基于特高頻和超聲波聯合GIS局部放電定位方法研究

李章能+楊小磊

摘要：本文根據分析超聲波定位法和特高頻定位法在GIS局部放電研究中的優缺點，采用了超聲波和特高頻的聯合定位的方法進行GIS設備局部放電定位研究。據此，該課題研制了超高頻-超聲陣列傳感器，建立了聲電定位方法系統，進行了相應的實際定位研究。經現場研究表明，該方法能有效的排除現場各類信號干擾，實現運行中的GIS設備局部放電檢測，提高了高壓配電設備的運行檢修效率。

關鍵詞：氣體絕緣組合電器（GIS）；超聲波；特高頻；局部放電；定位

中圖分類號：TM59 文獻標識碼：A

1 GIS局部放電定位技術

1.1 超聲陣列定位法

1）超聲傳播特性

根據聲學理論，聲波在空氣中傳播衰減非常厲害。經過對比研究發現，不同頻率的超聲波在各材料介質中的傳播速度、吸收系數等特性各不相同。

2）超聲陣列定位原理

超聲波定位法的基本理論是通過測量局部放電產生的超聲信號傳播到多個不同位置的超聲陣列傳感器的時延或時間差，根據時延和超聲波傳播速度，利用空間解析幾何的方法計算局部放電源的位置，實現絕緣缺陷定位。超聲定位法主要有V型曲線法、雙曲面定位法、球面定位法、多點定位法以及順序定位法和模式識別定位法等。本文采用波達方向估計實現GIS局部放電定位。

1.2 特高頻定位原理

1）局放特高頻產生原理

在試驗和應用中，封閉組合絕緣電器的局部放電點視為一個點源。當由于毛刺等原因引發局部放電的時候，產生的電磁脈沖隨時間的變化產生電磁波。電磁波遵循基本的麥克斯韋定律。這里的研究引入動態向量位和動態標量位來分析局部放電產生的時變電磁場。

2）UFH局放檢測

該UHF傳感器使用的是等臂阿基米德平面螺旋天線。傳感器前端介質相對介電常數為5.00，工作頻率在500MHz到1500MHz之間，波長對應為：60cm到20.0cm。傳感器的信號變換使用1：4雙孔磁芯變換器。與該UHF傳感器匹配的信號放大器頻譜在0.5～3GHz之間，設計增益最大值為28dB，增益平坦度小于±3dB，輸入阻抗為DC50Ω。

2 定位方法系統

2.1 聯合傳感器制作

本文中使用的GIS局部放電UHF和超聲聯合檢測系統的傳感器結構示意圖如圖1所示。

圖1GIS局放傳感器結構示意圖

該聯合傳感器是將一內置超聲陣列傳感器與UHF特高頻傳感器用環氧樹脂進行封裝。用環氧樹脂主要是其操作方便、固化快和很好的耐油性，而且固化后易于清除，探頭和天線可重復其它試驗。由于超聲陣列傳感器位于UHF傳感器中心位置，超聲陣列傳感器外殼為金屬材料，會對UHF傳感器的性能產生一定影響，信號幅值減小以及傳感器頻帶發生變化。而本文中UHF信號主要是做定性分析，在不作定量分析情況下這種影響可以不作考慮。

2.2 研究系統結構圖

在研究過程中，采用4個聯合傳感器。傳感器分別布置在GIS設備的不同的位置。傳感器接受到的信號經信號放大器之后到達高速示波器。在示波器中顯示得到的信號。再把采樣信號傳到PC機計算系統，計算得到實際的放點位置。

3 定位方法應用研究

根據上述的傳感器結構和研究系統，研究中通過自主研制的聲電聯合檢測系統對該地區的110kV變電站GIS配電裝置進行設備局部放電排查。該地區大部分110kV變電站110kVGIS配電裝置采用內橋接線，110kV進線間隔兩個，主變進線間隔兩個，內橋間隔一個。如下圖2中， ch1通道記錄UHF信號，ch2到ch4通道記錄超聲波信號，示波器通道檔位為：ch1—0.3V/div，ch2到ch4通道—6V/div。

在某個110kV變電站的排查過程中發現，該站GIS存在局部放電。發現后及采用這四組傳感器對該GIS設備進行仔細定位。

圖2 現場定位研究超聲信號

定位過程中發現其中一個氣室存在超聲信號。隨后對該氣室選擇了4個位置進行布點檢測。布點信號采樣過程中發現僅有一組傳感器的特高頻信號和超聲信號比較強烈。如上圖2所示。

信號的采樣中，傳感器以特高頻信號為采樣觸發點。在信號圖中分析發現，以UHF特高頻信號為時間起始點，超聲陣列傳感器信號中直達波的時延Δt=12μs處為超聲信號的脈沖點。根據超聲信號和特高頻信號的傳播特性分析計算得到，在一個傳感器位置導體和絕緣盆連接處13mm對外殼懸浮電位放電。經停電檢修中發現，該點缺陷是由于開關觸頭落實松動螺帽掉落后引起的對外殼的懸浮放電所致，放電點距絕緣盆0.7mm。可見，該定位方法比較準確，有很好的實用性。

結語

該方法通過整合特高頻傳感器和超聲傳感器的合成進行GIS的局部放電定位研究。通過二者的有效結合，對GIS局部放電定位較為準確，能很好的實現設備絕緣狀態的有效監測，為設備運行提供重要的保障。但是也看到，該系統還無法實現設備的在線監測，同時限于傳感器的聯合，定位精度還有提升的空間。

參考文獻

[1]王國利，郝艷捧，李彥明.用于變壓器局部放電檢測的超高頻傳感器的初步研究[J].中國電機工程學報，2002，22(04):154 -160.

[2]王偉，唐志國，李成榕，等.用超高頻(UHF)法檢測電力變壓器局部放電的研究[J].高電壓技術，2003，29(10),32.

[3]羅勇芬，李彥明.用于油中局部放電定位的超聲相控接收陣傳感器的研究[J].西安交通大學學報，2005，39(04):402-406.

endprint

摘要：本文根據分析超聲波定位法和特高頻定位法在GIS局部放電研究中的優缺點，采用了超聲波和特高頻的聯合定位的方法進行GIS設備局部放電定位研究。據此，該課題研制了超高頻-超聲陣列傳感器，建立了聲電定位方法系統，進行了相應的實際定位研究。經現場研究表明，該方法能有效的排除現場各類信號干擾，實現運行中的GIS設備局部放電檢測，提高了高壓配電設備的運行檢修效率。

關鍵詞：氣體絕緣組合電器（GIS）；超聲波；特高頻；局部放電；定位

中圖分類號：TM59 文獻標識碼：A

1 GIS局部放電定位技術

1.1 超聲陣列定位法

1）超聲傳播特性

根據聲學理論，聲波在空氣中傳播衰減非常厲害。經過對比研究發現，不同頻率的超聲波在各材料介質中的傳播速度、吸收系數等特性各不相同。

2）超聲陣列定位原理

超聲波定位法的基本理論是通過測量局部放電產生的超聲信號傳播到多個不同位置的超聲陣列傳感器的時延或時間差，根據時延和超聲波傳播速度，利用空間解析幾何的方法計算局部放電源的位置，實現絕緣缺陷定位。超聲定位法主要有V型曲線法、雙曲面定位法、球面定位法、多點定位法以及順序定位法和模式識別定位法等。本文采用波達方向估計實現GIS局部放電定位。

1.2 特高頻定位原理

1）局放特高頻產生原理

在試驗和應用中，封閉組合絕緣電器的局部放電點視為一個點源。當由于毛刺等原因引發局部放電的時候，產生的電磁脈沖隨時間的變化產生電磁波。電磁波遵循基本的麥克斯韋定律。這里的研究引入動態向量位和動態標量位來分析局部放電產生的時變電磁場。

2）UFH局放檢測

該UHF傳感器使用的是等臂阿基米德平面螺旋天線。傳感器前端介質相對介電常數為5.00，工作頻率在500MHz到1500MHz之間，波長對應為：60cm到20.0cm。傳感器的信號變換使用1：4雙孔磁芯變換器。與該UHF傳感器匹配的信號放大器頻譜在0.5～3GHz之間，設計增益最大值為28dB，增益平坦度小于±3dB，輸入阻抗為DC50Ω。

2 定位方法系統

2.1 聯合傳感器制作

本文中使用的GIS局部放電UHF和超聲聯合檢測系統的傳感器結構示意圖如圖1所示。

圖1GIS局放傳感器結構示意圖

該聯合傳感器是將一內置超聲陣列傳感器與UHF特高頻傳感器用環氧樹脂進行封裝。用環氧樹脂主要是其操作方便、固化快和很好的耐油性，而且固化后易于清除，探頭和天線可重復其它試驗。由于超聲陣列傳感器位于UHF傳感器中心位置，超聲陣列傳感器外殼為金屬材料，會對UHF傳感器的性能產生一定影響，信號幅值減小以及傳感器頻帶發生變化。而本文中UHF信號主要是做定性分析，在不作定量分析情況下這種影響可以不作考慮。

2.2 研究系統結構圖

在研究過程中，采用4個聯合傳感器。傳感器分別布置在GIS設備的不同的位置。傳感器接受到的信號經信號放大器之后到達高速示波器。在示波器中顯示得到的信號。再把采樣信號傳到PC機計算系統，計算得到實際的放點位置。

3 定位方法應用研究

根據上述的傳感器結構和研究系統，研究中通過自主研制的聲電聯合檢測系統對該地區的110kV變電站GIS配電裝置進行設備局部放電排查。該地區大部分110kV變電站110kVGIS配電裝置采用內橋接線，110kV進線間隔兩個，主變進線間隔兩個，內橋間隔一個。如下圖2中， ch1通道記錄UHF信號，ch2到ch4通道記錄超聲波信號，示波器通道檔位為：ch1—0.3V/div，ch2到ch4通道—6V/div。

在某個110kV變電站的排查過程中發現，該站GIS存在局部放電。發現后及采用這四組傳感器對該GIS設備進行仔細定位。

圖2 現場定位研究超聲信號

定位過程中發現其中一個氣室存在超聲信號。隨后對該氣室選擇了4個位置進行布點檢測。布點信號采樣過程中發現僅有一組傳感器的特高頻信號和超聲信號比較強烈。如上圖2所示。

信號的采樣中，傳感器以特高頻信號為采樣觸發點。在信號圖中分析發現，以UHF特高頻信號為時間起始點，超聲陣列傳感器信號中直達波的時延Δt=12μs處為超聲信號的脈沖點。根據超聲信號和特高頻信號的傳播特性分析計算得到，在一個傳感器位置導體和絕緣盆連接處13mm對外殼懸浮電位放電。經停電檢修中發現，該點缺陷是由于開關觸頭落實松動螺帽掉落后引起的對外殼的懸浮放電所致，放電點距絕緣盆0.7mm。可見，該定位方法比較準確，有很好的實用性。

結語

該方法通過整合特高頻傳感器和超聲傳感器的合成進行GIS的局部放電定位研究。通過二者的有效結合，對GIS局部放電定位較為準確，能很好的實現設備絕緣狀態的有效監測，為設備運行提供重要的保障。但是也看到，該系統還無法實現設備的在線監測，同時限于傳感器的聯合，定位精度還有提升的空間。

參考文獻

[1]王國利，郝艷捧，李彥明.用于變壓器局部放電檢測的超高頻傳感器的初步研究[J].中國電機工程學報，2002，22(04):154 -160.

[2]王偉，唐志國，李成榕，等.用超高頻(UHF)法檢測電力變壓器局部放電的研究[J].高電壓技術，2003，29(10),32.

[3]羅勇芬，李彥明.用于油中局部放電定位的超聲相控接收陣傳感器的研究[J].西安交通大學學報，2005，39(04):402-406.

endprint

摘要：本文根據分析超聲波定位法和特高頻定位法在GIS局部放電研究中的優缺點，采用了超聲波和特高頻的聯合定位的方法進行GIS設備局部放電定位研究。據此，該課題研制了超高頻-超聲陣列傳感器，建立了聲電定位方法系統，進行了相應的實際定位研究。經現場研究表明，該方法能有效的排除現場各類信號干擾，實現運行中的GIS設備局部放電檢測，提高了高壓配電設備的運行檢修效率。

關鍵詞：氣體絕緣組合電器（GIS）；超聲波；特高頻；局部放電；定位

中圖分類號：TM59 文獻標識碼：A

1 GIS局部放電定位技術

1.1 超聲陣列定位法

1）超聲傳播特性

根據聲學理論，聲波在空氣中傳播衰減非常厲害。經過對比研究發現，不同頻率的超聲波在各材料介質中的傳播速度、吸收系數等特性各不相同。

2）超聲陣列定位原理

超聲波定位法的基本理論是通過測量局部放電產生的超聲信號傳播到多個不同位置的超聲陣列傳感器的時延或時間差，根據時延和超聲波傳播速度，利用空間解析幾何的方法計算局部放電源的位置，實現絕緣缺陷定位。超聲定位法主要有V型曲線法、雙曲面定位法、球面定位法、多點定位法以及順序定位法和模式識別定位法等。本文采用波達方向估計實現GIS局部放電定位。

1.2 特高頻定位原理

1）局放特高頻產生原理

在試驗和應用中，封閉組合絕緣電器的局部放電點視為一個點源。當由于毛刺等原因引發局部放電的時候，產生的電磁脈沖隨時間的變化產生電磁波。電磁波遵循基本的麥克斯韋定律。這里的研究引入動態向量位和動態標量位來分析局部放電產生的時變電磁場。

2）UFH局放檢測

該UHF傳感器使用的是等臂阿基米德平面螺旋天線。傳感器前端介質相對介電常數為5.00，工作頻率在500MHz到1500MHz之間，波長對應為：60cm到20.0cm。傳感器的信號變換使用1：4雙孔磁芯變換器。與該UHF傳感器匹配的信號放大器頻譜在0.5～3GHz之間，設計增益最大值為28dB，增益平坦度小于±3dB，輸入阻抗為DC50Ω。

2 定位方法系統

2.1 聯合傳感器制作

本文中使用的GIS局部放電UHF和超聲聯合檢測系統的傳感器結構示意圖如圖1所示。

圖1GIS局放傳感器結構示意圖

該聯合傳感器是將一內置超聲陣列傳感器與UHF特高頻傳感器用環氧樹脂進行封裝。用環氧樹脂主要是其操作方便、固化快和很好的耐油性，而且固化后易于清除，探頭和天線可重復其它試驗。由于超聲陣列傳感器位于UHF傳感器中心位置，超聲陣列傳感器外殼為金屬材料，會對UHF傳感器的性能產生一定影響，信號幅值減小以及傳感器頻帶發生變化。而本文中UHF信號主要是做定性分析，在不作定量分析情況下這種影響可以不作考慮。

2.2 研究系統結構圖

在研究過程中，采用4個聯合傳感器。傳感器分別布置在GIS設備的不同的位置。傳感器接受到的信號經信號放大器之后到達高速示波器。在示波器中顯示得到的信號。再把采樣信號傳到PC機計算系統，計算得到實際的放點位置。

3 定位方法應用研究

根據上述的傳感器結構和研究系統，研究中通過自主研制的聲電聯合檢測系統對該地區的110kV變電站GIS配電裝置進行設備局部放電排查。該地區大部分110kV變電站110kVGIS配電裝置采用內橋接線，110kV進線間隔兩個，主變進線間隔兩個，內橋間隔一個。如下圖2中， ch1通道記錄UHF信號，ch2到ch4通道記錄超聲波信號，示波器通道檔位為：ch1—0.3V/div，ch2到ch4通道—6V/div。

在某個110kV變電站的排查過程中發現，該站GIS存在局部放電。發現后及采用這四組傳感器對該GIS設備進行仔細定位。

圖2 現場定位研究超聲信號

定位過程中發現其中一個氣室存在超聲信號。隨后對該氣室選擇了4個位置進行布點檢測。布點信號采樣過程中發現僅有一組傳感器的特高頻信號和超聲信號比較強烈。如上圖2所示。

信號的采樣中，傳感器以特高頻信號為采樣觸發點。在信號圖中分析發現，以UHF特高頻信號為時間起始點，超聲陣列傳感器信號中直達波的時延Δt=12μs處為超聲信號的脈沖點。根據超聲信號和特高頻信號的傳播特性分析計算得到，在一個傳感器位置導體和絕緣盆連接處13mm對外殼懸浮電位放電。經停電檢修中發現，該點缺陷是由于開關觸頭落實松動螺帽掉落后引起的對外殼的懸浮放電所致，放電點距絕緣盆0.7mm。可見，該定位方法比較準確，有很好的實用性。

結語

該方法通過整合特高頻傳感器和超聲傳感器的合成進行GIS的局部放電定位研究。通過二者的有效結合，對GIS局部放電定位較為準確，能很好的實現設備絕緣狀態的有效監測，為設備運行提供重要的保障。但是也看到，該系統還無法實現設備的在線監測，同時限于傳感器的聯合，定位精度還有提升的空間。

參考文獻

[1]王國利，郝艷捧，李彥明.用于變壓器局部放電檢測的超高頻傳感器的初步研究[J].中國電機工程學報，2002，22(04):154 -160.

[2]王偉，唐志國，李成榕，等.用超高頻(UHF)法檢測電力變壓器局部放電的研究[J].高電壓技術，2003，29(10),32.

[3]羅勇芬，李彥明.用于油中局部放電定位的超聲相控接收陣傳感器的研究[J].西安交通大學學報，2005，39(04):402-406.

endprint