超高頻法檢測GIS局部放電

秦錕

(云南電網公司保山供電局,云南 保山 678000)

超高頻法檢測GIS局部放電

秦錕

(云南電網公司保山供電局,云南 保山 678000)

介紹了GIS設備幾種常規的局部放電檢測方法的優缺點,對超高頻法檢測原理、定位原理、抗干擾原理進行了闡述,分析了超高頻法檢測GIS局部放電的的技術關鍵。

GIS；局部放電；超高頻法；帶電檢測；天線

1 前言

近年來,GIS變電站的數量不斷增加,GIS設備的運行電壓高、內部空間極為有限,導致設備的工作場強很高。設備中絕緣裕度相對較小,在嚴格控制的環境條件下,設備中SF6氣體的擊穿強度可望達到相當高的水平,但實際通常達不到。加強和完善GIS設備交接試驗以及運行檢測,對保障GIS設備的安全運行具有重要意義。研究表明,局部放電既是絕緣劣化的原因,又是絕緣劣化的先兆和表現形式,對GIS局部放電現象進行檢測是非常必要的。

2 GIS設備內部典型的缺陷

1)絕緣缺陷,如生產過程中,由于工藝不合格,造成殘存在盆式絕緣子內部或與導體交界處的氣隙。

2)殘留的絕緣表面金屬顆粒。這是GIS較為普遍存在的一種缺陷,一般是由于制造、安裝等原因造成的。

3)導體表面存在突出物。這種缺陷易發生電暈放電,在一定沖擊電壓下可能導致絕緣擊穿。

3 常規的局部放電檢測法

GIS設備中的局部放電會在GIS設備外殼上產生流動的超高頻電磁波信號,使接地線上有高頻放電脈沖電流流過,從而導致外殼對地呈現高頻電壓并向周圍空間傳播。

1)化學法：在GIS設備內部電弧放電的作用下,部分SF6氣體會發生分解,根據相關氣體的濃度,可以判斷GIS設備內部放電狀況的嚴重程度。化學法優點是檢測結果不受外界電磁干擾的影響。化學法缺點是：GIS設備中的吸附劑和干燥劑可能會嚴重影響化學方法測量的準確性；短脈沖放電不一定能夠產生足夠的分解物；斷路器動作時產生的電弧亦會影響測量等。

2)內部電極法：共有兩種內部電極法,其一是將GIS法蘭稍加改造,在法蘭內部加裝金屬電極,該電極與外殼構成耦合電容,以此電容傳感器提取局部放電的脈沖信號。其二是在盆式絕緣子內靠近接地端預先埋設一個電極,由此與外殼構成耦合電容。內部電極法受客觀條件限制,內電極只能在廠家生產過程中預埋設,現場安裝往往不易實現。另外,內部電極法易受外界干擾。

3)外復電極法：在GIS外殼上敷設絕緣薄膜和金屬電極,外殼于金屬電極形成的小電容耦合到檢測阻抗上,經放大后被檢測出來。這種方法的優點是結構簡單、較為實用,但缺點是易受外界干擾,特別是電網中自然存在的各種脈沖型信號的干擾。

4)脈沖電流法。該方法是在GIS設備的接地線上加裝脈沖電流傳感器。這種方法測量頻率低,頻帶窄,包含信息量不足而且現場抗干擾能力差,因此該方法的應用具有局限性。

5)超聲波法。該方法是利用安裝在GIS設備外殼上的超聲波傳感器接收局部放電產生的振動信號以達到檢測內部局部放電的目的。超聲波法的優點是傳感器與GIS設備的電氣回路無任何聯系,不受電氣方面的干擾。缺點是檢測靈敏度不是很高,有效檢測范圍仍然較小,完成一個較大規模GIS變電站的檢測通常需要數天的時間,檢測效率低,而且現場中存在不少其他原因引起的外殼振動干擾,會影響檢測精度。

總體而言,常規局部放電檢測方法用于局部放電在線檢測時,或是干擾信號缺乏識別依據,或是影響GIS的正常運行等。因此,上述局部放電測量方法在現場的應用受到很大限制。

4 超高頻法檢測GIS局部放電

4.1 超高頻法的優越性

1)抗干擾能力強。GIS設備以外的干擾信號,其頻譜范圍較GIS設備內的局部放電信號要窄得多,一般認為頻率在150 MHz以下,信號在傳播過程中衰減很快,對GIS設備局部放電測量裝置影響很小。采用超高頻檢測方法可有效避開各種干擾信號,提高GIS局部放電測量的信噪比。

2)可實現局部放電定位。根據電磁脈沖信號在GIS內部傳播具有衰減的特點,利用傳感器接收信號的幅值大小,可以進行GIS設備故障定位。

3)檢測效率高。超高頻法檢測GIS局部放電的有效檢測范圍較大,檢測點較少,檢測效率高。

4)檢測靈敏度高。GIS設備的同軸結構非常適合特高頻電磁信號傳播,能夠實現良好的檢測靈敏度。

4.2 檢測方法

通過采用外部天線接收GIS設備內局部放電時發出的電磁波信號來檢測局部放電,在近年得到了迅速發展。GIS局部放電的超高頻傳感基本屬于近場 (感應場),而非遠場 (輻射場),其接收傳感器單元廣泛選擇平面螺旋天線。為了保證傳感器單元在有效的頻帶內具有近乎不變的檢測靈敏度,研究選用平面等角螺旋天線。

平面等角螺旋天線的結構示意圖如圖1所示。

圖1 平面等角螺旋天線結構示意圖

上述天線在檢測頻帶內具有基本不變的阻抗特性和方向特性,因此對不同頻率的局部放電信號具有幾乎一致的檢測靈敏度。同時,該天線的頻帶參數完全由其始端和終端到中心的距離確定,是一種與結構參數密切相關的傳感器。通過合理的選擇結構參數,可以保證接收天線具備合適的檢測頻帶范圍。

4.3 超高頻檢測技術

1)超高頻法檢測原理：局部放電是絕緣缺陷處的局部擊穿,同時會產生一個前沿很陡的脈沖電流,并以電磁波的形式向周圍輻射傳播。局部放電的擊穿過程越快,脈沖電流的前沿陡度越大,則輻射電磁波的頻率越高。SF6氣體的絕緣強度遠高于空氣,因此相同形狀的放電間隙,在SF6氣體中發生放電所產生的電磁波頻率要遠高于普通的空氣中放電。GIS產生的局部放電信號的頻率范圍位于超高頻段,約為300 MHz～1.5 GHz。

當GIS設備內部存在局部放電現象時,所產生的超高頻電磁波能夠沿著GIS設備的管體向遠處傳播。GIS設備的管體結構類似于波導,超高頻電磁在傳播時的衰減比較小,因此能夠傳播到較遠的距離。但是,通常在GIS設備管體的拐彎、T形連接、盤式絕緣子和電流互感器的引出端處會有比較明顯的衰減。

由于導體支撐和氣室隔離的需要,GIS設備內部有很多的盤式絕緣子安裝在連接法蘭之間。盤式絕緣子使金屬法蘭盤之間存在一個很小的絕緣縫隙,當GIS內部的超高頻信號傳播到盤式絕緣子處時,部分信號會通過此絕緣縫隙輻射到GIS設備的體外。該信號不是簡單的通過縫隙從GIS設備內部傳播到外部,超高頻信號流過GIS殼體時在縫隙處會產生二次輻射,且縫隙寬度不會對輻射強度產生決定性影響。因此,在GIS設備體外的盤式絕緣子處安放天線,則可以傳感到GIS設備內部的超高頻局部放電信號。

2)超高頻定位原理：在確認GIS設備內部存在放電時,有必要繼續確定放電源的位置,采用幅值比較法可實現GIS放電源的大致定位。

超高頻信號傳播過程中衰減比較快,衰減幅度與傳播路徑的距離直接相關。一般來說,距離放電源越遠,信號衰減就越厲害,能夠檢測到的信號就越弱。將傳感器單元依次放在不同的盤式絕緣子處,并比較各處檢測信號的大小,即可基本判斷出放電源的位置。一般來說,信號最強的盤式絕緣子位置最靠近放電源,如果僅有1個傳感器單元能夠感應出放電信號,則放電源就在該傳感器放置的盤式絕緣子附近。因此,通過比較超高頻放電信號的幅值,即可基本判斷出放電源的位置。

3)超高頻抗干擾原理：電力系統中的干擾信號,包括空氣中電暈放電的干擾主要分布在低于超高頻的頻段。實踐經驗證明,空氣中的電暈放電所產生的脈沖信號主要分布在100 MHz以下。相比之下,SF6氣體中局部放電所產生的脈沖電流具有非常高的陡度,所產生的電磁暫態的頻率甚至能夠達到1 GHz以上。因此,在超高頻頻段進行局部放電信號傳感,可以避開主要的干擾信號,提高局部放電信號傳感的信噪比,做出比較靈敏的反應。

超高頻信號在空氣中傳播時衰減非常快,一處的超高頻信號只能局限在比較小的范圍內,即便是GIS設備鄰近存在其他超高頻干擾源,其影響范圍也很小,不會對遠端的局部放電測量產生干擾影響。因此,采用局部放電超高頻傳感,可以有效減小電力設備之間的干擾。

4.4 技術關鍵

1)局部放電類型識別,通過對局部放電的波形特征、相位特征和頻率特征的綜合分析進行,準確識別GIS局部放電的類型。

2)檢測數據的標定,超高頻傳感的輸出信號幅值不僅與放電源實際的放電量有關,還與局部放電的類型和信號傳播途徑有關,因此不能簡單地僅根據放電信號的幅值來判斷局部放電的嚴重程度。一般來說,放電量的估計需要在可靠的局部放電類型識別和定位的基礎上進行：

a.局部放電的定位。盡可能將超高頻接受天線放在最靠近放電點的盤式絕緣子位置測量,降低傳播途徑衰減對放電量估計結果的影響；

b.放電類型識別。在其它條件相同的情況下,不同的放電類型會導致不同幅值的超高頻傳感。一般來說,同種類型的局部放電存在相同的放電電壓 (mV)-放電量 (PC)同樣的變換關系。

5 應用實例

采用具有超高頻法檢測GIS局部放電功能的局放測試儀對多個變電站進行了GIS局放測試,局放測試儀采用超高頻法,超高頻傳感器安裝在GIS的法蘭盤外部,在某220 kV變電站220 kV側220111號母刀氣室A相靠1號母線側法蘭處測試的圖譜具有比較明顯的局部放電特征,測試圖譜如下：

圖2 GIS實時幅值相位圖譜

分析現場超高檢測結果：由測試圖譜可以看出信號分布聚集,數量相對較多。信號分布于工頻相位的一、三象限,具有明顯的180度對稱信號團,且幅值相對較大。可以據此判斷存在局部放電現象。

Application of High Frequency Method on GIS Partial Discharge Detection

QIN Kun
(Yunnan Baoshan Power Supply Bureau,Baoshan,Yunnan 678000)

This paper firstly introduces advantages and disadvantages of several common partial discharge detection methods for GIS in general terms,and then put forward high frequency detecting technique can effectively check the partial discharge condition of GIS.Afterwards detection principle,location method,anti-interference theory and analysis for the technique’s key points are illustrated concretely.Lastly the paper lists out application of high frequency method in GIS partial discharge.

GIS,partial discharge,high frequency detection method,on-line detection,antenna

TM86

B

1006-7345(2014)02-0057-03