伍超勇，劉胭脂，王彥文，江博

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北　宜昌　443002; 2.國網(wǎng)松滋市供電公司,湖北　荊州　434200)

?

基于超高頻法的1000kV GIS在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用技術(shù)研究

伍超勇1，劉胭脂2，王彥文1，江博1

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002; 2.國網(wǎng)松滋市供電公司,湖北荊州434200)

特高壓1000kV交流輸電是解決我國電網(wǎng)和能源發(fā)展的重要選擇，一旦特高壓GIS設(shè)備出現(xiàn)故障，便會(huì)造成重大損失，因此，特高壓GIS設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用技術(shù)的研究尤其重要。本文首先介紹幾種GIS局放檢測(cè)法，然后對(duì)超高頻局部放電法原理及放電圖譜進(jìn)行分析，最后給出使用超高頻法判斷局部放電的四點(diǎn)原則。

特高壓；超高頻法；局部放電；放電圖譜

1　引言

特高壓1000kV交流輸電具有容量大、距離遠(yuǎn)、損耗低、占地省等顯著優(yōu)勢(shì)，在我國電網(wǎng)和能源發(fā)展上起到至關(guān)重要的作用[1-2]。2009年初，我國建成并投入運(yùn)行了世界最高電壓水平的1000kV “晉東南-南陽-荊門”特高壓交流輸電線路。目前的特高壓設(shè)備是首臺(tái)首套，技術(shù)復(fù)雜，沒有能夠借鑒的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為了保障特高壓設(shè)備的正常運(yùn)行，避免非計(jì)劃性停電，現(xiàn)場(chǎng)采用的是基于超高頻法的局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)并判斷GIS設(shè)備的內(nèi)部情況[3-4]。早在20世紀(jì)40年代初，西屋公司就發(fā)明了局部放電監(jiān)測(cè)電機(jī)絕緣的技術(shù)，而我國在70年代才開始對(duì)局放在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。許多國家已經(jīng)采用特高頻法對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)[5]，但對(duì)于超高壓1000kV GIS 局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用研究，目前還相當(dāng)薄弱。

2　GIS局方檢測(cè)方法

國內(nèi)檢測(cè)GIS局部放電的方法主要有電檢測(cè)法和非電量檢測(cè)法，一般分類如圖1所示。

圖1　GIS局放檢測(cè)方法

2.1電檢測(cè)法

GIS局部放電最直接的現(xiàn)象是引起電極之間的電荷移動(dòng)，一定數(shù)量的電荷通過電介質(zhì)，就會(huì)引起試樣外部電壓的變化。電檢測(cè)法就是基于此進(jìn)行的。

(1)脈沖電流法

脈沖電流法的基本測(cè)試回路分為直測(cè)法和平衡法兩種。直測(cè)法在現(xiàn)場(chǎng)很多干擾的環(huán)境下，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試靈敏度。而平衡法由于其抑制共模干擾的優(yōu)良性能，但靈敏度低，這也就抑制了平衡法的應(yīng)用。

(2)無線電干擾法

1925年，Schwarge發(fā)現(xiàn)電暈放電會(huì)發(fā)射電磁波，通過無線電干擾電壓表可以檢測(cè)到局部放電的發(fā)生，這種檢測(cè)方法叫無線電干擾法(RIV)，國內(nèi)也叫射頻檢測(cè)法。較常用射頻傳感器有電容傳感器、Rogowski線圈電流傳感器和射頻天線傳感器等。

RIV方法能定性檢測(cè)局部放電是否發(fā)生，甚至可以根據(jù)電磁信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)電機(jī)線棒和沒有屏蔽層的長電纜進(jìn)行局部放電定位；采用Rogowski線圈傳感器也能定量檢測(cè)放電強(qiáng)度，且測(cè)試頻帶較寬(1～30MHz)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，該方法具有較好的實(shí)用價(jià)值。

(3)介質(zhì)損耗分析法

在大多數(shù)絕緣結(jié)構(gòu)中，隨著電壓的升高，介質(zhì)中氣隙或氣泡的數(shù)目將增加，局部放電的現(xiàn)象將導(dǎo)致介質(zhì)的損壞，從而使得tgδ大大增加。因此可以通過測(cè)量tgδ的值來測(cè)量局部放電能量從而判斷絕緣材料和結(jié)構(gòu)的性能情況。

介質(zhì)損耗分析法基本不能檢測(cè)局部放電量的大小，只能定性的測(cè)量局部放電是否發(fā)生，這限制了介質(zhì)損耗分析法的運(yùn)用。

(4)超高頻法

1982年Boggs和Stone在他們的試驗(yàn)中使測(cè)試儀器的測(cè)量頻帶達(dá)到1GHz，成功的測(cè)試出GIS中的初始局部放電脈沖。在此頻帶下，噪聲信號(hào)衰減劇烈，可有效的實(shí)現(xiàn)噪聲抑制，且可以基本無損的再現(xiàn)局部放電脈沖，從而深化對(duì)局部放電的機(jī)理性研究。

2.2非電量檢測(cè)法

GIS局部放電伴隨著產(chǎn)生光、波、聲等物理現(xiàn)象以及氣體分解反應(yīng)等化學(xué)現(xiàn)象，非電量檢測(cè)法就是通過相應(yīng)的方法來檢測(cè)其內(nèi)部的絕緣狀況。

(1)聲測(cè)法

在發(fā)生局部放電時(shí)，瞬時(shí)釋放的能量將放電源周圍的介質(zhì)加熱使其蒸發(fā)，此時(shí)放電源如同一個(gè)聲源，向外發(fā)出聲波。聲測(cè)法在復(fù)雜設(shè)備放電源定位方面有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)[7]，但由于聲波在傳播途徑中衰減、畸變嚴(yán)重，基本不能反映放電量的大小。在實(shí)際中一般不獨(dú)立使用聲測(cè)法，而將聲測(cè)法和電測(cè)法結(jié)合起來使用。

(2)光測(cè)法

光測(cè)法傳感器必須侵入設(shè)備，只能測(cè)試表面放電和電暈放電，在現(xiàn)場(chǎng)該方法基本上沒有直接應(yīng)用。近年來，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，將光纖技術(shù)和聲測(cè)法相結(jié)合提出了聲-光測(cè)法。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，超聲波在油中傳播，這種機(jī)械壓力波擠壓光纖，引起光纖變形，導(dǎo)致光折射率和光纖長度的變化，從而光波將被調(diào)制，通過適當(dāng)?shù)慕庹{(diào)器即可測(cè)量出超聲波，可實(shí)現(xiàn)放電定位。

(3)化學(xué)檢測(cè)法

當(dāng)電力設(shè)備絕緣中發(fā)生局部放電時(shí)，各種絕緣材料會(huì)發(fā)生分解破壞，產(chǎn)生新的生成物，通過檢測(cè)生成物的組成和濃度，可以判斷局部放電的狀態(tài)。在電力變壓器中，油色譜分析(DGA)方法是一種簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的在線監(jiān)測(cè)方法。它通過色譜柱、氣體傳感器分離、檢測(cè)出變壓器油中各種可溶性氣體的含量，并由此判斷變壓器絕緣狀況。

3　1000kV GIS超高頻局放在線監(jiān)測(cè)原理

導(dǎo)致GIS設(shè)備發(fā)生局放的情況一般有六種：導(dǎo)體突出物、外殼突出物、觸頭損傷、SF6中的漂浮物、屏障絕緣子中有氣泡、屏障絕緣子上有孔洞或金屬微粒。當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生局部放電的時(shí)候，會(huì)發(fā)射大量的超高頻電磁波信號(hào)(300MHz～3GHz)，如圖2所示。

圖2　HGIS局放激發(fā)出的超高頻電磁波信號(hào)

在SF6中的局放產(chǎn)生的強(qiáng)烈信號(hào)的頻率比空氣中的放電高頻干擾要大，能夠很好的除去干擾。檢測(cè)的高頻電磁波信號(hào)經(jīng)過傳輸、放大，然后送到頻譜儀和計(jì)算機(jī)，采用專門的軟件(SmartSub軟件)進(jìn)行分析，繪制局放譜圖，通過對(duì)數(shù)據(jù)譜圖、波形的分析，從而能判斷故障類型和嚴(yán)重程度。

特高壓現(xiàn)場(chǎng)超高頻局放在線監(jiān)測(cè)裝置由UHF耦合器、OCU光電轉(zhuǎn)換器、PDM主機(jī)和系統(tǒng)軟件SmartSub等組成。

UHF耦合器是超高頻信號(hào)傳感器，能夠感應(yīng)100MHz～1.5GHz的局部放電信號(hào)，并將信號(hào)通過同軸電纜傳送給OCU光電轉(zhuǎn)換器，OCU用來接收UHF耦合器采集的高頻信號(hào)并進(jìn)行數(shù)字化處理，然后通過光纜傳送給PDM主機(jī)的光發(fā)送單元。PDM主機(jī)通過光纜接收來自O(shè)CU檢測(cè)單元的采集信號(hào)。HGIS內(nèi)局部放電信號(hào)的典型頻帶在500～1200MHz間，OCU通過濾波電路有效地去除此頻率之外的電磁波，實(shí)現(xiàn)濾除廣播信號(hào)和空氣絕緣設(shè)備的放電干擾信號(hào)的功能。同時(shí)OCU具有很強(qiáng)的高壓防護(hù)功能，能夠適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境。運(yùn)行PDM系統(tǒng)軟件SmartSub，對(duì)采集到的局部放電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、識(shí)別。

4　局放典型圖譜研究

目前投入運(yùn)行的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)局放的來源進(jìn)行定義并且對(duì)故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于大部分局部放電源都有比較典型的圖像。常見的局放類型有：固定粒子放電(母線和殼體電暈)、自由粒子放電、浮動(dòng)電極放電、絕緣缺陷放電、干擾放電等。

4.1固定粒子放電

GIS設(shè)備中，固定粒子放電有母線和殼體電暈兩種，可能是由焊在母線上的金屬屑或不光滑的氣室壁突起的顆粒物產(chǎn)生的，兩者其過程和圖形基本相似。以母線電暈為例分析：當(dāng)母線電壓到達(dá)峰值的時(shí)候，突起的尖端高度受壓，便產(chǎn)生電暈放電。在發(fā)展的第一階段(又稱初始階段)放電首先發(fā)生在母線電壓的負(fù)半周期。在這一階段，信號(hào)非常小(< 1pC or < 10%)，計(jì)數(shù)率可能是5～20個(gè)/秒，如圖3。隨著母線電壓的增加，或者突起的長度增加，放電率大幅上升，在正半周期可能會(huì)發(fā)生一種更大的放電。這種放電往往是很規(guī)則的，更大的放電可能發(fā)展成很危險(xiǎn)的放電，如圖4，它在正半周期有一個(gè)很大的振幅(>50%)，表明電暈放電到達(dá)了臨界情況，有可能導(dǎo)致閃絡(luò)。

圖3　母線電暈-初始放電(正峰值)

圖4　母線電暈

4.2自由粒子

自由粒子是指留在GIS內(nèi)的很小的金屬顆粒，例如金屬屑。這種粒子受高電場(chǎng)的影響發(fā)生跳躍。顆粒每與殼體碰撞一次，便發(fā)生一次放電。自由粒子是隨機(jī)移動(dòng)的，放電有發(fā)生在交流電源周期的任一點(diǎn)上。這種放電似乎是與母線電壓異步的，如圖5所示。

圖5　典型自由粒子放電

實(shí)際上，振幅分布和相位角之間有一定關(guān)系。但是要描述這種關(guān)系卻很復(fù)雜，因?yàn)樗蕾囉趲讉€(gè)參數(shù)，包括大小、重量，粒子密度，場(chǎng)分布和氣體壓力。圖5所示的單周期圖像表示這種粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)：信號(hào)幅值往往比較高(30%～80%)，計(jì)數(shù)率通常是1/2每周期，或5/6每秒(發(fā)生在所有時(shí)間段)。這種粒子產(chǎn)生的計(jì)數(shù)率和單周期圖像明顯與電暈放電是有區(qū)別的。粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的圖像也可以繪制成平面圖(圖6)的形式觀看。

在15分鐘POW數(shù)據(jù)圖(圖7)上，自由粒子分布的形狀變得很明顯。計(jì)數(shù)率很小，相對(duì)均勻分布，可以看到它的振幅大多數(shù)聚集在交流波形的正負(fù)峰值處。

4.3懸浮放電(浮動(dòng)電極)

GIS的部件沒有接地或是沒有接到母線上，會(huì)形成浮動(dòng)部件或浮動(dòng)電極。浮動(dòng)電極的作用就像一個(gè)放電電容器，它產(chǎn)生非常高的振幅(>100pC).由于局放信號(hào)使PDM系統(tǒng)的靈敏輸入放大器飽和了，信號(hào)輸出是滿量程(100%)。如圖8所示。

圖6　典型自由粒子(平面圖)

圖7　POW圖(自由粒子)

圖8　典型浮動(dòng)電極放電

浮動(dòng)電極放電往往發(fā)生在電源周期的第一和第三象限，有相對(duì)高的計(jì)數(shù)率；圖9所示平面圖可以看得很清楚。

4.4內(nèi)部放電(絕緣缺陷)

絕緣缺陷表現(xiàn)為GIS屏蔽體內(nèi)的空隙、屏蔽體表面的污染物。絕緣缺陷的特點(diǎn)是：在整個(gè)周期內(nèi)表現(xiàn)為中低幅值的信號(hào)。最大振幅發(fā)生在交流周期的正負(fù)峰值處，如圖10所示。

絕緣缺陷往往在第三象限產(chǎn)生最大的計(jì)數(shù)率，隨著電壓到達(dá)下一個(gè)零點(diǎn)逐漸變小。絕緣缺陷的特點(diǎn)是：第三象限計(jì)數(shù)率最高，隨著電壓到達(dá)下一個(gè)零點(diǎn)逐漸變小。平面圖及POW圖如圖11、圖12所示。

圖9　典型浮動(dòng)電極(平面圖)

圖10　典型空隙

圖11　典型空隙(平面圖)

圖12　絕緣缺陷(POW圖)

4.5干擾

一些外部來源如移動(dòng)電話、熒光燈、壓縮機(jī)、雷達(dá)等都可以干擾PDM系統(tǒng)。這些干擾的大多數(shù)可以使用重合濾波器、數(shù)據(jù)濾波器或OCU低通濾波器(只用于輻射系統(tǒng))濾除。

4.5.1移動(dòng)電話干擾

UHF耦合器常檢測(cè)到移動(dòng)電話產(chǎn)生的信號(hào)：由于手機(jī)使用了時(shí)分復(fù)用技術(shù)(time-division multiplexing,TDM)，這種干擾每周期會(huì)產(chǎn)生4個(gè)高振幅脈沖。圖13中7個(gè)脈沖之間的空隙是由于手機(jī)沒有接收，也沒有發(fā)送任何數(shù)據(jù)，也就是發(fā)送者或接受者保持沉默的時(shí)候。

圖13　移動(dòng)電話干擾

這種干擾的振幅受許多因素的影響，如手機(jī)相對(duì)耦合器的位置，GIS內(nèi)的屏蔽體數(shù)量。另外，在開始和結(jié)束呼叫的時(shí)候，信號(hào)振幅往往要更高。

4.5.2熒光燈干擾

熒光燈使用的啟動(dòng)器可以產(chǎn)生電干擾，這種干擾可以被PDM系統(tǒng)檢測(cè)出來。干擾的圖像受熒光燈使用的啟動(dòng)器的類型影響：圖14記錄的是感應(yīng)啟動(dòng)器的干擾數(shù)據(jù)。

圖14　熒光燈干擾

電子啟動(dòng)器往往產(chǎn)生比感應(yīng)啟動(dòng)器更小的干擾。但是，將感應(yīng)啟動(dòng)器換成電子啟動(dòng)器不能保證可以消除干擾信號(hào)。人們發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下，重合濾波器可以有效消除這種類型的干擾。

4.5.3壓縮機(jī)干擾

壓縮機(jī)干擾是由調(diào)節(jié)GIS內(nèi)的SF6氣體壓力的壓縮機(jī)產(chǎn)生的。當(dāng)壓縮機(jī)泵里的電動(dòng)機(jī)開啟或關(guān)閉的時(shí)候，產(chǎn)生一種電氣噪聲，這種電氣噪聲會(huì)引起壓縮機(jī)干擾，如圖15所示。

圖15　壓縮電機(jī)干擾

4.5.4雷達(dá)干擾

雷達(dá)干擾是由GIS附近的雷達(dá)設(shè)備引起的，例如：附近的機(jī)場(chǎng)雷達(dá)系統(tǒng)；飛機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)；船用雷達(dá)系統(tǒng)；GIS鄰近建筑物反射過來的雷達(dá)信號(hào)，雷達(dá)干擾圖譜如圖16所示。

圖16　雷達(dá)干擾

5　小結(jié)

本文通過對(duì)1000kV特高壓HGIS設(shè)備實(shí)際特征頻譜進(jìn)行采集分析，總結(jié)了使用超高頻局放技術(shù)判斷GIS局部放電的四點(diǎn)原則，可作為今后各特高壓站GIS(或HGIS)設(shè)備局放監(jiān)測(cè)工作的借鑒。

5.1缺陷類型的判斷

可通過單周期圖譜中局放幅值、相位、密度并結(jié)合典型故障圖譜來判斷故障類型。

5.2缺陷嚴(yán)重程度的判斷

一般不能根據(jù)一個(gè)單周期圖譜來判斷局放的嚴(yán)重程度，要結(jié)合對(duì)應(yīng)的POW圖進(jìn)行綜合判斷，當(dāng)POW圖顯示的一段時(shí)間內(nèi)放電幅值及放電次數(shù)均較高時(shí)，說明放電比較嚴(yán)重。

5.3重點(diǎn)關(guān)注局放量變化趨勢(shì)

固定粒子或自由粒子放電，可能會(huì)在某一時(shí)間段活動(dòng)頻繁，但隨著尖刺燒灼消失，局放會(huì)逐漸正常，這類缺陷一般不需要處理。懸浮電位或絕緣子絕緣缺陷引起的局放，開始往往不是很活躍，但隨著局放引起往絕緣進(jìn)一步的破壞，故障會(huì)越來越嚴(yán)重，最終可能導(dǎo)致閃絡(luò)或劇烈放電，需要特別留意。

5.4現(xiàn)場(chǎng)可采用其他檢測(cè)手段進(jìn)行綜合判斷

對(duì)于懷疑存在局放的氣室，可以采用其他檢測(cè)或試驗(yàn)手段進(jìn)行綜合判斷，通?？梢圆捎贸暡ň址艡z測(cè)、SF6氣體分解產(chǎn)物測(cè)試、pH試紙酸度測(cè)定等。

[1]劉振亞.中國電力與能源[M].北京:中國電力出版社,2012:131-179.

[2]劉振亞,舒印彪,曾慶禹，等.特高壓電網(wǎng)[M].北京:中國經(jīng)濟(jì)出版社,2005:159-436.

[3]交流特高壓變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究報(bào)告[R].華東電力試驗(yàn)研究院,2007.

[4]韋鵬,許濤,黃瑤玲.基于UHF方法的GIS局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在1000kV GIS上的應(yīng)用[J].華中電力,2010,1:1-4.

[5]Pearson J S.Partial Discharge Diagnostics for Gas Insulated Substations.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1995,2(5):893-905.

[6]王國利,郝艷捧,李彥明.電力變壓器局部放電定位方法的現(xiàn)狀和前景[J].變壓器,2001,38(11):22-27.

[7]王成江,夏懷民.電暈放電聲發(fā)射現(xiàn)象的試驗(yàn)及分析[J].高壓電器,2010,01:27-31.

[8]楊保初,劉曉波,戴玉松.高電壓技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2001.12.

[9]周澤存,沈其工,方瑜,等.高電壓技術(shù)[M].3版.北京:中國電力出版社,2007.1

Applied Technology Research on 1000kV GIS Online Monitoring Device Based on UHF Method

WUChao-yong1,LIU,Yan-zhi2,WANGYan-wen1,JIANGBo1

(1.College of Electrical and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.State Grid Songzi Electrical Power Company,Jingzhou 434200,China)

The 1000kV UHV(ultra high voltage)AC(alternating current)transmission to solve an important choice for China′s power grid and energy development.When the GIS equipment break down properly,it will cause a great damage,therefore,it′s particularly important that research on UHV GIS equipment online monitoring device application technology.This paper first introduces several kinds of GIS partial discharge detection method,and then the UHF partial discharge principle and discharge patterns were analyzed.finally,four principles of using UHV method to judge partial dischange is gived.

UHV;ultra high frequency method;partial discharge;discharge patterns

1004-289X(2016)02-0026-06

TM8

B

2015-07-07

伍超勇(1994-)湖北監(jiān)利人，碩士研究生，專業(yè)：高電壓與絕緣技術(shù)，研究方向：電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷。