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特高壓GIS特高頻內(nèi)置傳感器有效監(jiān)測范圍現(xiàn)場測試與評估技術(shù)研究

2017-12-11 08:53邵先軍何文林王紹安吳胥陽劉浩軍周陽洋
浙江電力 2017年11期
關(guān)鍵詞:斷路器幅值脈沖

邵先軍,何文林,王紹安,徐 華,吳胥陽,劉浩軍,周陽洋

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院,杭州 310014;2.國網(wǎng)浙江省電力公司,杭州 310007;3.國網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司,浙江 金華 321016;4.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司,杭州 310018)

特高壓GIS特高頻內(nèi)置傳感器有效監(jiān)測范圍現(xiàn)場測試與評估技術(shù)研究

邵先軍1,何文林1,王紹安1,徐 華2,吳胥陽3,劉浩軍1,周陽洋4

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院,杭州 310014;2.國網(wǎng)浙江省電力公司,杭州 310007;3.國網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司,浙江 金華 321016;4.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司,杭州 310018)

為有效評估特高壓GIS特高頻內(nèi)置傳感器的靈敏度及其監(jiān)測范圍,搭建了252 kV GIS等效脈沖注入實驗平臺。首先通過等效實驗方法,建立252 kV GIS內(nèi)典型缺陷5 pC放電量與等效注入脈沖信號波形之間的關(guān)系;結(jié)合252 kV GIS和1 100 kV GIS的特高頻電磁波數(shù)值計算,仿真得到了1 100 kV GIS內(nèi)缺陷5 pC放電量下的等效注入脈沖信號的波形參數(shù)。針對特高壓某站1 100 kV GIS的各種典型特高頻傳感器布置方式,開展有效監(jiān)測范圍的現(xiàn)場測試與評估,結(jié)果表明:特高壓安吉站1 100 kV GIS只有出線間隔布置方式的B相滿足監(jiān)測靈敏度的要求。最后提出特高頻內(nèi)置傳感器優(yōu)化布置計算方法,并依此提出了特高壓某站1 100 kV GIS的特高頻內(nèi)置傳感器優(yōu)化布置方案。

特高頻傳感器;等效注入脈沖;優(yōu)化布置;現(xiàn)場測試

0 引言

UHF(特高頻)法作為一種抗干擾性能強、靈敏度高、易識別缺陷類型以及可實現(xiàn)放電源定位的局部放電檢測方法,已逐漸得到國內(nèi)外學者的認可,在GIS(氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備)狀態(tài)檢測與故障診斷中有著良好的應(yīng)用前景[1-3]。

UHF傳感器作為UHF監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件,其靈敏度指標更是重中之重[4]。目前,國內(nèi)外普遍應(yīng)用M.D.Judd等人提出的實驗室GTEM小室測試法來定量評估特高頻傳感器的靈敏度[4-6]。但實際上,UHF監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度還受到GIS結(jié)構(gòu)、UHF傳感器布置方式等因素的影響,因此如何更全面地評估GIS特高頻傳感器有效監(jiān)測范圍和靈敏度是現(xiàn)場應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵問題。

為此,ABB公司、斯圖加特大學、代爾夫特工業(yè)大學、東京大學等研究機構(gòu)提出了諸如二端口網(wǎng)絡(luò)測試法等方法,來現(xiàn)場測試GIS UHF監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度[7-9]。CIGRE TF 15/33 03 05工作組總結(jié)了前人的研究成果,推薦了一種GIS UHF監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度檢驗方法,取得了一定的成效[10]。

以下介紹了252 kV GIS等效脈沖注入實驗平臺,建立252 kV GIS內(nèi)典型缺陷5 pC放電量與等效注入脈沖信號波形之間的關(guān)系;通過仿真手法推算得到1 100 kV GIS內(nèi)放電量與等效注入信號間關(guān)系,并開展了特高壓安吉站1 100 kV GIS典型GIS結(jié)構(gòu)與傳感器布置方式下特高頻有效監(jiān)測范圍的現(xiàn)場實測與評估。最后提出特高頻內(nèi)置傳感器優(yōu)化布置計算方法,并針對特高壓安吉站1 100 kV GIS提出特高頻傳感器優(yōu)化布置方案。

1 傳感器有效監(jiān)測范圍測試方法

GIS整體局部放電(以下簡稱局放)要求小于5 pC,因此現(xiàn)場在線監(jiān)測傳感器布置合理性的重要判據(jù)是相鄰的2個傳感器能否檢測得到該局放量下的UHF信號。任一點發(fā)生局放時,距離放電點最近的2個傳感器均應(yīng)能夠檢測到。但在現(xiàn)場GIS內(nèi)難以產(chǎn)生等效于5 pC的放電信號,因此通過在GIS內(nèi)置傳感器注入模擬5 pC放電的等效脈沖信號,判斷相鄰傳感器能否檢測該信號作為傳感器布置合理性的判據(jù),也就確定了傳感器的有效監(jiān)測范圍。

因此傳感器有效監(jiān)測范圍的測試方法主要包括以下步驟:

(1)在實驗室GIS內(nèi)布置缺陷模型,使其產(chǎn)生5 pC的放電量,檢測相鄰傳感器信號幅值,如圖1(a)所示。在缺陷處安裝內(nèi)置傳感器,并通過改變其注入電壓脈沖信號參數(shù),使相鄰傳感器產(chǎn)生信號的幅值與布置缺陷時幅值一致,確定等效5 pC注入脈沖參數(shù),如圖1(b)所示。

(2)在現(xiàn)場GIS內(nèi)置傳感器注入實驗室內(nèi)確定參數(shù)的電壓脈沖,判斷相鄰傳感器能否有效檢測到信號(局放監(jiān)測系統(tǒng)顯示放電幅值大于軟件最小監(jiān)測幅值6~10 dBm),若可以檢測到信號,則認為這2個傳感器之間布置合理。

2 252 kV GIS局放等效脈沖信號

2.1 等效脈沖注入實驗平臺

252 kV GIS局放仿真平臺如圖2所示,主要由實驗腔體、電壓互感器、電流互感器、隔離開關(guān)、套管與耦合電容器組成。脈沖電流信號和UHF信號分別采用PDcheck局放儀和EC4000局放儀采集;UHF時頻域信號分別采用安捷倫DSO9404A 示波器(4 GHz, 20 Gsa/s), N9020A 頻譜儀(20 Hz~3.6 GHz)測量;皮秒級脈沖重復(fù)信號源(上升沿小于600 ps,脈寬小于4 ns,電壓幅值0~200 V可調(diào),重復(fù)頻率50~200 Hz可調(diào))用于產(chǎn)生脈沖注入信號。

2.2 等效脈沖注入信號的確定

在圖2所示的實驗腔體設(shè)置自由顆粒缺陷,逐步升高外施電壓,使產(chǎn)生的實在放電量為5 pC左右。因缺陷放電為非穩(wěn)定性,圖3所示此時不同放電量下放電次數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果,可以看出,4~6 pC放電量的放電次數(shù)發(fā)生概率最大,因此可認為此時對應(yīng)的放電量為5 pC。

圖3 自由顆粒缺陷的脈沖電流局放量統(tǒng)計

圖4所示為5 pC放電量下UHF信號的PRPD統(tǒng)計譜圖,圖中顏色越深表示放電概率密度最高,代表了5 pC局放量下UHF信號幅值的分布。

圖4 自由顆粒缺陷的UHF信號PRPD譜圖

為了確定等效注入信號強度,在缺陷設(shè)置腔體的UHF傳感器處注入脈沖電壓信號,通過調(diào)整波形參數(shù)(幅值、脈寬、上升沿)使產(chǎn)生的PRPD譜圖信號幅值與圖4對應(yīng)幅值相同。最終確定注入信號為:上升時間1 ns;脈寬500 ns;幅值8 V;頻率50 Hz,如圖5所示,所對應(yīng)的UHF信號檢測處傳感器的PRPD譜圖如圖6所示,可見與圖4的信號幅值分布較為接近。

3 1 100 kV GIS局放等效脈沖信號的仿真推算

因特高壓某站1 100 kV GIS結(jié)構(gòu)、尺寸與252 kV GIS存在較大差異,因此在第2小節(jié)所得到的局放等效注入脈沖無法直接應(yīng)用于1 100 kV GIS。為解決這一問題,提出了利用電磁波仿真技術(shù),模擬等效注入信號實驗過程,結(jié)合252 kV GIS等效注入信號實驗,推算得到1 100 kV GIS局放等效脈沖注入信號。

圖5 等效注入脈沖信號波形

圖6 等效注入脈沖信號下的UHF信號PRPD譜圖

3.1 仿真模型

基于FDTD(時域有限差分法),建立了252 kV及1 100 kV GIS仿真模型,用于確定1 100 kV GIS 5 pC局放量下需要在內(nèi)置傳感器所注入電壓脈沖幅值,如圖7所示。仿真模型中,內(nèi)置傳感器模型完全模擬了安裝在GIS內(nèi)的結(jié)構(gòu),可真實模擬其頻率響應(yīng)。在252 kV GIS模型左側(cè)傳感器注入圖5所示的實驗確定的脈沖電壓波形,仿真得到右側(cè)傳感器輸出電壓波形;在1 100 kV GIS模型左側(cè)傳感器注入波形相同但幅值不同的脈沖電壓,直至右側(cè)傳感器輸出電壓波形與252 kV波形一致時,判斷此時為1 100 kV應(yīng)注入的局放等效脈沖信號幅值。

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明,當1 100 kV GIS內(nèi)注入電壓脈沖幅值為10 V,右側(cè)傳感器輸出波形與252 kV較一致,兩者對比如圖8所示,可見2個波形具有較好的一致性。因此最終確定1 100 kV GIS在5 pC局放量下等效注入脈沖信號參數(shù)為:上升時間1 ns,脈寬500 ns,幅值10 V,頻率50 Hz。

4 1 100 kV GIS現(xiàn)場實測

圖7 GIS局放等效注入信號仿真模型

圖8 2種GIS輸出信號對比

以特高壓某站的1 100 kV GIS為研究對象,現(xiàn)場測試了其內(nèi)置UHF傳感器的有效監(jiān)測范圍。分別選取站內(nèi)典型布置方式,在一側(cè)內(nèi)置傳感器注入3.2中所確定參數(shù)的等效注入脈沖電壓,在相鄰傳感器處檢測UHF信號,若檢測到信號幅值大于局放儀最小監(jiān)測幅值6~10 dBm,認為兩傳感器布置合理。測試中使用SKS-UHF02GA注入電壓脈沖,該脈沖源可產(chǎn)生0~1 000 V的穩(wěn)定脈沖電壓信號;UHF信號采用便攜式EC4000診斷型局放檢測儀檢測信號。

4.1 二斷口斷路器間隔

4.1.1 隔離開關(guān)外側(cè)傳感器注入

圖9所示為二斷口斷路器間隔的典型傳感器布置下的現(xiàn)場測試,由于三相傳感器布置方式相同,因此僅在A相開展實驗。圖10所示為不同注入電壓峰值下相鄰傳感器檢測信號的幅值,可以看出在注入電壓小于800 V,相鄰傳感器的信號過小均被淹沒在噪聲中,遠超過5 pC局放量下等效脈沖信號幅值10 V。因此可見,該UHF傳感器布置方式下的有效監(jiān)測范圍不能滿足要求。

圖9 二斷口斷路器典型傳感器布置方式

圖10 不同注入電壓幅值下相鄰傳感器的信號幅值

4.1.2 出線傳感器注入

因二斷口斷路器的一側(cè)出線安裝了UHF傳感器,傳感器1位于隔離開關(guān)外側(cè),傳感器2位于斷路器對側(cè)出線上,中間經(jīng)過3個拐角、2個流變、2個刀閘及1個斷路器。為了考察該段傳感器布置方式下的有效監(jiān)測范圍,采用如圖11所示的實驗布置,在傳感器2處注入10~800 V脈沖電壓,在傳感器1檢測輸出信號。結(jié)果表明在傳感器2注入800 V時,傳感器1仍檢測不到信號,說明該傳感器布置方式的監(jiān)測范圍不滿足要求。

4.2 四斷口斷路器間隔

該站1 100 kV GIS二期工程安裝了四斷口斷路器,圖12為四斷口斷路器間隔的傳感器典型布置方式。左側(cè)注入傳感器位于隔離開關(guān)外出線側(cè),右側(cè)接收傳感器位于流變與隔離開關(guān)中間。當注入信號為600 V時,接收傳感器才能夠有效檢測信號,局放儀檢測信號幅值為-69 dBm,說明傳感器布置方式的監(jiān)測范圍不滿足要求。

4.3 出線間隔傳感器布置合理性

圖11 二斷口斷路器典型傳感器布置方式

圖12 四斷口斷路器間隔典型傳感器布置方式

以安蘭Ⅱ線出線間隔為例,現(xiàn)場測試了該間隔典型布置方式下的有效監(jiān)測范圍。圖13為該間隔的測試布置示意。由于三相相鄰兩傳感器間距離不同,分別測試了三相傳感器布置方式下的有效監(jiān)測范圍。三相相鄰兩傳感器之間的距離分別為:A相26.6 m;B相20.5 m;C相30.1 m。圖14所示為三相三相在不同注入電壓下相鄰傳感器信號幅值。可見,A,B,C三相最低可測信號的注入電壓分別為20 V,5 V及50 V,因此B相傳感器布置的監(jiān)測范圍滿足要求;但是A和C兩相傳感器間距過大,不滿足布置要求,需要降低傳感器之間距離。

4.4 母線間隔

母線間隔共包括中間存在T形分支、中間存在門型架及直線母線段3種情況,逐一對3種布置下傳感器的有效監(jiān)測范圍進行了測試。

4.4.1 T形分支情形

圖15所示為存在T形分支的母線間隔傳感器布置合理性測試實驗,兩傳感器之間距離為41.9 m且包含9個盆式絕緣子,測得不同注入電壓下相鄰傳感器的信號幅值如圖16所示??梢钥闯觯S著注入電壓增大,檢測信號幅值呈非線性增長,最低檢測電壓為30 V,說明該傳感器布置下的有效監(jiān)測范圍仍偏大,需要縮短傳感器間的距離。

圖13 安蘭Ⅱ線出線間隔傳感器布置

圖14 安蘭Ⅱ線三相在不同注入電壓下相鄰傳感器信號幅值

圖15 T形分支母線段傳感器布置方式

4.4.2 門型架情形

圖16 T形分支母線段不同注入電壓下測信號峰值

圖17 門型架布置方式

圖17所示為母線間隔存在門型架情形的傳感器布置方式下的測試,兩傳感器之間距離為29.8 m且包含6個盆式絕緣子,測得不同注入電壓下檢測信號幅值如圖18所示。隨著注入電壓增大,檢測信號幅值同樣呈非線性增長,最低可檢測信號的注入電壓幅值為30 V,說明傳感器布置間距偏大。

圖18 門型架母線段不同注入電壓下檢測信號峰值

4.4.3 直線母線情形

圖19為直線母線段傳感器布置合理性測試實驗示意,兩傳感器之間距離為41 m且包含8個盆式絕緣子,測得不同注入電壓下檢測信號幅值如圖20所示。最低可檢測信號時注入脈沖信號為10 V,但此時信號幅值為-78 dBm,不能滿足大于最小檢測靈敏度6~10 dBm的要求,說明該傳感器布置方式下的有效監(jiān)測范圍偏小。

圖19 直線母線段傳感器布置方式

圖20 直線母線段不同注入電壓下檢測信號峰值

5 特高頻傳感器優(yōu)化布置方法

5.1 傳感器間最大允許衰減計算

UHF有效監(jiān)測范圍優(yōu)化布置時,需要綜合考慮局放監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測靈敏度要求、監(jiān)測設(shè)備接收信號靈敏度、UHF電纜的傳輸衰減及局部放電傳感器檢測靈敏度等要求。當以上各項的每一項改變時,兩傳感器之間允許GIS內(nèi)部衰減量也隨之變化。因此為了優(yōu)化布置傳感器,提出了一種允許GIS內(nèi)UHF信號衰減量L的計算方法:

GTEM小室的實驗結(jié)果表明,5 pC放電量在傳感器處產(chǎn)生的電場強度為0.234 5 mV/mm。假定傳感器采用DMS公司內(nèi)置傳感器(平均等效高度為13.9 mm),選用20 m長普通電纜(電纜衰減為13 dB/100 m)。在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測靈敏度為-70 dBm,則允許GIS內(nèi)最大衰減為:

因此任意傳感器的檢測覆蓋范圍為28.7 dB以下衰減的區(qū)域,為了使GIS內(nèi)任意點發(fā)生局放時都可被有效檢測,兩傳感器中間衰減不應(yīng)大于28.7 dB。

5.2 傳感器優(yōu)化布置方案

5.2.1 串內(nèi)斷路器間隔

針對特高壓某站1 100 kV GIS各典型結(jié)構(gòu)衰減特性現(xiàn)場實測結(jié)果可知,隔離開關(guān)、二斷口斷路器及四斷口斷路器的衰減分別為12 dB,23 dB及16 dB,按照現(xiàn)在布置方式兩傳感器之間衰減為12+12+23=47 dB及12+12+16=40 dB,遠大于28.7 dB,因此實測結(jié)果表明,當前傳感器布置方式的有效監(jiān)測范圍不符合要求。優(yōu)化布置時可考慮在斷路器及隔離開關(guān)中間流變位置安裝傳感器。若僅在一側(cè)流變安裝傳感器,對二斷口及四斷口斷路器,兩傳感器中間最大衰減為12+23=35 dB及12+16=28 dB,可見此時二斷口斷路器布置仍不能滿足要求,四斷口斷路器布置方式剛剛能夠達標。因此應(yīng)該在斷路器兩側(cè)流變均安裝傳感器,此時對二斷口及四斷口斷路器兩傳感器中間最大衰減為23 dB及16 dB,滿足小于28.7 dB的要求。綜上所述,四斷口及二斷口的斷路器傳感器必須在斷路器TA的兩側(cè)都布置,且在相鄰兩斷路器的隔離開關(guān)中間位置最好也布置傳感器。

5.2.2 進出線間隔

根據(jù)安蘭Ⅱ線出線測試結(jié)果可知,B相傳感器間距為20.5 m時布置合理,但A,C相間距分別為26.6 m及30.1 m,傳感器布置不合理?,F(xiàn)場衰減特性實測結(jié)果表明,GIS拐角結(jié)構(gòu)引起的衰減約為12 dB,直線段衰減約為0.9 dB/m。因此要求直線段衰減不應(yīng)超過28.7-12=16.7 dB,直線段長度不宜超過16.7/0.9=18.5 m。實測結(jié)果表明B相出線段傳感器間距為20 m時處于滿足檢測要求的邊緣,這是因為28.7 dB是以較嚴苛的數(shù)據(jù)條件推導(dǎo)的結(jié)果。

5.2.3 母線間隔

根據(jù)母線間隔的測試結(jié)果,直線母線段傳感器中間41 m且包含8個盆式絕緣子、過門型架傳感器間距29.8 m且包含6個盆式絕緣子、T型分支母線傳感器間距41.9 m且包含9個盆式絕緣子3種布置方式下的有效監(jiān)測范圍均不合理?,F(xiàn)場衰減特性測試結(jié)果表明,盆式絕緣子約引起2 dB的衰減,直線段衰減約為0.9 dB/m,若一段直線母線腔室(包括1個盆式絕緣子)長度為7 m,則每隔28.7/(2+0.9×7)=3.45 段即 21 m 加 3.45 個盆式絕緣子需布置1個傳感器,適當放寬要求可取為20 m直線母線段,且之間不應(yīng)超過4個盆式絕緣子。對于T形分支母線,分支母線引起10 dB的衰減,因此要求直線段衰減小于(28.7-10)=18.7 dB。根據(jù)直線母線段類似計算方法,可知,2個傳感器之間最大距離為15 m,且之間不應(yīng)超過2個盆式絕緣子。

5.2.4 優(yōu)化布置方案

結(jié)合GIS實際結(jié)構(gòu)與上述各個間隔的傳感器優(yōu)化布置要求,形成了表1所示的特高壓安吉站1 100 kV GIS優(yōu)化布置方案。

表1 1 100 kV GIS不同間隔下傳感器優(yōu)化布置方式

6 結(jié)語

通過搭建252 kV GIS等效脈沖注入實驗平臺,建立了252 kV GIS典型缺陷下5 pC局放量與注入脈沖信號間的等效關(guān)系,并通過電磁波仿真手法推算得到了1 100 kV GIS的等效注入脈沖信號波形。在特高壓某站1 100 kV GIS開展了內(nèi)置UHF傳感器有效監(jiān)測范圍的現(xiàn)場測試與評估,提出了優(yōu)化布置計算方法和方案,為GIS UHF在線監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器布置提供參考依據(jù)。

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2017-09-22

邵先軍(1983),男,高級工程師,從事GIS局放檢測與故障診斷等方面工作。

(本文編輯:徐 晗)

Research on Field Test and Evaluation Technique for Effective Monitoring Range of the UHF Built-in Sensor of UHV GIS

SHAO Xianjun1, HE Wenlin1,WANG Shaoan1,XU Hua2, WU Xuyang3,LIU Haojun1,ZHOU Yangyang4

(1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China;2.State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China;3.State Grid Jinhua Power Supply Company, Jinhua Zhejiang 321016, China;4.State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company, Hangzhou 310018, China)

In order to evaluate the sensitivity and monitoring range of UHF built-in sensor of UHV GIS,an equivalent impulse injection experimental platform of 252 kV GIS was established.Through the equivalent experiment method,relationship between the defective discharge capacity of 5 pC and equivalent impulse injection signal wave was established;according to values calculation of UHF electromagnetic wave of 252 kV and 1 100 kV GIS,parameter of the equivalent impulse injection signal wave with the defective discharge capacity of 5 pC in 1 100 kV GIS was concluded by simulation.In accordance to the distribution mode of various typical UHF sensors in 1 100 kV GIS in a UHV substation,field test and evaluation on the effective monitoring range were conducted.The result shows that only phase B in alternative arrangement of 1 100 kV GIS in Anji UHV substation meets the monitoring sensitivity requirement.At the last,the paper presents an optimized arrangement and calculation method for UHF built-in sensors and thereof proposes an optimized arrangement scheme for UHF built-in sensor in 1 100 kV GIS in an UHV substation.

UHF sensor; equivalent impulse injection; optimized arrangement; field test

10.19585/j.zjdl.201711003

1007-1881(2017)11-0016-07

TM595

A

國家自然科學基金(51607140);國網(wǎng)浙江省電力公司科技項目(5211DS15002P)

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SF6斷路器拒動的原因分析及處理
Prevention of aspiration of gastric contents during attempt in tracheal intubation in the semi-lateral and lateral positions