超高頻局放在線監測在GIS設備校驗現場中的應用

黃鳳萍

（廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東 惠州 516001）

0 引 言

GIS設備在運行過程中出現局放異常會嚴重影響設備的安全穩定運行，如不及時發現處理，可能導致設備擊穿跳閘，造成負荷損失。本文主要以220 kV大朗站GIS局部放電在線監測裝置為例，檢驗局放在線監測裝置是否能夠有效發揮GIS局放在線監測與預警的作用。

1 超高頻局放在線監測校核原理

GIS內部的局部放電能激發超高頻（Ultra High Frequency，UHF）電磁波信號（高至1 GHz以上），UHF電磁波信號穿透性強，能夠從盆式絕緣子和GIS外殼的接縫處泄漏到外部。將測試傳感器放置在非屏蔽盆式絕緣子處，在UHF頻段（300 MHz以上）接收及耦合GIS內部信號，既能避開一般的電磁干擾，又能準確測量GIS內部的放電信號。同時，配置實時信息采集裝置[1]，可實現GIS超高頻局放信號的在線監測。

GIS局部放電產生的超高頻電磁波信號在非金屬材料中具有穿透性強的特點，在盆式絕緣子或絕緣襯墊處會發生輻射現象。根據GIS局部放電超高頻信號的傳播特征和GIS在線監測裝置的檢測原理，進行GIS局部放電超高頻在線監測裝置運行中校核時，可通過在某處盆式絕緣子或絕緣襯墊處注入超高頻電磁波信號，安裝在其他盆式絕緣子處的在線監測傳感器可接收到輻射出的注入信號。

例如，利用校核信號發生器產生超高頻信號，通過如圖 1所示的注入點（a）或注入點（b）將超高頻信號注入至GIS殼體內部，通過查看監測裝置后臺軟件上相應傳感器的信號接收情況來判斷監測傳感器、現場采集器、監測主機以及監測軟件各環節的有效性。其中，注入點（a）為未屏蔽或有澆筑孔的絕緣盆子、以及未屏蔽的地刀盆子，注入點（b）為當澆筑孔過小或絕緣盆子全屏蔽時，在線監測裝置的傳感器所在位置。在該情況下，利用在線監測系統的傳感器進行互校。

圖1 現場檢測示意圖

（1）脈沖信號發生器：應能產生固定頻率的脈沖信號，技術要求不低于表1要求。

（2）超高頻傳感器：應不低于如下技術指標，工作頻帶不小于300 MHz～1 500 MHz，在工作頻帶內平均有效高度不小于11 mm。

2 測試校核試驗設備及覆蓋范圍有效性校核

2.1 測試校核設備的具體要求

測試校核試驗設備必須滿足以下幾點要求。

（1）將脈沖信號發生器與校核用超高頻傳感器連接，構成校核信號發生器。

（2）設置好超高頻局放帶電檢測裝置。

（3）將校核信號發生器的傳感器信號發射面與局放帶電檢測裝置的傳感器信號接收面相對，距離100 mm。

（4）設置脈沖信號發生器脈沖幅值為1 V，記錄局放帶電檢測裝置圖譜與響應幅值。在1～5 V范圍內，以1 V為步長逐步增加信號發生器輸出脈沖幅值，分別記錄局放帶電檢測裝置圖譜與響應。

（5）若在1～5 V內，局放帶電檢測裝置實時圖譜可觀測到明顯的脈沖信號，并可檢測到信號發生器引起的幅值變化，則校核信號發生器可用。否則，應檢查是否存在校核信號發生器電量不足、傳感器或線纜損壞、背景電磁噪音過大等問題。

2.2 覆蓋范圍有效性校核試驗

覆蓋范圍有效性校核[2]目的在于檢驗傳感器布置方案與安裝方式是否可以有效覆蓋GIS全部區域，結構形式間隔可選擇1個間隔進行覆蓋范圍有效性校核，試驗方法和試驗步驟如下文所述。

2.2.1 試驗間隔選擇

對GIS間隔，同一結構形式間隔可選擇1個間隔進行覆蓋范圍有效性校核；

對于母線，每兩個相鄰傳感器內的母線區域均需進行覆蓋范圍有效性校核。

2.2.2 校核試驗方法

（1）使用屏蔽布包裹校核信號源的傳感器，防止超高頻信號通過空氣耦合進入監測通道。

（2）注入信號強度選擇

a.若在未屏蔽的絕緣盆子處注入信號時，按校核脈沖幅值8 V注入信號；

b.若在具有澆注孔的帶外屏蔽的盆式絕緣子處注入，則注入電壓為40 V；

c.若澆注孔寬度小于15 mm或長度小于40 mm，則不能使用該種方法進行校核，此時采用在線監測傳感器相互檢測[3]的方法進行校核，即：拆下在線監測傳感器的信號線，連接脈沖信號發生器，注入校核脈沖信號，在系統軟件上應至少能夠查看到信號注入傳感器一個相鄰的在線監測傳感器所接收到的注入信號，通常情況下校核脈沖幅值為16 V。

d.在注入最低推薦電壓信號時，若被校驗傳感器無響應，逐級提高注入信號電壓至傳感器有響應（按20 V、30 V、60 V、100 V逐級升壓），記錄被校傳感器有響應的電壓、響應幅值和圖譜。超過100 V仍無響應，則應記錄為無響應。

（3）信號注入位置選擇

信號注入位置選擇原則是選取間隔內或母線上，距離傳感器最遠，或最可能為監測盲區的位置。

當采用絕緣盆子注入校核信號的方式時，對于GIS間隔，建議充分考慮GIS間隔與傳感器位置的對稱性，將校核信號發生器的傳感器分別放置在間隔兩端或中間位置，并至少選取兩個信號注入點。對于GIS母線，建議選取監測母線的相鄰兩個傳感器的中間位置注入信號。

當采用在線監測裝置傳感器互校的方式時，對于GIS間隔，應選擇間隔內相距最遠的兩個傳感器，分別注入校驗脈沖信號。對于GIS母線，應選擇每個母線傳感器注入校核信號。

2.2.3 試驗合格標準

每次注入校核信號時，每間隔（每相）或母線上，至少有一個監測通道可以接收到注入信號，則覆蓋范圍有效性試驗合格，同時應記錄注入信號幅值、以及監測通道響應幅值與圖譜。

若注入信號超過100 V，仍無監測通道有響應，則記錄為無響應，并判定在線監測系統監測范圍無法覆蓋該注入位置，覆蓋范圍有效性不滿足要求。

無響應判斷依據：注入100 V信號前后，監測通道響應幅值變化低于10%或無明顯相位特征。

3 超高頻局放在線監測現場校核

進行GIS局放在線監測現場校核的主要步驟如下文所述。

（1）現場信號采集單元檢查

對現場采集單元的運行情況進行檢查，檢查項目主要包括：信號采集單元指示燈情況；采集單元密封門固定螺釘是否有松動或斷裂現象；溫濕度指示器等防潮、散熱裝置運行情況；箱體底部、進線處的防鼠、防火措施情況；安健環標識合規情況。記錄存在問題。

（2）監測軟件校核

對監測軟件進行檢查，檢查項目主要包括：監測主機是否正常登錄，是否可以后臺保持啟動；系統中的傳感器名稱與現場實際位置是否一致；是否存在頻繁死機問題、軟件功能是否符合現行技術規范（通用部分）。同時，結合覆蓋范圍校驗和監測通道檢驗工作，檢驗監測軟件數據展示、告警和上傳主站的功能等。記錄存在問題。

（3）監測通道有效性校核

監測通道有效性校核目的在于檢驗每個監測通道是否可以有效監測特高頻信號，并定性判斷每個監測通道的靈敏度是否足夠，試驗方法如下文所述。

a.監測通道選擇。所有監測通道均需進行監測通道有效性校核。

b.校核試驗方法。核對被校監測通道編號、安裝位置與軟件系統是否一致。

在被校通道的傳感器側面，距離100～200 mm處，逐步施加幅值為1、2、3、4、5 V的脈沖信號，要求可在系統軟件上查看到相應被測傳感器所接收到的注入信號，記錄有響應的最低注入電壓值、響應幅值與圖譜。若超過5 V沒響應，則拆下被校傳感器，將被校傳感器的信號接收面與信號發生器的傳感器信號發射面相對，距離100 mm，施加幅值為1 V的脈沖信號。要求可在系統軟件上查看到相應被測傳感器所接收到的注入信號。如施加1 V脈沖信號時，校驗傳感器無響應，以不大于5 V為標準，1 V為步長，逐級增大脈沖信號，并記錄有響應的最低注入電壓值、響應幅值與圖譜。超過5 V無響應，則應記錄為無響應。

c.試驗合格標準。被校通道編號、安裝位置與軟件系統一致；且注入信號幅值1～5 V內，被校監測通道有響應，則判定被校監測通道有效，試驗結果合格。

若注入信號幅值超過5 V，被校監測通道無響應，則判定被校監測通道無效。試驗結果不合格。

無響應判斷依據：注入信號前后，監測通道響應幅值變化低于10%或無明顯相位特征。

4 超高頻局放在線監測校核異常及對策

如圖2所示，進行監測范圍或通道有效性校核時，若在線監測裝置的所有傳感器均無響應，應懷疑校核信號是否有效注入或在線監測裝置功能異常，可采用如下方式進行初步排查[4]：檢查在線監測裝置的軟件和現場采集單元功能是否正常；若軟件與采集單元正常，則利用局放帶電檢測裝置，檢查校核信號發生器功能是否正常；若校核信號發生器功能正常，則利用局放帶電檢測裝置，檢查絕緣盆子是否具有較強的電磁屏蔽效果；若絕緣盆子不具有較強電磁屏蔽效果，則拆除在線監測裝置傳感器的信號線，將脈沖信號發生器與監測裝置傳感器連接，通過監測裝置的傳感器注入信號；若被校范圍內的在線監測裝置傳感器仍無響應，則可采取如下措施：將在線監測裝置傳感器裝設于帶電檢測裝置上，采用測試校核試驗設備的方法對該傳感器進行檢查，應考慮傳感器與帶電檢測裝置采集系統不適配的可能性，或通知在線監測裝置原廠家進行異常排查，或將傳感器送電科院進行實驗室校核。

圖2 校核工作流程

5 案例分析

以220 kV大朗站GIS局部放電在線監測裝置為例，檢驗局放在線監測裝置是否能夠有效發揮GIS局放在線監測與預警作用。

220 kV大朗站220 kV GIS型號為ZF16-252，額定電壓252 kV，額定電流3 150 A，生產廠家為山東泰開高壓開關有限公司，設備型式為三相分箱、主母線三相共筒式。GIS局部放電在線監測裝置廠家為珠海市伊特高科技有限公司，型號為SDMT PD700 GIS局放監測裝置，傳感器為41個無源傳感器。

220 kV大朗站GIS局放監測裝置傳感器布置方案如圖3所示：5個線路間隔、4個主變間隔，每個間隔共布置4只傳感器，其中，在間隔內的ABC三相分別安裝3只傳感器，靠母線的B相絕緣子安裝1只傳感器。1個母聯間隔內的ABC相分別安裝3只傳感器；2個PT間隔在靠近母線的盆子上安裝1只傳感器。

圖3 220 kV大朗站GIS局放監測裝置布置圖

試驗方法按《GIS局部放電在線監測裝置現場校核工作細則》進行。范圍有效性校核的信號注入位置：（1）線路間隔；（2）主變間隔；（3）母聯間隔；（4）母線所有盆子。

220 kV大朗變電站共監測12個220 kV GIS間隔設備，41個傳感器，試驗結果與發現問題如下文所述：

（1）現場信息采集單元校核：如圖4所示，220 kV大朗站GIS局放監測裝置現場采集單元工作正常。

圖4 220 kV大朗站GIS局放監測裝置現場采集單元

（2）軟件檢查：軟件工作正常。

（3）通道有效性校核：對全站41個傳感器進行全檢，所有監測通道均可監測到5 V及以下注入信號，監測通道有效性試驗結果均合格。

（4）監測范圍有效性校核：選取主變、線路和母聯等3類典型型式間隔進行校核，共校核3個間隔，分別為#4變高2204間隔、裕大甲線2950間隔和母聯2012間隔。母線絕緣盆子全部進行信號注入并測量。其中，主變、線路間隔覆蓋范圍有效性不合格，備用一線4269間隔與221PT間隔之間的母線覆蓋范圍有效性不合格，其他母線位置與母聯間隔的覆蓋范圍有效性合格。

不合格間隔情況如下：#4變高2204間隔在注入位置1注入100 V信號時，間隔內傳感器和母線傳感器均可見圖譜，但響應信號變化小于10%。裕大甲線2950間隔在注入100 V信號時，間隔內傳感器與母線傳感器響應幅值變化顯著，但無明顯圖譜。在備用一線4269間隔與221PT間隔之間的母線中部絕緣盆子注入100 V信號時，兩個間隔的母線傳感器均無響應圖譜。

綜上所述，220 kV大朗站220 kV GIS局放在線監測裝置現場采集裝置、軟件與監測通道有效性均合格；母聯間隔監測覆蓋范圍有效性合格，主變和線路間隔監測范圍有效性不合格；備用一線4269間隔與221PT間隔的母線傳感器無法覆蓋之間母線，其他母線傳感器監測范圍有效性合格。

覆蓋范圍有效性校核監測通道響應異常原因：經現場檢查發現：220 kV大朗站220 kV GIS局放在線監測裝置的所有傳感器均存在傳感器信號接收面沒有對準絕緣盆子澆筑孔的問題。如圖5所示，傳感器安裝不當，部分絕緣盆子的導流排橫跨澆筑孔，占據了局放監測（測量）位置，故傳感器難以完全貼合澆筑孔，測量到的信號較弱，因此覆蓋范圍有效性不合格。

圖5 傳感器安裝不當

圖譜異常原因應由監測通道的響應延遲或信號源的外部耦合信號引起。

6 結論與展望

本文主要以220 kV大朗站GIS局部放電在線監測裝置為例，檢驗局放在線監測裝置是否能夠有效發揮GIS局放在線監測與預警作用。計劃進一步對傳感器安裝方式進行整改，整改后對覆蓋范圍有效性進行復核。復核時，將對校核信號源采取合理的屏蔽措施。