蘇 勝,曾令誠(chéng),林悅德,閆 超,孟晨旭
(1.明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司,廣東 中山 528400;2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局,廣東 中山 528400)
隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展,氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switchgear,GIS)設(shè)備因其可靠性高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在變電站中。當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生故障時(shí),大部分在未完全擊穿前伴隨有局部放電現(xiàn)象,其原因主要體現(xiàn)在GIS設(shè)備內(nèi)部在制造、安裝、運(yùn)輸和試驗(yàn)各環(huán)節(jié)中的部件松動(dòng)、接觸不良等引起了電極浮動(dòng),絕緣老化、產(chǎn)生導(dǎo)電微粒等所致。GIS設(shè)備的局部放電可能導(dǎo)致絕緣劣化,從而引起絕緣擊穿和沿面閃絡(luò)現(xiàn)象,最終導(dǎo)致短路故障、保護(hù)跳閘、母線失壓、供電區(qū)域大面積停電并帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。
局部放電現(xiàn)象通常伴生電磁波、聲波、熱能、發(fā)光、產(chǎn)生各類(lèi)型氣體或化學(xué)分解物。根據(jù)局部放電過(guò)程中所發(fā)生的物理表現(xiàn)和化學(xué)反應(yīng),主要有超聲波檢測(cè)法、光波檢測(cè)法、熱檢測(cè)法,放電產(chǎn)物化學(xué)檢測(cè)法,局部放電能量測(cè)量法、脈沖電流法、特高頻檢測(cè)法等局部放電檢測(cè)方法[1]。其中超聲波檢測(cè)法和特高頻檢測(cè)法可用于在線監(jiān)測(cè)定位,但超聲波傳感器存在檢測(cè)靈敏度低、信號(hào)識(shí)別不夠準(zhǔn)確、信號(hào)捕捉機(jī)制不合理等現(xiàn)象,造成在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)漏檢、誤報(bào)警等問(wèn)題,且無(wú)法對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。局放信號(hào)定位通常通過(guò)示波器到GIS場(chǎng)地進(jìn)行定位,消耗時(shí)間長(zhǎng),需人工對(duì)局放信號(hào)準(zhǔn)確定位。
為解決現(xiàn)有的局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在漏檢、誤報(bào)警、無(wú)法準(zhǔn)確定位局放信號(hào)源等問(wèn)題,研制了GIS局放在線智能診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)基于特高頻檢測(cè)法、幅度比較法、時(shí)差比較法等原理,通過(guò)大量有效的局部放電信息建立完備的專(zhuān)家診斷庫(kù),具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、放電類(lèi)型識(shí)別、數(shù)據(jù)分析、局部放電定位、數(shù)據(jù)信息圖表化等功能,為GIS設(shè)備維護(hù)提供有效的數(shù)據(jù)支撐,減少人工數(shù)據(jù)分析、測(cè)量、定位等工作,有效提高生產(chǎn)效率。
GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)由特高頻傳感器、現(xiàn)場(chǎng)采集單元、后臺(tái)診斷平臺(tái)組成。
特高頻傳感器安裝在GIS設(shè)備不帶屏蔽的絕緣盆子上,檢測(cè)GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣局部放電信號(hào),通過(guò)高頻電纜將信號(hào)送至現(xiàn)場(chǎng)采集單元。現(xiàn)場(chǎng)采集單元設(shè)有6個(gè)采集通道,可同時(shí)接入6個(gè)特高頻傳感器,其主要作用是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行降噪、濾波、識(shí)別和存儲(chǔ)?,F(xiàn)場(chǎng)采集單元兩兩之間設(shè)有對(duì)時(shí)光纖,用于現(xiàn)場(chǎng)采集單元間的數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)?,F(xiàn)場(chǎng)采集單元將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào),通過(guò)通信光纖將結(jié)果輸送至光電轉(zhuǎn)換單元,由光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送至后臺(tái)診斷平臺(tái)主機(jī)。后臺(tái)診斷平臺(tái)對(duì)上傳的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析,智能診斷和定位,生成報(bào)警信號(hào),通過(guò)61850規(guī)約將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警信號(hào)和放電圖譜發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。
1.2.1 后臺(tái)診斷平臺(tái)
后臺(tái)診斷平臺(tái)主要通過(guò)光電轉(zhuǎn)換單元與現(xiàn)場(chǎng)采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、展示、分析、預(yù)警、定位,具體功能如下。
(1) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能:主機(jī)配置大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬盤(pán),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集單元上傳信息進(jìn)行存儲(chǔ),根據(jù)傳感器安裝數(shù)量,設(shè)計(jì)主機(jī)存儲(chǔ)內(nèi)存,數(shù)據(jù)應(yīng)滿足至少一年存儲(chǔ)量,可對(duì)GIS狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)追蹤。當(dāng)存儲(chǔ)硬盤(pán)存滿后,自動(dòng)覆蓋歷史數(shù)據(jù)。
(2) 自檢預(yù)警功能:實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)采集單元的工作狀態(tài),檢查并判斷現(xiàn)場(chǎng)采集單元工作狀態(tài)是否正常,對(duì)異常工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。
(3) 數(shù)據(jù)展示功能:能對(duì)上傳信息進(jìn)行實(shí)時(shí)展示,能繪制二維、三維圖譜,實(shí)現(xiàn)查看數(shù)據(jù)狀態(tài)趨勢(shì)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。
(4) 數(shù)據(jù)分析、診斷、預(yù)警功能:對(duì)局部放電信號(hào)能自動(dòng)診斷識(shí)別,并對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行后臺(tái)預(yù)警。
(5) 局放源定位功能:對(duì)GIS內(nèi)部局放源進(jìn)行定位,誤差范圍小于30 cm。
1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)采集單元
現(xiàn)場(chǎng)采集單元通過(guò)光纖將處理過(guò)的數(shù)據(jù)上傳到診斷平臺(tái)主機(jī),每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集單元分配獨(dú)立的IP,具體功能如下:
(1) 信號(hào)濾波功能:對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾,減少噪聲干擾。
(2) 局放信號(hào)類(lèi)型識(shí)別功能:對(duì)不同局放信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,如絕緣缺陷放電信號(hào)、自由粒子放電信號(hào)、懸浮放電信號(hào)、電暈放電信號(hào),準(zhǔn)確率應(yīng)達(dá)到95 %。
(3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能:存儲(chǔ)容量應(yīng)滿足15天數(shù)據(jù)存儲(chǔ),便于后臺(tái)主機(jī)故障后維護(hù)期間,現(xiàn)場(chǎng)采集單元獨(dú)立采集數(shù)據(jù),當(dāng)后臺(tái)主機(jī)恢復(fù)正常后上傳數(shù)據(jù),確保檢測(cè)數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)數(shù)據(jù)存滿后,自動(dòng)覆蓋歷史數(shù)據(jù)。
(4) 對(duì)時(shí)功能:各個(gè)采集單元通過(guò)通信光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)時(shí),可確保采集信息時(shí)效統(tǒng)一,用于定位功能的實(shí)現(xiàn)。
1.2.3 傳感器
特高頻傳感器由金屬外殼和內(nèi)置天線通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂整體澆筑而成,可在工況條件惡劣的環(huán)境中正常工作(溫度-25 ℃~70 ℃、濕度93 %、嚴(yán)酷等級(jí)1級(jí)振動(dòng))。采用無(wú)源設(shè)計(jì),確保耦合的信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)采集單元不失真,工作性能穩(wěn)定、可靠。
傳感器靈敏度一般用平均等效高度來(lái)表征,是表征傳感器接收局部放電UHF信號(hào)能力的一項(xiàng)指標(biāo)。傳感器平均等效高度是指在規(guī)定的測(cè)試頻帶內(nèi),在各頻率點(diǎn)等效高度的累計(jì)平均值,測(cè)量頻帶范圍:300~1 500 MHz。傳感器靈敏度平均等效高度不小于13 mm,傳感器的平均等效高度應(yīng)通過(guò)GTEM平臺(tái)的驗(yàn)證試驗(yàn)。GTEM小室,全稱(chēng)吉赫茲?rùn)M電磁波小室(giga hertz transverse electricmagnetic cell,GTEM-CELL),由帶狀金屬隔板為內(nèi)導(dǎo)體、矩形徽面喇叭狀為外導(dǎo)體構(gòu)成的一種矩形截面?zhèn)鬏斁€。用于在直流到數(shù)吉赫茲頻率范圍內(nèi),對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行輻射電磁場(chǎng)抗感染性試驗(yàn)和輻射電磁場(chǎng)發(fā)射測(cè)量。
GIS中的局部放電信號(hào)主要分為浮動(dòng)電極、空穴/污穢、自由粒子和導(dǎo)體尖端(電暈)幾種,具有明顯的相位特征[2-5]。
(1) 浮動(dòng)電極放電信號(hào)特征:松動(dòng)金屬部件產(chǎn)生的局部放電,表現(xiàn)形式像一個(gè)放電電容器,具有很高的幅值(>100 pC),放電脈沖幅值穩(wěn)定,且相鄰放電時(shí)間間隔基本一致。
(2) 空穴/污穢放電信號(hào)特征:固體絕緣內(nèi)部開(kāi)裂、氣隙或表面污穢等缺陷引起的放電。放電次數(shù)少,周期重復(fù)性低。放電幅值也較分散,但放電相位較穩(wěn)定。
(3) 自由粒子放電信號(hào)特征:GIS中的微小的金屬物體例如金屬碎屑粒子在高電場(chǎng)的作用下移動(dòng),導(dǎo)致金屬顆粒和金屬顆粒間的局部放電,金屬顆粒和金屬部件間的局部放電。放電幅值分布較廣,放電時(shí)間間隔不穩(wěn)定,自由粒子的移動(dòng)表現(xiàn)出隨機(jī)性,在整個(gè)工頻周期和工頻相位均有放電信號(hào)分布。
(4) 導(dǎo)體尖端放電信號(hào)特征:處于高電位或低電位的金屬毛刺或尖端,由于電場(chǎng)集中,產(chǎn)生的SF6電暈放電。放電次數(shù)較多,放電幅值分散性小,時(shí)間間隔均勻,通常僅在工頻相位的半周出現(xiàn)。
GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)基于多年積累的GIS局部放電的真實(shí)有效數(shù)據(jù),對(duì)干擾信號(hào)和典型缺陷譜圖進(jìn)行特征提取、辨識(shí),通過(guò)專(zhuān)家分類(lèi)算法、模糊邏輯學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),遺傳算法和干擾濾波器,形成了一個(gè)高度準(zhǔn)確的混合專(zhuān)家診斷系統(tǒng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集接收到的特高頻信號(hào),比對(duì)信號(hào)的相位特征、幅值大小自動(dòng)判斷監(jiān)測(cè)到的局放類(lèi)型并進(jìn)行分類(lèi)。
從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)說(shuō),樣本數(shù)越多,統(tǒng)計(jì)結(jié)果越準(zhǔn)確。GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)盡可能多的收集樣本信息,事件數(shù)據(jù)是所有超過(guò)門(mén)限參數(shù)的信號(hào)的記錄。這個(gè)數(shù)據(jù)可以幫助指示出信號(hào)是連續(xù)性的還是間歇性的,專(zhuān)家診斷系統(tǒng)可準(zhǔn)確的確定引起信號(hào)的最可能的原因,對(duì)GIS的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的判定。
信號(hào)脈沖圖譜作為統(tǒng)計(jì)工具,是確認(rèn)局部放電及判斷放電類(lèi)型的重要依據(jù)。GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和繪制各類(lèi)信號(hào)脈沖圖譜并展示,為GIS設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)。
2.2.1 PRPS圖譜
PRPS圖譜為三維圖譜,將脈沖信號(hào)按照工頻相位-幅值-工頻周期三個(gè)維度進(jìn)行繪制。PRPS圖譜記錄了最近若干個(gè)周期脈沖信號(hào)的工頻相位-幅度分布情況。GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)展示實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)PRPS圖譜,可以幫助用戶了解幅值、相位特征、信息密度。
2.2.2 PRPD圖譜
PRPD圖譜為三維圖譜,將脈沖信號(hào)按照工頻相位-幅值-脈沖數(shù)三個(gè)維度繪制。PRPD圖譜可以看成是PRPS圖譜在工頻周期-幅值平面上的長(zhǎng)時(shí)間累積,是判斷局部放電類(lèi)型的重要依據(jù)。當(dāng)在PRPS實(shí)時(shí)圖譜上查看到局放信號(hào)后,運(yùn)行人員可以選擇查看該傳感器歷史累積的PRPD圖。
2.2.3 專(zhuān)家診斷結(jié)果
每個(gè)事件的專(zhuān)家診斷結(jié)果,是根據(jù)累計(jì)15 min的采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)由專(zhuān)家診斷系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并給出的結(jié)果,顯示的百分比為信號(hào)類(lèi)型的可能性。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)量越大結(jié)果越準(zhǔn)確,巡檢人員可以選擇“累積數(shù)據(jù)”功能,對(duì)有疑似局部放電信號(hào)的特高頻傳感器通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇(4 h或1天,數(shù)據(jù)量大小可以根據(jù)范圍選擇),診斷結(jié)果更準(zhǔn)確,有助于巡檢判斷。
2.2.4 歷史數(shù)據(jù)查看
歷史數(shù)據(jù)圖可以表現(xiàn)為表格形式或曲線圖形式,每個(gè)采集點(diǎn)間隔為15 min。在曲線圖中X坐標(biāo)為時(shí)間,Y坐標(biāo)為幅值,歷史數(shù)據(jù)查看范圍可以根據(jù)實(shí)際需要選擇查看時(shí)間和傳感器進(jìn)行查看。當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)現(xiàn)局部放電且未對(duì)GIS進(jìn)行拆解時(shí),運(yùn)行人員選擇測(cè)試到局放信號(hào)的傳感器,選取從發(fā)現(xiàn)局部放電信號(hào)開(kāi)始至查看日的歷史數(shù)據(jù),通過(guò)曲線的變化,判斷該信號(hào)是否惡化,進(jìn)而制定停電檢修計(jì)劃。
在GIS設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中,在一個(gè)傳感器測(cè)試范圍內(nèi),不同位置可能存在多個(gè)局部放電信號(hào),多個(gè)局部放電信號(hào)疊加,對(duì)局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的判斷造成極大干擾,存在漏檢或誤判的情況,對(duì)此需要收集詳實(shí)的數(shù)據(jù)信息?,F(xiàn)場(chǎng)采集單元根據(jù)輸入脈沖信號(hào)的電平自動(dòng)觸發(fā)并完成信號(hào)的捕獲,同時(shí)計(jì)算脈沖的幅值、功率、頻次、首半波時(shí)長(zhǎng)、全時(shí)長(zhǎng)等參數(shù),并記錄工頻相位、到達(dá)時(shí)間、原始波形等信息。
現(xiàn)場(chǎng)采集單元對(duì)于捕獲到的每一個(gè)脈沖,計(jì)算其首個(gè)半波時(shí)長(zhǎng)T1(ns)和全時(shí)長(zhǎng)T2(ns)。對(duì)于不同放電源發(fā)出的脈沖信號(hào),其T1和T2通常是不相同的,因此可以通過(guò)脈沖在T1-T2平面的分布位置不同分離不同放電源信號(hào),實(shí)現(xiàn)多局部放電源的檢測(cè)和識(shí)別。
局部放電源的精確定位,常用的方法有“幅度比較法”和“時(shí)差比較法”。GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)使用“時(shí)差比較法”對(duì)GIS中的局部放電源進(jìn)行自動(dòng)定位。
2.4.1 幅度比較法
通過(guò)比較2只不同位置的傳感器接收到的信號(hào)幅值來(lái)判斷放電源的位置,認(rèn)為距離信號(hào)源更近的傳感器接收到的信號(hào)幅值更大。這種定位方法可以作為參考,但也有局限性。原因是GIS的結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)傳輸時(shí)的衰減影響較大,有時(shí)會(huì)使得距離局部放電源近的傳感器接收到的信號(hào)反而小。
2.4.2 時(shí)差比較法
通過(guò)計(jì)算放電脈沖到達(dá)2個(gè)傳感器的時(shí)間差來(lái)計(jì)算局部放電源的位置,如圖1所示。在SF6介質(zhì)中,局部放電射頻信號(hào)以光速傳播,速度約為0.3 m/ns。可以將檢測(cè)儀器通過(guò)2根等長(zhǎng)的同軸電纜連接至2個(gè)傳感器,在已知2個(gè)傳感器之間距離的情況下,當(dāng)局部放電源位于2個(gè)傳感器之外時(shí),放電信號(hào)到達(dá)兩傳感器的時(shí)間差乘傳播速度應(yīng)等于兩傳感器的間距;當(dāng)局部放電源位于兩個(gè)傳感器之間時(shí),放電信號(hào)到達(dá)兩傳感器的時(shí)間差乘傳播速度應(yīng)小于兩傳感器的間距,此時(shí)使用以下公式可計(jì)算出局部放電源到先收到信號(hào)的傳感器的距離。

圖1 時(shí)差比較法原理

式中,d為局部放電源距離先收到信號(hào)的傳感器1的距離(m);D為傳感器1和傳感器2間的距離(m);t為局部放電脈沖到達(dá)兩傳感器時(shí)間差(ns)。
時(shí)差比較法技術(shù)難度較高,對(duì)于脈沖起始位置的檢測(cè)、時(shí)間差的計(jì)算和定位結(jié)果的統(tǒng)計(jì)均有很高的技術(shù)要求。現(xiàn)場(chǎng)采集單元內(nèi)置精確時(shí)鐘,可以記錄所有通道中每個(gè)脈沖到達(dá)的時(shí)間(ns級(jí))。如圖2所示,傳感器1和傳感器2捕獲到局部脈沖信號(hào),現(xiàn)場(chǎng)采集單元對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,保存了每個(gè)通道每個(gè)脈沖的精確到達(dá)時(shí)間。在定位時(shí),其針對(duì)傳感器1中的每個(gè)脈沖,在傳感器2中查找與其到達(dá)時(shí)間接近的脈沖配成一對(duì),并根據(jù)設(shè)置的傳感器間距自動(dòng)計(jì)算這一對(duì)脈沖的時(shí)間差,得出一個(gè)定位結(jié)果。對(duì)所有脈沖全部計(jì)算后即得到沿傳感器間距范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果,顯示在定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)欄。當(dāng)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集單元進(jìn)行同時(shí)連接時(shí),現(xiàn)場(chǎng)采集單元通過(guò)光纖進(jìn)行ns級(jí)授時(shí),實(shí)現(xiàn)不同現(xiàn)場(chǎng)采集單元之間采集的局部放電信號(hào)準(zhǔn)確定位。

圖2 定位邏輯
GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某變電站220 kV GIS場(chǎng)地,GIS為河南平高電氣股份有限公司生產(chǎn),2016年制造,雙母線結(jié)構(gòu),主母線共箱,出線三相分箱,一共7個(gè)間隔(2個(gè)出線間隔,2個(gè)主變間隔,1個(gè)母聯(lián)間隔,2個(gè)PT間隔),所有間隔絕緣盆子都不帶金屬屏蔽環(huán)安裝,配置21個(gè)傳感器,4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集單元,實(shí)現(xiàn)220 kV場(chǎng)地GIS設(shè)備局部放電信號(hào)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、放電類(lèi)型識(shí)別、數(shù)據(jù)分析、局部放電定位、數(shù)據(jù)信息圖表化等功能。
相比傳統(tǒng)GIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),此次研發(fā)的GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)準(zhǔn)確識(shí)別、及時(shí)告警、局部放電信號(hào)定位,減少了繁復(fù)的人工定位工作,具備更好的人機(jī)交互效果,能為變電站運(yùn)行人員提供更直觀、智能的技術(shù)支持。
GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)通過(guò)GIS內(nèi)局部放電的特征,基于特高頻檢測(cè)法、時(shí)差比較法等原理,運(yùn)用局放信號(hào)類(lèi)型診斷技術(shù)、多局放源識(shí)別技術(shù)、局部放電自動(dòng)定位技術(shù)、成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIS內(nèi)部局部放電信號(hào)的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)對(duì)局放類(lèi)型識(shí)別準(zhǔn)確,數(shù)據(jù)展示完善,可為持續(xù)監(jiān)控GIS運(yùn)行狀態(tài)、開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支撐,提高了GIS局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的巡維技術(shù)水平。該系統(tǒng)在變電站的應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性及有效性。