變電站GIS局部放電在線監測系統設計

蘇 勝，曾令誠，林悅德，閆 超，孟晨旭

(1.明陽智慧能源集團股份公司，廣東 中山 528400；2.廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

0 引言

隨著電網的快速發展，氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switchgear，GIS)設備因其可靠性高、占地面積小等優點被廣泛應用在變電站中。當GIS設備發生故障時，大部分在未完全擊穿前伴隨有局部放電現象，其原因主要體現在GIS設備內部在制造、安裝、運輸和試驗各環節中的部件松動、接觸不良等引起了電極浮動，絕緣老化、產生導電微粒等所致。GIS設備的局部放電可能導致絕緣劣化，從而引起絕緣擊穿和沿面閃絡現象，最終導致短路故障、保護跳閘、母線失壓、供電區域大面積停電并帶來重大經濟損失和不良社會影響。

局部放電現象通常伴生電磁波、聲波、熱能、發光、產生各類型氣體或化學分解物。根據局部放電過程中所發生的物理表現和化學反應，主要有超聲波檢測法、光波檢測法、熱檢測法，放電產物化學檢測法，局部放電能量測量法、脈沖電流法、特高頻檢測法等局部放電檢測方法[1]。其中超聲波檢測法和特高頻檢測法可用于在線監測定位，但超聲波傳感器存在檢測靈敏度低、信號識別不夠準確、信號捕捉機制不合理等現象，造成在線監測系統信號漏檢、誤報警等問題，且無法對局部放電信號進行準確定位。局放信號定位通常通過示波器到GIS場地進行定位，消耗時間長，需人工對局放信號準確定位。

為解決現有的局部放電在線監測系統存在漏檢、誤報警、無法準確定位局放信號源等問題，研制了GIS局放在線智能診斷系統，該系統基于特高頻檢測法、幅度比較法、時差比較法等原理，通過大量有效的局部放電信息建立完備的專家診斷庫，具有實時數據采集、放電類型識別、數據分析、局部放電定位、數據信息圖表化等功能，為GIS設備維護提供有效的數據支撐，減少人工數據分析、測量、定位等工作，有效提高生產效率。

1 GIS局放在線智能診斷系統設計

1.1 結構設計

GIS局放在線智能診斷系統由特高頻傳感器、現場采集單元、后臺診斷平臺組成。

特高頻傳感器安裝在GIS設備不帶屏蔽的絕緣盆子上，檢測GIS設備內部絕緣局部放電信號，通過高頻電纜將信號送至現場采集單元。現場采集單元設有6個采集通道，可同時接入6個特高頻傳感器，其主要作用是對采集信號進行降噪、濾波、識別和存儲。現場采集單元兩兩之間設有對時光纖，用于現場采集單元間的數據對時。現場采集單元將電信號轉換成光信號，通過通信光纖將結果輸送至光電轉換單元，由光電轉換單元轉換將數據送至后臺診斷平臺主機。后臺診斷平臺對上傳的信息進行存儲、分析，智能診斷和定位，生成報警信號，通過61850規約將監測數據、報警信號和放電圖譜發送至數據中心。

1.2 功能設計

1.2.1 后臺診斷平臺

后臺診斷平臺主要通過光電轉換單元與現場采集單元進行數據交互，對上傳數據進行存儲、展示、分析、預警、定位，具體功能如下。

(1) 數據存儲功能：主機配置大容量數據存儲硬盤，對現場采集單元上傳信息進行存儲，根據傳感器安裝數量，設計主機存儲內存，數據應滿足至少一年存儲量，可對GIS狀態進行持續追蹤。當存儲硬盤存滿后，自動覆蓋歷史數據。

(2) 自檢預警功能：實時監測現場采集單元的工作狀態，檢查并判斷現場采集單元工作狀態是否正常，對異常工作狀態進行預警。

(3) 數據展示功能：能對上傳信息進行實時展示，能繪制二維、三維圖譜，實現查看數據狀態趨勢、報表統計、歷史數據查詢。

(4) 數據分析、診斷、預警功能：對局部放電信號能自動診斷識別，并對局放信號進行后臺預警。

(5) 局放源定位功能：對GIS內部局放源進行定位，誤差范圍小于30 cm。

1.2.2 現場采集單元

現場采集單元通過光纖將處理過的數據上傳到診斷平臺主機，每個現場采集單元分配獨立的IP，具體功能如下：

(1) 信號濾波功能：對干擾信號進行過濾，減少噪聲干擾。

(2) 局放信號類型識別功能：對不同局放信號進行識別，如絕緣缺陷放電信號、自由粒子放電信號、懸浮放電信號、電暈放電信號，準確率應達到95 %。

(3) 數據存儲功能：存儲容量應滿足15天數據存儲，便于后臺主機故障后維護期間，現場采集單元獨立采集數據，當后臺主機恢復正常后上傳數據，確保檢測數據不丟失。當數據存滿后，自動覆蓋歷史數據。

(4) 對時功能:各個采集單元通過通信光纖進行數據對時，可確保采集信息時效統一，用于定位功能的實現。

1.2.3 傳感器

特高頻傳感器由金屬外殼和內置天線通過環氧樹脂整體澆筑而成，可在工況條件惡劣的環境中正常工作(溫度-25 ℃～70 ℃、濕度93 %、嚴酷等級1級振動)。采用無源設計，確保耦合的信號到現場采集單元不失真，工作性能穩定、可靠。

傳感器靈敏度一般用平均等效高度來表征，是表征傳感器接收局部放電UHF信號能力的一項指標。傳感器平均等效高度是指在規定的測試頻帶內，在各頻率點等效高度的累計平均值，測量頻帶范圍：300～1 500 MHz。傳感器靈敏度平均等效高度不小于13 mm，傳感器的平均等效高度應通過GTEM平臺的驗證試驗。GTEM小室，全稱吉赫茲橫電磁波小室(giga hertz transverse electricmagnetic cell,GTEM-CELL)，由帶狀金屬隔板為內導體、矩形徽面喇叭狀為外導體構成的一種矩形截面傳輸線。用于在直流到數吉赫茲頻率范圍內，對電子設備進行輻射電磁場抗感染性試驗和輻射電磁場發射測量。

2 系統關鍵技術

2.1 局放信號類型診斷

GIS中的局部放電信號主要分為浮動電極、空穴/污穢、自由粒子和導體尖端(電暈)幾種，具有明顯的相位特征[2-5]。

(1) 浮動電極放電信號特征：松動金屬部件產生的局部放電，表現形式像一個放電電容器，具有很高的幅值(>100 pC)，放電脈沖幅值穩定，且相鄰放電時間間隔基本一致。

(2) 空穴/污穢放電信號特征：固體絕緣內部開裂、氣隙或表面污穢等缺陷引起的放電。放電次數少，周期重復性低。放電幅值也較分散，但放電相位較穩定。

(3) 自由粒子放電信號特征：GIS中的微小的金屬物體例如金屬碎屑粒子在高電場的作用下移動，導致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局部放電。放電幅值分布較廣，放電時間間隔不穩定，自由粒子的移動表現出隨機性，在整個工頻周期和工頻相位均有放電信號分布。

(4) 導體尖端放電信號特征：處于高電位或低電位的金屬毛刺或尖端，由于電場集中，產生的SF6電暈放電。放電次數較多，放電幅值分散性小，時間間隔均勻，通常僅在工頻相位的半周出現。

GIS局放在線智能診斷系統基于多年積累的GIS局部放電的真實有效數據，對干擾信號和典型缺陷譜圖進行特征提取、辨識，通過專家分類算法、模糊邏輯學、人工神經網絡，遺傳算法和干擾濾波器，形成了一個高度準確的混合專家診斷系統。通過現場采集接收到的特高頻信號，比對信號的相位特征、幅值大小自動判斷監測到的局放類型并進行分類。

從統計學角度來說，樣本數越多，統計結果越準確。GIS局放在線智能診斷系統盡可能多的收集樣本信息，事件數據是所有超過門限參數的信號的記錄。這個數據可以幫助指示出信號是連續性的還是間歇性的，專家診斷系統可準確的確定引起信號的最可能的原因，對GIS的狀態進行準確的判定。

2.2 數據展示

信號脈沖圖譜作為統計工具，是確認局部放電及判斷放電類型的重要依據。GIS局放在線智能診斷系統自動統計和繪制各類信號脈沖圖譜并展示，為GIS設備運行狀態提供依據。

2.2.1 PRPS圖譜

PRPS圖譜為三維圖譜，將脈沖信號按照工頻相位-幅值-工頻周期三個維度進行繪制。PRPS圖譜記錄了最近若干個周期脈沖信號的工頻相位-幅度分布情況。GIS局放在線智能診斷系統展示實時動態PRPS圖譜，可以幫助用戶了解幅值、相位特征、信息密度。

2.2.2 PRPD圖譜

PRPD圖譜為三維圖譜，將脈沖信號按照工頻相位-幅值-脈沖數三個維度繪制。PRPD圖譜可以看成是PRPS圖譜在工頻周期-幅值平面上的長時間累積，是判斷局部放電類型的重要依據。當在PRPS實時圖譜上查看到局放信號后，運行人員可以選擇查看該傳感器歷史累積的PRPD圖。

2.2.3 專家診斷結果

每個事件的專家診斷結果，是根據累計15 min的采集數據經過由專家診斷系統自動識別并給出的結果，顯示的百分比為信號類型的可能性。統計數據量越大結果越準確，巡檢人員可以選擇“累積數據”功能，對有疑似局部放電信號的特高頻傳感器通道的數據進行選擇(4 h或1天，數據量大小可以根據范圍選擇)，診斷結果更準確，有助于巡檢判斷。

2.2.4 歷史數據查看

歷史數據圖可以表現為表格形式或曲線圖形式，每個采集點間隔為15 min。在曲線圖中X坐標為時間，Y坐標為幅值，歷史數據查看范圍可以根據實際需要選擇查看時間和傳感器進行查看。當GIS內部發現局部放電且未對GIS進行拆解時，運行人員選擇測試到局放信號的傳感器，選取從發現局部放電信號開始至查看日的歷史數據，通過曲線的變化，判斷該信號是否惡化，進而制定停電檢修計劃。

2.3 多局放源識別

在GIS設備運行過程中，在一個傳感器測試范圍內，不同位置可能存在多個局部放電信號，多個局部放電信號疊加，對局放在線監測系統的判斷造成極大干擾,存在漏檢或誤判的情況，對此需要收集詳實的數據信息。現場采集單元根據輸入脈沖信號的電平自動觸發并完成信號的捕獲，同時計算脈沖的幅值、功率、頻次、首半波時長、全時長等參數，并記錄工頻相位、到達時間、原始波形等信息。

現場采集單元對于捕獲到的每一個脈沖，計算其首個半波時長T1(ns)和全時長T2(ns)。對于不同放電源發出的脈沖信號，其T1和T2通常是不相同的，因此可以通過脈沖在T1-T2平面的分布位置不同分離不同放電源信號，實現多局部放電源的檢測和識別。

2.4 局部放電自動定位

局部放電源的精確定位，常用的方法有“幅度比較法”和“時差比較法”。GIS局放在線智能診斷系統使用“時差比較法”對GIS中的局部放電源進行自動定位。

2.4.1 幅度比較法

通過比較2只不同位置的傳感器接收到的信號幅值來判斷放電源的位置，認為距離信號源更近的傳感器接收到的信號幅值更大。這種定位方法可以作為參考，但也有局限性。原因是GIS的結構對信號傳輸時的衰減影響較大，有時會使得距離局部放電源近的傳感器接收到的信號反而小。

2.4.2 時差比較法

通過計算放電脈沖到達2個傳感器的時間差來計算局部放電源的位置，如圖1所示。在SF6介質中，局部放電射頻信號以光速傳播，速度約為0.3 m/ns。可以將檢測儀器通過2根等長的同軸電纜連接至2個傳感器，在已知2個傳感器之間距離的情況下，當局部放電源位于2個傳感器之外時，放電信號到達兩傳感器的時間差乘傳播速度應等于兩傳感器的間距；當局部放電源位于兩個傳感器之間時，放電信號到達兩傳感器的時間差乘傳播速度應小于兩傳感器的間距，此時使用以下公式可計算出局部放電源到先收到信號的傳感器的距離。

圖1 時差比較法原理

式中，d為局部放電源距離先收到信號的傳感器1的距離(m)；D為傳感器1和傳感器2間的距離(m)；t為局部放電脈沖到達兩傳感器時間差(ns)。

時差比較法技術難度較高，對于脈沖起始位置的檢測、時間差的計算和定位結果的統計均有很高的技術要求。現場采集單元內置精確時鐘，可以記錄所有通道中每個脈沖到達的時間(ns級)。如圖2所示，傳感器1和傳感器2捕獲到局部脈沖信號，現場采集單元對脈沖信號進行預處理，保存了每個通道每個脈沖的精確到達時間。在定位時，其針對傳感器1中的每個脈沖，在傳感器2中查找與其到達時間接近的脈沖配成一對，并根據設置的傳感器間距自動計算這一對脈沖的時間差，得出一個定位結果。對所有脈沖全部計算后即得到沿傳感器間距范圍內的統計分布結果，顯示在定位結果統計欄。當多個現場采集單元進行同時連接時，現場采集單元通過光纖進行ns級授時，實現不同現場采集單元之間采集的局部放電信號準確定位。

圖2 定位邏輯

3 應用實例

GIS局放在線智能診斷系統已成功應用于某變電站220 kV GIS場地，GIS為河南平高電氣股份有限公司生產，2016年制造，雙母線結構，主母線共箱，出線三相分箱，一共7個間隔(2個出線間隔，2個主變間隔，1個母聯間隔，2個PT間隔)，所有間隔絕緣盆子都不帶金屬屏蔽環安裝，配置21個傳感器，4個現場采集單元，實現220 kV場地GIS設備局部放電信號在線狀態監測、實時數據采集、放電類型識別、數據分析、局部放電定位、數據信息圖表化等功能。

相比傳統GIS在線監測系統，此次研發的GIS局放在線智能診斷系統能實現局部放電信號準確識別、及時告警、局部放電信號定位，減少了繁復的人工定位工作，具備更好的人機交互效果，能為變電站運行人員提供更直觀、智能的技術支持。

4 結束語

GIS局放在線智能診斷系統通過GIS內局部放電的特征，基于特高頻檢測法、時差比較法等原理，運用局放信號類型診斷技術、多局放源識別技術、局部放電自動定位技術、成功實現了對GIS內部局部放電信號的監測。系統對局放類型識別準確，數據展示完善，可為持續監控GIS運行狀態、開展狀態檢修提供數據支撐，提高了GIS局放在線監測系統的巡維技術水平。該系統在變電站的應用驗證了系統的實用性及有效性。