GIS在線監測系統研究與應用

南方電網文山供電局 熊文祥 申國標 張 振 華乘電氣科技股份有限公司 張新堂

在現在電力系統中，GIS（Gas Insulated Switchgear）氣體絕緣金屬封閉開關設備將變電站中除變壓器以外的斷路器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、母線、電纜終端等設備有機地組合成一個整體[1]。GIS具有占地面積小、可靠性高、安全性強、維護工作量很小等眾多優點，但絕緣要求極高。一旦需要解體檢修，大部分情況下均需要協調設備廠家進行，所需要的時間非常長，若發生突發性故障停電則停電時間就更長。因此對GIS故障的早期預測、預報、預防就顯得非常重要。運行經驗表明，在GIS中的母線、斷路器、隔離開關等電氣元件都是絕緣故障多發的部位[2]，異常時的檢修難度和經濟投入相對較大，由于內部結構十分緊湊，發生故障時有很大幾率會蔓延到其他元件[3]。局部放電檢測一向是十分有效的絕緣檢測手段，實現在線監測能減輕運行人員工作強度，同時也有助于推動GIS局放檢測的標準化和規范化。

本文基于AE（超聲波）/UHF檢測原理的局放檢測手段對GIS進行在線局放檢測研究，搭建PDS-G5000型局部放電在線監測系統，實現GIS設備的絕緣實時監控。系統可配置的傳感器主要有接觸式超聲（AE）傳感器、特高頻（UHF）傳感器和噪聲傳感器，檢測局部放電產生的特高頻、超聲波信號，并通過噪聲傳感器配合提高檢測結果的可信度。

1 GIS局放AE/UHF在線監測原理

GIS局放在線監測特指在GIS運行狀態下,通過外置或內置的AE/UHF傳感器耦合得到設備內部絕緣劣化而發出的放電信號。通常監測系統固定安裝在現場長期在線運行，無需人為參與，自動完成檢測、存儲、通訊和診斷等功能。基于AE和UHF信號檢測的方式都屬于間接型帶電檢測法，檢測設備與一次部分無直接的電氣連接，也不會改變GIS整體的結構，適用于帶電運行中的GIS設備的局部放電在線檢測。

AE（超聲波）檢測。超聲通常指頻段位于20～300kHz范圍內的超聲波通過接收局放時聲波微小的間斷壓力信號,判斷局放點位置和局放性質[4]。GIS內部發生局部放電時，放電信號會沿著介質向四周傳播，由于超聲信號在傳播中衰減較大，根據信號的強度變化判斷信號來源方向和位置。AE傳感器耦合得到的超聲波信號，需經過前置信號放大器后再傳輸到后臺診斷系統中進行分析和判斷（圖1）。

UHF（特高頻）檢測。如圖2UHF檢測原理中，當GIS內部發生局部放電時，SF6氣體的擊穿導致導體中流過一個短時（ns級）的電流。電流流過GIS的特征阻抗在導體上產生一個脈沖電壓，從局放源傳播開來。局放信號的上升時間很短（<1ns）、頻帶很寬（>1GHz），傳播過程中引起電諧振激發電磁波。UHF檢測法能感應頻率為300MHz～1.5GHz的電磁波信號[5]。

PDS-G5000系統中所使用的UHF特高頻傳感器包括內置式和外置式兩種。外置式特高頻傳感器采用全貼合設計，保證傳感器能夠完美貼合GIS絕緣盆子表面，最大限度減少外部信號的干擾，保證監測的準確性與靈敏度。內置式特高頻傳感器采用內置式安裝設計，并且需在GIS生產廠制造時安裝，其尺寸、結構與被監測GIS設備相匹配，采用與被監測GIS設備相同的密封工藝和材料，使用壽命不少于GIS設備壽命，并與GIS本體一起進行出廠試驗。

噪聲傳感器檢測。噪聲傳感器監測原理同特高頻傳感器監測原理一致，PDS-G5000系統中所使用的噪聲傳感器安裝在GIS監測設備附近殼體上，主要用于配合特高頻傳感器與系統監測軟件最大限度減少外部環境信號干擾，保證監測信號的準確性和靈敏度。

2 系統采集處理單元及后臺監測軟件系統系統

局放監測單元安裝在現場GIS設備附近就地柜內，實現信號初步采集處理和分析，形成設備初步單項評價，并將信號通過光纖傳輸至上級后臺處理單元和主站。PDS-G5000軟件是與GIS局部放電在線監測系統設備配套的軟件，安裝在服務器上用以采集、傳輸、處理、查詢和分析數據信號，為判斷GIS絕緣狀態提供依據。軟件可以實時展示現場設備的局放數據，并提供PRPD/PRPS圖以及趨勢圖譜等；軟件內置專家診斷系統，可以輔助用戶進行局放診斷。軟件同時能夠根據監測數據給出預警與報警信號，實時提醒用戶設備的運行狀態。

3 應用案例

廣西220kV某站220kVGIS設備于2017年03月安裝了華乘科技公司的PDS-G5000局放在線監測系統，對GIS設備進行不間斷的局放在線監測，GIS設備廠家為西門子高壓開關有限公司。2017年04月05日18：14，220kVGIS場地220kV2053線路間隔的M9編號特高頻傳感器（安裝位置為220kV2053線路間隔20532刀閘B相）首次監測到幅值較大的浮動電極局放信號；2017年04月07日開始信號發展趨勢相當快速，局放的脈沖數快速增加，嚴重程度快速加劇。

測試數據分析及故障位置。系統4月5日首次監測到異常信號，到4月19日異常信號持續存在且信號呈現增長趨勢，放電密度增大，專家系統判斷為浮動電極放電概率為100%。經過PDS-G5000局放在線監測專家系統分析和判斷定位，在220kVGIS2053線路間隔B相CT1位置的GIS內部存在一個幅值相當大的浮動電極放電信號。如圖4紅色標記所示。

解體情況。2017年09月13日，對該站220kV 2053線路間隔B相的CT1位置進行了解體、檢修，在解體后發現CT1上方的殼體與屏蔽罩存在非常嚴重的電蝕痕跡，解體情況與PDS-G5000局放在線監測系統測量、分析判斷局放類型一致，局放缺陷位置與定位位置一致。

綜上，本文搭建的基于AE及UHF檢測方法PDS- G5000型GIS局部放電在線系統可有效監測GIS內部絕緣缺陷，將傳統“定期檢修”改變為“狀態檢修”，達到提高設備利用率和設備可靠運行目的。