1000kV GIS特高頻在線檢測系統設計與應用研究

湯會增陳富安駱亞毫管世鋒魏海浩

（1. 國網河南省電力公司檢修公司，鄭州 450052；2. 河南工業大學，鄭州 450007；3. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

1000kV GIS特高頻在線檢測系統設計與應用研究

湯會增1陳富安2駱亞毫3管世鋒1魏海浩3

（1. 國網河南省電力公司檢修公司，鄭州 450052；2. 河南工業大學，鄭州 450007；3. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

提出了1000kV GIS局部放電特高頻在線檢測系統整體設計方案，檢測系統首先通過信號調理電路對探頭采集到的高頻放電信號進行處理，然后將信息送到以 TMS320單片機為控制核心的信息采集處理單元，最后通過上位機軟件來顯示最終結果。運用該系統對四種絕緣缺陷進行模擬試驗，得出特高頻檢測法的特點。該系統成功發現某1000kV GIS盆式絕緣子故障，工程實際應用效果良好。

特高頻；TMS320；1000kV GIS局部放電；信息處理

1000kV GIS氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）是高壓輸變電工程中的關鍵設備，一旦出現故障，將可能造成電網重大事故發生［1］。絕緣降低是GIS設備故障的主要原因，對GIS進行在線局部放電（Partial Discharge，PD）檢測可有效掌握GIS內部絕緣狀況，預防GIS故障跳閘造成電網事故。GIS內PD發生時，由于電荷轉移產生ns級的電流脈沖和多種頻率的電磁信號，特高頻法（Ultrahigh Frequency，UHF）通過檢測PD發生產生300MHz～3GHz（通常干擾信號在500MHz以下）的局放電磁波來判別PD，是目前監測GIS設備局放的有效方法之一［2-3］。

特高頻局部放電在線監測裝置目前雖然在特高壓工程中普遍應用，但普遍存在在誤報漏報及不報等問題。本文設計的系統在硬件設計方面進行改進，采用中心頻率 400MHz的微帶天線和基于μPC8211芯片為核心的放大電路，通過五階切比雪夫高通濾波器濾來減小外界不同頻率電磁因素的影響，運用對數檢波放大器 ADL5513檢波電路對以幅值和相位為主的信息進行包絡提取及放大，可以提高其傳感器檢測精度和準確性，有效避免誤報漏報現象發生。

1　整體設計

在 1000kV GIS盆式絕緣子上安裝設特高頻探頭（天線），天線實時采集GIS放電信號并將這些信號用光纖傳輸到光中繼站，轉化為電信號后經過放大、處理和存儲后，由上位機軟件進行分析處理，并提供顯示、打印及遠傳。系統故障定位技術采用到達時間差（Time Different of Arrival，TDOA）法，通過對某相同局放電磁信號到達不同傳感器的時間差、幅值進行同步記錄，求出距多個傳感器的距離S1，S2，…，Sn，通過對所求距離的組合分析來確定放電位置。系統結構如圖1所示。

圖1　特高頻檢測系統結構框圖

2　硬件系統

主要硬件組成部分是特高頻天線、光中繼站、LAN前置放大器、HPF濾波電路、檢波電路、多通道數據采集系統和上位機軟件等。特高頻傳感器接收PD的脈沖信號，首先經UHF放大電路，再經過高通濾波和檢波整形電路，將得到單極性寬脈沖信號最終送到采集單元進行處理。主要技術參數如下：外置特高頻天線：帶寬約為340～440MHz，中心頻率約為 400MHz左右，其靈敏度大于-80dB；通道數：48個通道用于監測GIS內部的放電；運用模式：66路采用并行模式；使用電源：AC 220V 500W。

圖2　特高頻傳感器安裝圖

圖3　現場光接收機

2.1特高頻天線

高靈敏度傳感器對局部放電檢測效果影響較大，系統采用中心頻率400MHz外置微帶天線，外觀如圖2所示。據天線貼片在400MHz下的方向圖4可知，θ =0°時，微帶天線方向性最好，因此安裝天線時，應使天線正對GIS盆式絕緣子，以獲得最大的增益。通常還須對其外部加以金屬封閉，以屏蔽空間電磁干擾。

圖4　400MHz的微帶天線的方向圖

2.2LAN前置放大器

局部放電產生的特高頻信號，需要剔除現場噪音及電磁干擾因素。采用以μPC8211芯片為核心的放大電路，電源為3V時，其噪音為1.3dB，增益為18.5dB，功率損耗也比較小，不會產生非線性失真現象。其原理圖如圖5所示。

2.3HPF濾波電路

PD發生會產生300MHz～3GHz電磁波，而通常干擾信號在500MHz以下，因此需要對探頭檢測的 PD信號進行高通濾波處理。采用切比雪夫逼近方法，由低通轉高通設計了五階切比雪夫濾波器，輸入阻抗50Ω，輸出阻抗50Ω，通過對濾波器參數S的設計和仿真優化，最終得到濾波器端口 1反射波與入射波的比值在通帶500MHz處端口反射系是-11.6dB（＜-10dB），能夠滿足要求。其原理如圖6所示。

圖5　前端LNA放大器電路

圖6　切比雪夫高通濾波器原理圖

2.4檢波電路

經過濾波后的信號，運用ADL5513多級對數檢波放大器（頻帶 0.1～4GHz、動態范圍：80dB± 3.0dB、采用3V電壓時功耗30mA），對以幅值和相位為主的信息進行包絡提取及放大后，可以將射頻信號精確的變換為分貝輸出，有助于對GIS故障類型識別提供有效信息。其原理如圖7所示。

圖7　ADL5513電路原理圖

3　客戶端軟件設計

客戶端軟件采用 Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）進行編程，運用專家系統進行數據分析處理，能夠實現同時對多路特高頻信號的同步采集、傳輸、濾波、檢波、分析、報警、放電類型識別、放電位置定位、放電趨勢分析、二維（Q-φ，N-φ，N-Q）和三維（N-Q-φ）圖表顯示打印等功能。

圖8　軟件功能結構圖

4　常見局放類型模擬試驗

利用上述設計的特高頻在線監檢測系統對 GIS模型進行檢測，根據圖9所示組建測試系統電路。其中變壓器采用工頻試驗變壓器 200B4M-380V/ 1000kV；限流濾波阻抗 R為工頻試驗保護電阻（GR1000-1/6）；帶寬 340～440MHz和中心頻率400MHz的外置探頭（天線）。

圖9　高壓測試系統圖

在GIS模型內部分別設置4種絕緣缺陷：導電桿上系一根長約為12mm的銅絲模擬突出物缺陷，絕緣子表面沾上直徑 0.2mm的銅絲模擬附著物缺陷，環氧樹脂絕緣棒中設置一個長約 15mm、直徑為10mm孔洞后再將表面封好來模擬絕緣子氣隙缺陷，用數個約 2×2mm2和 2×3mm2的矩形薄鋁片模擬微粒缺陷。緩慢升高試驗電壓，特高頻局放測試裝置檢測出如圖 10所示局部放電相位分布（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD）指紋圖。

圖10　GIS四種缺陷下的PRPD圖

圖 10（a）氣隙缺陷中，在工頻相位的正、負半周均有稀少幅值相近的放電信號，且都在電壓峰值附近出現，放電次數隨電壓升高而增多。圖10（b）絕緣子表面附著物缺陷中，電壓低時在工頻相位的負半周附近出現稀少地放電量，電壓升高正半周出現放電現象，且幅值相對較大一些；直至臨近閃絡時放電量密集出現在正負半周工頻峰值附近，而且幅值和次數十分相近。圖 10（c）金屬突出物缺陷中，電壓低時只有工頻負半周峰值附近有放電現象，升高電壓后正半周也出現少量放電，且幅值比負半周較大；升高電壓后正、負半周的放電次數均有所增加，且負半周放電次數較多些。圖 10（d）自由金屬微粒缺陷中，放電信號在整個工頻周期內呈現出分散性、隨機性，放電量密集出現在工頻正、負半周的峰值處。

通過實驗測試可知，特高頻法受外界電磁干擾，通過采用帶通濾波器和放大檢波電路來減小外界不同頻率電磁因素的影響，傳感器安裝在盆式絕緣子上可以獲得較大的增益，在故障類型檢測中對金屬突出物缺陷引起的PD檢測效果最為明顯。

5　一起局部放電實例分析

2012年03月12日12∶24，某高壓變電站特高頻在線檢測系統發出告警信號，1000kV GIS組合電器C相隔接組合氣室盆式絕緣子處探頭放電量和放電脈沖均越限。如圖11（a）中C相C-T1通道放電量達到146pC，脈沖個數233，C-T1通道即為安裝在C相隔接組合氣室盆式絕緣子的特高頻探頭，由圖11（b）和圖11（c）可知，放電類型為盆式絕緣子故障放電。將故障間隔GIS轉檢修后解體檢查，發現絕緣子內部出現細長的裂紋，與特高頻檢測系統檢測結果一致。

圖11　現場分析圖

6　結論

設計的基于TMS320單片機的1000kV GIS特高頻在線檢測系統，采用靈敏度高的微帶天線和基于μPC8211芯片為核心的放大電路，通過五階切比雪夫高通濾波器濾來減小外界不同頻率電磁因素的影響，運用對數檢波放大器ADL5513檢波電路對以幅值和相位為主的信息進行包絡提取及放大。該系統能夠識別不同類型的GIS絕緣故障，對金屬突出物缺陷引起的 PD檢測效果最為明顯，工程實際應用效果良好。

［1］ 邱毓昌. GIS裝置及其絕緣技術［M］. 北京： 水利電力出版社， 1994.

［2］ 劉振亞. 特高壓電網［M］. 北京： 中國經濟出版社，2005.

［3］ 周廣， 劉勇. 1000kV HGIS在線特高頻技術局放監測的應用［J］. 華中電力， 2011， 5（24）： 57-62.

［4］ Lundgaard， L E， Tangen G， et al. Acoustic diagnosis of GIS； Field experience and development of expert system［J］. IEEE Trans. on Power Delivery， 7（1）： 287-293.

［5］ 丁登偉， 唐誠， 高文勝， 等. GIS中典型局部放電的頻譜特征及傳播特性［J］. 高電壓技術， 2014， 40（10）：3243-3251.

［6］ Hasegawa Y， Izumi K， Kobayshi A， et al. Investigation on phenomena caused by insulation abnormalities in actual GIS［J］. IEEE Transactions on Power Delivery

［7］ 孫曙光， 陸儉國， 俞慧忠， 等. 基于UHF法的GIS局部放電測量與分析［J］. 電測與儀表， 2012， 49（4）： 5-9.

Design and Study on Application of On-line Ultrahigh Frequency Partial Discharge Detection in 1000kV GIS

Tang Huizeng1Chen Fuan2Luo Yahao3Guan Shifeng1Wei Haihao3
（1. State Grid He'nan Electric Power Corporation Maintenance Company， Zhengzhou 450052；2. He'nan University of Technology， Zhengzhou 450007；3. XJ Group Corporation， Xuchang， He'nan 461000）

This paper presents a overall design scheme of the UHF （Ultrahigh Frequency） partial discharge on-line detection method in 1000kV GIS （Gas Insulated Switchgear）. The high frequency discharge signal is processed by the signal conditioning circuit， then the information is sent to the information acquisition and processing unit with the TMS320 microcontroller as the control core， and the final results are displayed by the upper computer software. Using the system to simulate the four kinds of insulation defects， the characteristics of the high frequency detection method are obtained. The system successfully found a GIS 1000kV basin insulator fault， the practical application effect is good.

UHF； TMS320； 1000kV GIS partial discharge； information processing

湯會增（1982-），男，河南南陽人，碩士研究生，工程師，從事電力設備在線檢測技術研究和超特高壓變電運維管理工作。