暫態地電位測試新方法

連偉華王洪濤李 威

（1.河南恩湃電力技術有限公司，河南 鄭州 450016；2.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450052；3.國網河南平頂山供電公司，河南 平頂山 467001）

暫態地電位測試新方法

連偉華1王洪濤2李 威3

（1.河南恩湃電力技術有限公司，河南 鄭州 450016；2.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450052；3.國網河南平頂山供電公司，河南 平頂山 467001）

基于暫態地電位、局放測量技術，設計并制作暫態地電位測量傳感器。使用信號發生器和示波器，對該傳感器的性能和靈敏度進行測試，根據測試數據分析，對傳感器加以改進。應用該傳感器對GIS的局放信號進行測量，并對測量結果進行記錄和分析。暫態地電位測量法對高壓電氣設備、封閉式高壓開關等進行局部放電在線監測，實時采集暫態電壓脈沖信號，判斷被檢測設備的絕緣狀態，以便及時消除設備缺陷和隱患。

暫態地電位；局放測量；傳感器；GIS

電力系統中電氣設備都處于一個特殊的電磁環境中，電磁干擾通過各種形式傳導和耦合，時刻都有可能危及電氣設備的安全。變電站地電位升高對一次設備、二次設備和通信設備等危害極大，一直是危害電力系統安全穩定運行的重要因素之一。長期以來，國內外對電站地電位升高的產生機理、特性和傳播方式的研究從未間斷過。

暫態地電位測量法是一種新的技術方法，高壓電氣設備發生局部放電一般分為外部放電和內部放電2種［1］。外部放電是指放電量往往先聚集在與接地點相鄰的接地金屬部位，形成對地電流，通過設備的金屬外殼表面傳到地下；內部放電是指放電量聚集在接地屏蔽的內表面，電壓、電流脈沖沿GIS金屬外殼的內表面傳播，同時產生一個暫態電壓［2］。因此，如果屏蔽是連續時，很難檢測到放電信號，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位出現破損而導致不連續，高頻信號從這些部位傳輸到設備屏蔽外殼而被檢測出來。

鑒于此，本文基于暫態地電位、局放測量技術，設計并制作暫態地電位測量傳感器。然后使用信號發生器和示波器，對該傳感器的性能和靈敏度進行測試，根據測試數據分析，對傳感器加以改進。應用該傳感器對GIS的局放信號進行測量，并對測量結果進行記錄和分析。

1 暫態地電位測量特點

暫態地電位測量技術已經在國內外受到了越來越多的重視及運用。總的來說，該技術具有以下的特點。一是故障發現及時性。能夠及早發現局放現象，進而采取有效的維護處理措施，可有效避免停機故障發生，避免設備損壞。二是檢測方便易行。能夠在設備帶電運行的狀態下進行，在線或者離線的局放監測都無需將設備停機，只要在設備承受工作電壓的情況下即可進行監測，提高設備可用率，提高用戶供電可靠性。三是故障定位準確。在線監測與離線監測的結果相同，準確的定位可顯著縮短維修時間，對于降低維修成本具有重要意義［3］。四是抗干擾性。監測靈敏度大大提高，抗干擾能力強，能夠識別故障類型。

暫態地電位測量法能夠實現對于封閉式高壓開關設備進行局部放電信號的在線監測，與傳統的測試方法相比，更能夠提高發現設備絕緣缺陷的概率，同設備巡視進行局放監測相結合，更體現出巡視有效性，發現缺陷并及時消除，為最終實現長周期巡視提供技術方案和技術支持，為以后設備狀態檢修提供可靠的數據分析和理論依據，確保設備常態化運行，保證供電安全［4，5］。

2 暫態地電位測量原理

暫態地電位測量法是一種新的技術方法。局放發生時，外部放電量往往先聚集在與接地點相鄰的接地金屬部位，形成對地電流，通過設備的金屬外殼表面傳到地下。局放引起脈沖沿GIS金屬外殼的內表面傳播，當屏蔽是連續時，放電信號很難傳出。但遇開口、接頭等處的縫隙時就會傳出設備，此時電壓、電流脈沖信號沿著金屬外殼的外表面傳播至大地。其特征為：瞬時電壓值變化范圍在毫伏到伏之間；存在時間較短；上升時間為納秒級［6］。依據這些特征，故采用電容性探測器來檢測放電脈沖，將探頭放在正在工作的GIS外面。此暫態地電位法檢測法為非侵入式檢測局部放電活動，其工作原理如圖1所示。

3 暫態地電位測量設計方案

項目的設計方案主要包括3個方面，一為傳感器設計方案，二為傳感器性能試驗方案，三為GIS試驗設計方案［7］。

3.1 傳感器設計方案

3.1.1 傳感器結構。GIS金屬外殼表面本身涂有一層絕緣涂膜（如絕緣油漆等），即可作為絕緣薄膜，根據外復電極法的原理，外殼與金屬電極之間要形成小電容，所以在絕緣薄膜外再敷設一個薄銅片作為金屬電極，以滿足外復電極法的基本原理（見圖2），該金屬電極與絕緣薄膜之間形成一個小電容C0。當局放電引起的脈沖信號通過小電容C0耦合到設置的檢測阻抗R0上（見圖3），再經過放大檢查出來，而小電容C0和監測阻抗對低頻信號起到一定的隔離作用，通過電容測量到的信號是泄露出的流動波所產生的電壓差。此方法由于檢測阻抗一段接電容，另一端接地，形成大環路，易受外界干擾。改進方法是將2個電容傳感器置于絕緣體的一側，一個與絕緣薄膜之間形成一個小電容C0，另外一個形成耦合電容C1（見圖4）。

圖1 國內棉紡染整廢水處理典型工藝圖1 國內棉紡染整廢水處理典型工藝

圖2 外復電極法的基本原理

圖3 阻抗耦合檢測

為了方便設計制作的傳感器在GIS上的應用試驗，可以用粘合劑（AB膠）把銅片粘在一段長約25cm的粘條上，由于粘條較窄，可以將2條并列粘在銅片上，中間約5mm的縫隙恰好可以留出焊點位置，這樣傳感器就可以更方便地固定在GIS表面。同時，為了對GIS上放電信號進行測量，就必須能讀取信號，為此對傳感器結構進行改造。首先，在銅片中央粘條縫隙處用錫焊上一條導線，導線另一頭伸入一小金屬罩內，并與金屬罩的一端已固定好的BNC接頭輸入端相連。其次，把電容C1焊接在BNC接頭的輸入端與地端之間。這樣測量信號就可以通過BNC接頭直接接入示波器，便于實驗數據的讀取，如圖4所示。

圖4 傳感器結構圖

3.1.2 傳感器的參數設置。根據外復電極法的原理，C0為絕緣薄膜與金屬電極之間的等效電容，其電容值大小與金屬電極面積（銅片大小）有關。C0的值與金屬電極面積（銅片大小）成正比，金屬電極（銅片）表面積越大，則C0的值越大，接收電信號越強，效果就越好，但此時C0上分壓U0太小，易受外界干擾，不容易被測量到且測量誤差較大。但如果銅片表面積太小，C0的值就越小，此時雜散電容的影響較為嚴重且很難消除。因此，C0的值應取適當的值，既能使電壓大小滿足測量的要求，又能較好地避開雜散電容的影響。根據經驗，項目可取銅片表面積為5cm×10cm。為方便計算，將傳感器結構圖合理科學地表示為等效電路圖，如圖5所示。

圖5 傳感器結構的等效電路圖

由串聯電容分壓公式得出：

表1 傳感器的材料參數表

綜上所述，基于暫態地電位技術的基本原理，繪制了傳感器的結構圖及其等效電路圖，并計算出了傳感器的材料參數，由此確定了傳感器的設計方案。

3.2 傳感器性能試驗的設計方案

項傳感器根據以上設計方案制作，并對傳感器性能試驗設計，對其性能進行測試，以便滿足GIS實驗的要求。本設計方案主要包括三方面的內容，一是設備選型，二是信號測量和收集，三是數據處理分析。具體的方案如下。

3.2.1 設備選型。基于實驗精度和數據分析方便性的要求，本試驗選用的設備儀器有SPF40型函數信號發生器（100μHz～40MHz）、RIGOL DS1102E型數字示波器及BNC頭鱷魚夾測試線。

3.2.2 信號測量和收集。為了提高傳感器的適用性，本方案分為正弦信號和脈沖信號兩部分。兩者分別采用函數信號發生器輸入50K～30MHz的正弦掃頻信號和上升沿與脈寬都較短的脈沖信號，并測量傳感器對一般適用性的正弦信號和模擬局放的脈沖信號的傳輸特性與靈敏度，并對數據進行存儲。

3.2.3 數據處理與分析。首先，用MATLAB軟件對3.2.2中存儲的信號數據進行快速傅立葉變換（FFT），并對變換結果進行判斷。若數據的FFT結果符合實驗要求，則予以采納；否則，查找原因并返回3.2.2的相應步驟，重復測試該數據。然后，根據FFT結果，繪制出傳感器基于正弦信號的傳輸函數的幅頻特性和相頻特性或者輸入輸出關系特性，并進行分析總結。

3.3 暫態地電位傳感器在GIS上的應用設計方案

在初步完成對傳感器的性能測試，并對所設計制作的傳感器的各方面性能有所把握以后，該傳感器將被進一步應用于GIS上進行測試試驗。具體的設計方案包括：①根據實驗原理，結合實際情況，選擇相應的實驗設備，并設計線路連接方案；②根據暫態地電位信號產生的原理，在GIS上選擇若干測試點，進行正弦信號和脈沖信號的測試；③使用示波器記錄下實驗數據，并用MATLAB軟件對數據進行處理。

4 結論

該設計方案較為合理，能滿足實驗的要求。方案中對傳感器性能的測試是整個實驗的基礎，對于后期傳感器在GIS上應用實驗結果的優劣有相當重要的作用。采用函數信號發生器在GIS上產生正弦及脈沖信號后，使用改造后的暫態地電位傳感器對GIS表面的電信號進行測量，進而得到該傳感器在GIS上的特性曲線和頻帶寬度。用MATLAB軟件對數據處理與分析，并對變換結果進行判斷。

［1］李文書.封閉式組合電器GIS在線監測系統的設計與研制［D］.北京：清華大學，2005.

［2］盧毅，松浦土.GIS局部放電的非接觸在線監測［J］.高電壓技術，1997（13）：6-8.

［3］李曉春.傳感器信號調理電路電磁兼容性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2008.

［4］王勝輝.變壓器局部放電在線監測高數數據采集系統的研究［D］.北京：華北電力大學，2003.

［5］張麗娜，李廣達.GIS局部放電檢測儀的在線檢測技術［J］.電氣制造，2008（8）：60-63.

［6］邱向群.GIS中局部放電檢測技術［J］.電工技術雜志，1994（1）：2.

［7］邱華，邱毓昌.GIS中局部放電測量用超高頻方法的研究［J］.高電壓技術，2004（10）：19-20.

A New Method of Transient Ground Potential Test

Lian Weihua1Wang Hongtao2Li Wei3
（1.Henan EPRI Electric Power Technology Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450016；2.Electric Power Science Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450052；3.State Grid Henan Pingdingshan Power Supply Company，Pingdingshan Henan 467001）

Based on the transient ground potential and the PD measurement technique,the sensor for measuring the transient ground potential was designed and fabricated.Using signal generator and oscilloscope,the performance and sensitivity of the sensor were tested,and the sensor was improved according to the test data analysis.The sensor was used to measure the PD signal of GIS,and the measurement results were recorded and analyzed.Transient ground po?tential measurement method was used in the on-line monitoring of partial discharge in high voltage electrical equip?ment,closed type high voltage switch and so on,real-time acquisition of transient voltage pulse signal was detected to judge the insulation state of the device,in order to eliminate equipment defects and hazards.

transient ground potential；partial discharge measurement；sensor；GIS

TM835

A

1003-5168(2016)09-0131-03

2016-08-13

連偉華（1983-），男，本科，助理工程師，研究方向：過電壓。