基于UHF法的SF6斷路器局部放電測試系統(tǒng)在組合電器上的應(yīng)用

盧 謙，趙書濤，劉海生，董小英

（1.華北電力大學(xué)，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(tǒng)中承擔(dān)切斷故障電流的重要作用，以SF6氣體為絕緣介質(zhì)的斷路器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，大大提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。然而由于運(yùn)行環(huán)境惡劣和運(yùn)行時(shí)間的變化，SF6斷路器難免出現(xiàn)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(jìn)行局部放電在線監(jiān)測是一種重要技術(shù)保障手段，近年來出現(xiàn)的超高頻（UHF）法，由于其具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在局部放電監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)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(shè)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(shè)備局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對保定供電公司所屬220kV張豐變電站的SF6斷路器進(jìn)行現(xiàn)場帶電檢測，設(shè)計(jì)了一套基于UHF檢測原理的SF6斷路器局部放電測試系統(tǒng)，為帶電設(shè)備運(yùn)行狀況提供了一種準(zhǔn)確、有效的檢測手段［7－8］。

1 電氣設(shè)備的局部放電特點(diǎn)

局部放電所產(chǎn)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(qiáng)度有關(guān)。SF6氣體或絕緣油所產(chǎn)生的脈沖電流波形，具有納秒級的脈沖陡度，脈沖持續(xù)時(shí)間介于1～100ns之間，因此可產(chǎn)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(shù)，則是在300～1 500MHz寬頻帶內(nèi)接收局部放電所產(chǎn)生的超高頻（UHF）電磁脈沖信號。由于UHF信號傳播時(shí)衰減很快，故被測設(shè)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(shè)備內(nèi)部的局部放電信號窄，其強(qiáng)度也會(huì)隨頻率增加而迅速下降，到達(dá)被測設(shè)備附近或內(nèi)部的UHF分量相對較少，從而避開絕大多數(shù)的空氣放電脈沖干擾［9］。

2 UHF局部放電測試系統(tǒng)

2.1 局部放電測試系統(tǒng)的現(xiàn)場要求

斷路器內(nèi)PD脈沖所含頻率成分范圍較廣（從直流到超過1GHz），持續(xù)時(shí)間極短，僅有幾個(gè)ns，具有極短的波頭上升時(shí)間（1ns左右），這種具有快速上升時(shí)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(guān)鍵部件，為了有效接收并傳輸PD信號，被要求在足夠?qū)挼念l段內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)特性，并且能夠響應(yīng)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(shè)備傳感器接口位于盆式絕緣子處，可以直接購買現(xiàn)成的、匹配的UHF傳感器探頭，既經(jīng)濟(jì)又達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。另外，技術(shù)人員對數(shù)字示波器比較了解，示波器顯示的數(shù)據(jù)比較直觀，所以在數(shù)據(jù)顯示上，選擇了寬帶數(shù)字示波器，最后，數(shù)據(jù)傳輸直接通過GPIB接口接入計(jì)算機(jī)，簡單明了，也滿足現(xiàn)場的要求。

2.2 局部放電測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

UHF局部放電監(jiān)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(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)等組成，如圖1所示。

圖1 UHF局放測試系統(tǒng)

圖中寬帶數(shù)字示波器可以用來采集記錄和分析采集到的UHF信號。數(shù)字示波器以數(shù)據(jù)文件格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行圖譜簡單分析和圖像存儲(chǔ)，還可以通過GPIB通信接口與計(jì)算機(jī)相連。

3 實(shí)例分析

3.1 現(xiàn)場測試試驗(yàn)

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

圖2 異常部位示意

在“母聯(lián)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(diǎn)①～○13（母線筒上部分支第1個(gè)絕緣子）均存在放電信號。

在測試過程中發(fā)現(xiàn)，所測信號圖譜基本一致，并具有以下特征：信號連續(xù)出現(xiàn)；從主要測試點(diǎn)⑧～⑩往兩側(cè)及間隔上部測試，信號明顯衰減變小；單個(gè)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(guān)性，如圖4所示。

圖3 單個(gè)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(jié)束后由GPIB通信卡通信，主動(dòng)傳到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)一步對數(shù)據(jù)處理和管理。

3.2 放電定位功能實(shí)現(xiàn)

在示波器上實(shí)現(xiàn)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(diǎn)、CH2探頭置于④測點(diǎn)，記錄并上傳此時(shí)放電信號到計(jì)算機(jī)。測試位置示意見圖5。

圖5 測試位置示意

2個(gè)傳感器探頭之間距離為7.8m，設(shè)放電信號源與④測點(diǎn)的距離為x，到⑩測點(diǎn)的距離為y，由計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)及其頻譜，首先確定2個(gè)傳感探頭檢測到的放電信號點(diǎn)，并計(jì)算2個(gè)同步通道對應(yīng)信號點(diǎn)時(shí)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(jì)算結(jié)果表明：放電信號源位于“母聯(lián)間隔”的“Ⅱ母線”內(nèi)U相附近。

將傳感器CH1探頭置于⑩測點(diǎn)、CH2探頭置于⑦測點(diǎn)，該次測得信號時(shí)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(jì)算結(jié)果表明：放電信號源位于“母聯(lián)間隔”的“Ⅱ母線”內(nèi)U相附近。

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

3.3 放電類型分析

超高頻測試發(fā)現(xiàn)存在明顯放電信號，通過軟件處理發(fā)現(xiàn)，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(shù)據(jù)明顯較大，分析認(rèn)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)明顯較大。經(jīng)軟件分析認(rèn)為是尖端放電，如圖8所示。

圖8 尖端放電

測試員通過現(xiàn)場分析認(rèn)為：GIS側(cè)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(jié)果及建議

綜上所述，所測到的信號具備了所有GIS內(nèi)部局部放電的特征，可確定在“母聯(lián)間隔”的“Ⅱ母線”內(nèi)U相附近存在內(nèi)部局部放電，因此建議調(diào)整運(yùn)行方式，將“Ⅱ母線”轉(zhuǎn)入不帶電狀態(tài)；根據(jù)運(yùn)行需要，安排計(jì)劃進(jìn)行拆查。

實(shí)際操作中，綜合考慮到定位誤差、拆查范圍及經(jīng)濟(jì)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(diǎn)間的波紋管處打開該段母線，檢查內(nèi)部是否有絕緣件表面閃絡(luò)、金屬表面毛刺、連接松動(dòng)等外觀異常并處理；同時(shí)，對“母聯(lián)間隔”及其左右相鄰1.5m的“Ⅱ母線”母線筒內(nèi)的9個(gè)絕緣件全部進(jìn)行更換。更換完成并恢復(fù)后，對該段母線重新進(jìn)行耐壓、局放等測試試驗(yàn)，以驗(yàn)證恢復(fù)后絕緣狀態(tài)正常。

4 結(jié)束語

超高頻法用于局部放電測量的技術(shù)，彌補(bǔ)了目前GIS設(shè)備例行試驗(yàn)方法的不足，使得對斷路器的局部放電檢測更加準(zhǔn)確有效。結(jié)合保定所轄變電站GIS設(shè)備實(shí)際情況設(shè)計(jì)的SF6斷路器局部放電測試系統(tǒng)，通過在保定供電公司220kV張豐變電站進(jìn)行現(xiàn)場測試，驗(yàn)證了其有效性和相關(guān)分析方法的正確性。

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