李義鵬，胡海燕

(中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071)

氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)是在其內(nèi)部充入一定壓力的SF6絕緣氣體，將高壓斷路器、互感器、母線等器件全部封閉在接地的金屬外殼中，組成的一個(gè)完整氣體絕緣開關(guān)站，因其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、檢修周期長(zhǎng)、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代傳統(tǒng)的敞開式設(shè)備。但近些年來(lái)，號(hào)稱“免維護(hù)”的GIS卻安全事故頻繁，據(jù)統(tǒng)計(jì)GIS故障率遠(yuǎn)大于IEC、CIGRE規(guī)定的每年每一百個(gè)間隔不超過0.1次。

研究表明，高壓電氣設(shè)備在故障發(fā)生前或發(fā)生時(shí)，會(huì)誘發(fā)局部放電，表現(xiàn)為氣體、液體、固體小范圍的局部重復(fù)擊穿，放電能量很小、時(shí)間很短、有微弱的脈沖信號(hào)出現(xiàn)，同時(shí)伴隨有聲、光、熱以及化學(xué)分解等特征，這些微弱的放電能逐漸劣化，最終導(dǎo)致設(shè)備整個(gè)絕緣擊穿。為提前發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的潛伏性運(yùn)行隱患，基于微弱脈沖信號(hào)檢測(cè)的狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其主要包括高頻電流法、特高頻脈沖法、暫態(tài)對(duì)地電壓等，而目前應(yīng)用最廣泛的是特高頻信號(hào)檢測(cè)。特高頻信號(hào)頻率在300～3 000 MHz之間，具有較強(qiáng)的絕緣介質(zhì)穿透能力，通常通過內(nèi)置傳感器或外置傳感器進(jìn)行檢測(cè)[1-5]。外置傳感器安裝比較靈活，易于維護(hù)；內(nèi)置傳感器具有較高的靈敏度，但內(nèi)置傳感器的設(shè)計(jì)安裝通常在GIS制造時(shí)完成，已經(jīng)運(yùn)行的GIS經(jīng)過改造后也可以安裝(如利用手孔處的蓋板替換)，但所能安裝的內(nèi)置傳感器的個(gè)數(shù)和安裝位置受到限制[6，7]。內(nèi)置傳感器安裝后，除非GIS停電大修，否則無(wú)法對(duì)傳感器進(jìn)行拆裝，因此運(yùn)行中的GIS不易對(duì)內(nèi)置傳感器的可靠性及有效性進(jìn)行校驗(yàn)，而內(nèi)置傳感器一般用于GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生傳感器故障將無(wú)法表征GIS內(nèi)的局部放電情況，存在較大的安全隱患，對(duì)此開展相關(guān)研究工作。

1 特高頻信號(hào)在GIS內(nèi)的傳輸特點(diǎn)

GIS相當(dāng)于一些不同特性阻抗的低損同軸波導(dǎo)的串聯(lián)，并有許多不連續(xù)點(diǎn)，將引起駐波和復(fù)雜諧振。研究發(fā)現(xiàn)，GIS內(nèi)特高頻電磁波的傳播特性具有以下特點(diǎn)[8-11]。

a)在GIS直腔體中的傳播特性。在GIS腔體內(nèi)部由于原始波形和原始波在GIS腔體中不斷反射的波形疊加，使得特高頻信號(hào)在GIS腔體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值并不是一直減小，而是呈現(xiàn)出震蕩衰減的過程。大約每1 m特高頻信號(hào)會(huì)衰減1.5 dB，到了5 m位置時(shí)，信號(hào)衰減到了原來(lái)的一半。

b)絕緣子對(duì)UHF信號(hào)傳播的影響。UHF信號(hào)在GIS腔體中有絕緣子的情況下，在GIS腔體中傳播有時(shí)間和空間上的衰減，經(jīng)過一個(gè)環(huán)氧樹脂絕緣子后衰減了2.15 dB。而內(nèi)置傳感器直接安裝在GIS腔體內(nèi)，不會(huì)因絕緣子的存在產(chǎn)生信號(hào)衰減。

c)拐角T型頭對(duì)UHF信號(hào)傳播的影響。特高頻經(jīng)過拐角T型頭時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定的衰減，試驗(yàn)結(jié)果表明，特高頻信號(hào)經(jīng)過每個(gè)GIS內(nèi)部的拐角T型頭后信號(hào)的衰減大約是1.78 dB。

2 內(nèi)置式特高頻傳感器校驗(yàn)方法

特高頻傳感器既可以接收局部放電信號(hào)還可以作為天線發(fā)射局部放電信號(hào)，根據(jù)這一特點(diǎn)再結(jié)合GIS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及特高頻信號(hào)在GIS內(nèi)的傳輸特點(diǎn)[12-17]，提出以下方法對(duì)內(nèi)置式特高頻傳感器的有效性進(jìn)行校驗(yàn)。

a)在GIS間隔上選擇一內(nèi)置式特高頻傳感器，并把固定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過該傳感器注入到GIS內(nèi)。

b)在相鄰最近的內(nèi)置式特高頻傳感器上通過局放測(cè)試儀檢測(cè)信號(hào)的幅值大小。

c)依次選擇不同的內(nèi)置式特高頻傳感器，并把參數(shù)不變的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過該傳感器注入到GIS內(nèi)，在其相鄰最近的內(nèi)置式特高頻傳感器上檢測(cè)信號(hào)的幅值大小。

d)根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及特高頻信號(hào)在GIS內(nèi)的傳輸特點(diǎn)對(duì)比檢測(cè)數(shù)據(jù)，如果所檢測(cè)到數(shù)據(jù)相差不大，說(shuō)明該GIS上的內(nèi)置式特高頻傳感器性能正常；如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)相差太大的情況，則在該內(nèi)置式特高頻傳感器相鄰的另一個(gè)傳感器上重復(fù)測(cè)試，并根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)及特高頻信號(hào)的傳播特點(diǎn)計(jì)算信號(hào)的衰減，確認(rèn)傳感器的有效性。檢測(cè)點(diǎn)的信號(hào)幅值可以根據(jù)公式(1)來(lái)計(jì)算。

式中:S——檢測(cè)點(diǎn)處的信號(hào)幅值，dB；

S0——標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅值，dB；

L——兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離，m；

n——拐角T型頭個(gè)數(shù)。

e)傳感器校驗(yàn)完畢后，通過在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步復(fù)核傳感器的有效性。

3 內(nèi)置式特高頻傳感器校驗(yàn)方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某變電站220 kV GIS上應(yīng)用了內(nèi)置特高頻傳感器，應(yīng)用內(nèi)置式特高頻傳感器校驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 特高頻內(nèi)置傳感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)

3.1 校驗(yàn)設(shè)備

采用PDS-CL21特高頻信號(hào)發(fā)生器，該發(fā)生器能夠產(chǎn)生各種放電類型的特高頻局放信號(hào)，并且強(qiáng)度可調(diào)，可用于局放信號(hào)模擬。采用PDS-T95多功能局放巡檢儀檢測(cè)特高頻局放信號(hào)的幅值，該設(shè)備使用特高頻法、超聲波法對(duì)電力設(shè)備局放進(jìn)行檢測(cè)，手持式，快速判斷局放存在。設(shè)備照片如圖2所示。

圖2 校驗(yàn)用設(shè)備

3.2 校驗(yàn)結(jié)果

使用PDS-CL21特高頻信號(hào)發(fā)生器在GIS各間隔上的內(nèi)置傳感器上注入特高頻信號(hào)，使用PDS-T95多功能局放巡檢儀在其相鄰的內(nèi)置傳感器上檢測(cè)特高頻信號(hào)的幅值。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到的結(jié)果見表1。

3.3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

從表1的校驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該GIS內(nèi)除I母分段處的3個(gè)內(nèi)置傳感器外，其他位置傳感器檢測(cè)到的特高頻信號(hào)幅值基本接近，說(shuō)明特高頻傳感器運(yùn)行正常。I母分段處的3個(gè)傳感器，由于其與相鄰傳感器間存在多個(gè)盆式絕緣子以及T形頭，所以根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及特高頻信號(hào)在GIS內(nèi)的傳輸特點(diǎn)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 內(nèi)置特高頻傳感器校驗(yàn)數(shù)據(jù)

a)特高頻信號(hào)在GIS內(nèi)大約每1 m衰減1.5 dB。該GIS上，距離最近的傳感器其距離1 m且為直管段，檢測(cè)到特高頻信號(hào)為57 dB，則特高頻信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)大約為58.5 dB。

b)特高頻信號(hào)在GIS內(nèi)大約每1 m衰減1.5 dB，特高頻信號(hào)經(jīng)過每個(gè)GIS內(nèi)部的拐角T型頭后信號(hào)的衰減大約是1.78 dB。I母分段距其最近的傳感器6 m左右，中間還有2個(gè)拐角T型頭。相鄰傳感器特高頻信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)大約為58.5 dB，根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出該位置的信號(hào)幅值約為45.94 dB，與檢測(cè)結(jié)果接近。

c)所有內(nèi)置傳感器均能夠正常工作，不影響特高頻信號(hào)的檢測(cè)。

3.4 傳感器在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)核

特高頻傳感器校驗(yàn)完成后，傳感器復(fù)位并投入運(yùn)行，監(jiān)測(cè)到的特高頻信號(hào)正常，其中典型的圖譜如圖所示，該圖譜有一定的局放特征，經(jīng)便攜式局放測(cè)試儀復(fù)核，判斷該處信號(hào)為干擾信號(hào)。

圖3 GIS內(nèi)特高頻局放圖譜

4 結(jié)論

根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及特高頻信號(hào)在GIS內(nèi)的傳輸特點(diǎn)，提出了一種簡(jiǎn)單的特高頻內(nèi)置傳感器校驗(yàn)方法，通過注入固定的特高頻信號(hào)，在相鄰傳感器上檢測(cè)信號(hào)幅值，結(jié)合幅值大小及信號(hào)衰減特性進(jìn)行計(jì)算，判斷特高頻傳感器的有效性。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，該方法簡(jiǎn)單有效，可方便的對(duì)內(nèi)置特高頻傳感器的有效性進(jìn)行校驗(yàn)。