觀明了地確定局部放電位置及類型，通過多次檢測了解不同氣室局放的發展趨勢；在線監測式的閃弧偵測保護系統可對GIS進行長期監測，當局部放電超限時進行快速報警和精準定位，保證狀態檢修的順利開展。該系統極大地提高了GIS設備局部放電監測的可靠性與安全性，必將成為未來GIS設備智能化的重要組成部分。