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1、20139甘肃兰州基于超高频法的GIS 局部放电特征图谱提取与研究张广东马建海王晓飞胡春江张凯(国网甘肃省电力公司电力科学研究院兰州市730500)【摘 要】局部放电检测是GIS设备绝缘状况诊断和评估的重要手段，进行绝缘状况评判除了要 判断是否存在局放外，故障类型的确定也是非常重要的一方面。为了分析和判断不同故障(缺陷)激 发的局放类型，文中模拟了四种常见的GIS赦障类型，通过采用超高频(UHF)局放检测方法，提取 了局放信号与相位、幅值及放电密度之间的关系，得到了典型的二维和三维放电图谱，该图谱可用于 局放信号的故障类型诊断和识别。【关键词】GIS局部放电超高频特征图谱1k E,ltl蒯Ol
2、tl and Research姐Q皿扯蛔话血印m皿af PD in GI$Bed 011 IJI-IF MothodZHANG guang-dong，MA jian-hai，WANG xiao-fei，HU chun-jiang，ZHANG kai(Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730500，China)【Ahsttam】The detection of partial discharge(PD)is one of approaches to diagnose and assess theinsulation state of
3、the GIS，the type of PD is also very important besides whether there is PD exist in GIS or not In the thesis，four defects are simulated in the GISUHF method is applied in the experiment to detect PD in the GISA set of spectrum of PD is gained through simlJlating four defects appearing in the GISThese
4、Characteristic spectrums can be used in the diagnosis and recognition of PD type in the GIS【蛔袖】GIS，partial discharge，UHF，Characteristic spectrum1 引 言GIS设备以其结构紧凑、占地面积小、不受外界环境影响、运行可靠性高、检修周期长等优点， 在电力系统中得到了广泛的应用，基本覆盖了我国现有的全部电压等级。由于GIS是大型的全封闭组合机构系统，一旦发生故障，停电检修时除需要投入大量的人力、物 力外，还需要较长的检修工期，这势必给社会、企业造成重大的损失。
5、局部放电在线检测是目前GIS 绝缘检测与故障诊断最有效的方法，据此可以发现绝缘的早期故障，为状态评价和状态检修提供技术 支持，确保设备安全可靠运行。2 GIS局放检测方法局部放电发生时伴随有物理的、化学的、光的、电以及磁的效应。从原理上讲，上述任何一种现 象都可以用来揭示局部放电现象。目前，常用的GIS局部放电检测方法大致可以分为以下五种：(1)耦合电容法 又称脉冲电流法，该方法用于GIS局部放电在线监测时，采用贴在GIS外壳上的电容电极来耦合由于局部放电而在导体芯上引起的电压变化。该方法结构简单，便于实现，但应用于现场测量时，环 境的电磁噪声使局部放电信号难以识别，灵敏度较低。6l甘肃省电机
6、工程学会2013年度获奖优秀学术论文集(2)超高频法 超高频(UHF)法的基本原理就是使用UHF天线来检测GIS局部放电产生的高频电磁波。它最主要的优点是灵敏度高，抗干扰能力强，并可对放电源进行定位。 (3)超声波法该方法用腔体外壁上安装的超声波传感器来测量局部放电产生的声波振动信号，是目前使用的除 UHF方法之外最成熟和最广泛的GIS局部放电检测方法。(4)化学法 化学检测法通过分析SF6气体生成物的含量来判断局部放电的严重程度。但GIS中的吸附剂和干燥剂可能会影响此方法的测量。另外，断路器正常开断时的电弧、局放的严重程度等因素对判断的准 确性影响较大，因此通常作为分析GIS的绝缘故障的辅助
7、方法。(5)光学法 通过光学传感器来检测局部放电产生的光信号用以判断内部局放的方法，由于光信号易被SR气体和玻璃强烈吸收、光子容易发生反射等因素，使检测灵敏度降低。 综上所述，在GIS局部放电检测方法中，超高频法和超声波法是较为实用的方法，其中超高频法最具优势与发展潜力。本文建立了三相共筒式GIS局放故障检测系统，在真实的GIS中分别模拟了高 压导体上金属间断、自由金属微粒、绝缘子表面金属污染物、绝缘子表面气隙四种典型缺陷，利用 GIS局部放电超高频检测方法对四种缺陷产生的超高频信号进行了采集，得到了四种典型绝缘缺陷的 放电图谱。3试验系统31试验设备试验设备由无局放试验电源、调压器、升压变压
8、器、耦合电容器组成，电源容量50kVA，试验变 压器输出电压0-350kV可调，并配备有SF。气体充装、回收装置，整套试验系统在额定电压下无局放。 试验在国内某GIS厂家试验大厅进行，试品采用某公司生产的110kV三相共筒式GIS，整套试验设备 装配图如图1所示。图1试验系统装配图32检测仪器局放检测仪器采用德匡PDSG公司生产的IcMsystem8系列超高频局放测试系统，超高频检测信号 带宽300M。2GHz。检测系统由绑带式UHF传感器、UHF放大器、高速数据采集系统及局放信号检测 分析系统组成。图2八通道局放数据采集系统20139甘肃兰州图3局放数据检测分析系统33检测方法试验时，预先打
9、开GIS盆式绝缘子浇注口金属屏蔽，将绑带式UHF传感器贴于浇注口，连接UHF 放大器与信号电缆至八通道数据采集系统，数据采集系统与计算机通过RS232接口连接即可实现局放 数据采集与分析处理。测试同步信号取自从分压器低压臂。图4超高频传感器连接图本次检测的目的是得到一套GIS设备典型故障下的局放特征图谱，进而建立GIS设备不同缺陷类型 的局部放电指纹库。通过比较检测仪器提供的各种图谱，最终选择以振幅相位发生率图(PRPD)和 三维图谱建立局放特征指纹库，这两种图谱都可以较好地表征出典型故障的特点。 34数据分析及分类试验过程中检测到得局放数据由软件直接转换成可视化的图形：PRPD图形提供了局放
10、信号的幅 值，放电发生率及其的相位分布，三维图谱提供了局放信号的幅值，放电次数及其相位的分布。4GlS典型故障类型模拟41高压导体上金属尖端 GIS内导体机械加工时留下的尖端或毛刺，是设备内部高压侧尖端故障的主要类型。这种缺陷往往导致尖端附近的局部高场强，引发典型的板电极流注电晕放电。此种故障在工作电压下通常表现出 较为稳定的局部放电，但在雷电过电压以及VFrO作用下，可能会引发击穿故障。本试验使用直径2mm，长度为97ram的铜丝制作成高压导体上的金属尖端缺陷。将铜丝的一端 用锡箔纸包裹以使其紧贴在导体外表面，铜丝另一端磨成针尖状，针尖曲率半径约015mm，最后用 干燥的3M绝缘胶带将其固定
11、在导体表面，模拟的缺陷如图5所示。图5高压导体上的金属尖端42自由金属微粒 运行经验表明，自由金属微粒是GIS中的常见缺陷，也是导致GIS故障的最主要原因。当腔体中甘肃省电机工程学会2013年度获奖优秀学术论文集存在自由金属微粒时，它们在外电场的作用下感应电荷以获得足够的电场能量，并在电场力的作用下 跳动、位移。如果获得的能量足够大，微粒可能越过外壳和高压导体的间隙移动到有损绝缘的地方， 引起局部放电甚至击穿。试验中制作的自由金属微粒模型使用长度为lmm，直径为04mm的小铜粒8颗，长度为2ram， 直径04mm的小铜粒4颗，随机均匀地放置于导体下方的GIS外壳内表面，并标注其位置。制作的金
12、属微粒及其在GIS中的位置如图6所示。图6自由金属颗粒43绝缘子表面金属污染 此种缺陷一般来自于施工工艺控制不良，施工环境条件差等，从而使绝缘子表面有少许铁屑、灰尘覆盖。在工作电压下，可能引发较强的电磁辐射和超声波，使SF6气体分解，形成腐蚀性分解物和 微粒，从而加速GIS内部绝缘劣化，污染绝缘子表面直至造成绝缘故障。因此，本试验制作了绝缘子表面金属污染缺陷模型。试品绝缘子采用真空浇铸的环氧盆式绝缘子， 用3M绝缘胶带将长146mm，宽22mm的铜片固定在盘式绝缘子的表面，环氧盆式绝缘子安装在1 10kV 三相共筒式GIS筒底端，制成并安装后的缺陷如图7所示。图7绝缘子上固定金属污染物44绝缘
13、子表面气隙 盆式绝缘子采用真空浇注的方式进行制作，在浇注过程中如果真空度不够或者进入了微量气体，会在浇注成型的绝缘子中产生微量气泡。气泡一旦形成，由于环氧的介电常数大于空气的介电常数，所以气泡会承担很高的场强，导致气泡发生放电，引起盆式绝缘子产生局部放电。局部放电一旦形成， 就会对绝缘产生长期的电气和物理破坏，最终导致绝缘丧失，致使GIS产生事故。试验中所用的盆式绝缘子采用真空浇注、试验验证无任何绝缘缺陷的完好绝缘子。为模拟该类型 缺陷，对环氧绝缘子开一深度为157mm直径为13mm的气隙孔，然后再用相同材料的环氧树脂将小 孔密封、凝固，制成并安装后的缺陷如图8所示。为保证气孑L在试验过程中不
14、会由于气压差而破裂， 试验后检查气孔完好无损。图8绝缘内部气隙20139甘肃兰州5GIS典型故障局放图谱每种局放故障都有本身的相位、振幅、发生频率等特点，以及长时间变化的规律。因此，通过 大量的试验，可以建立不同故障类型的典型图谱。51高压导体上金属尖端i雾“每a：攀登|。4。|。：9”甏|熊t|i溱一I、I一一。-?j裁薯缀瀵!、纂4缪警毫麓j童i篓慧一。一。一i叁i曼攀鏊耄。，薯。 蔫j一j。j|至藿：|懿霉藓叠|，l i。誊矗馨毫豫誊簿孽誊黎每薯il龋峨j；靴嘻图9PRPD二维检测图谱图10三维检测图谱高电压下金属尖端电场属于不均匀场，因此，当施加试验电压时，高压导体上的金属尖端很容 易引起的局部放电。从超高频局放检测图谱上可以看出，此种类型的局放脉冲幅值在正负半周基本 相同，最大放电幅值均在电压峰值处出现。局放信号点数负半周明显多于正半周，即负半周的放电 概率较正半周高。正负半周初始放电相位相同，局放的PRPD图谱相似度较低，负半周放电图谱向相 位增大方向倾斜。52自由金属微粒缺陷j|穗爹|嘞“。螂?j|”?I螽攘8|L41辩蜘“j毪鸶。一j鬻篓蓬j臻毫。j鬻蕊莓釜一?鼍慧罨；：|
