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气体绝缘开关设备中局部放电的在线监测技术

来源：哗拓教育

王建生,邱毓昌

(西安交通大学电气工程学院,西安710049)

摘要:本文评述了气体绝缘开关设备(GIS)中局部放电的各种在线监测技术的原理特点、适用范围、灵敏度及结果评价等,认为超高频法具有抗干扰能力强、能识别缺陷类型、能对局放源准确定位等优点在GIS局部放电在线监测技术中具有很好的应用前景。

关键词:局部放电;在线监测;气体绝缘开关设备中图分类号:TM835　　　文献标识码:A　　　文章编号:100323076(2000)0420044205

1　概述

气体绝缘开关设备(GIS)局部放电(局放)的在线监测是GIS绝缘诊断技术的重要组成部分,已日益受到制造厂和用户所重视,并将此作为判断GIS绝缘长期可靠性的一种有效手段。由此产生的GIS检测技术也迅速发展起来,可分为电测法和非电测法两大类。电测法包括传统的耦合电容法[1]、高频法[2]、超高频法[3,4];非电测法主要包括声测法[5,6]、光电法[7]和化学方法[2]等。不论用何种方法,其关键是灵敏度,即能可靠地将缺陷检测出来,并判断出缺陷的位置。

本文通过对上述几种方法特别是超高频法和超声波法的原理特点、适用性及灵敏度等特性的比较分析,认为近十年发展起来的超高频法是目前GIS中局放在线监测技术中具有很好应用前景的方法。

2　GIS中局部放电检测技术

2.1　电测法

电测法根据测量频率可分为三种,即传统的电测法、高频法和超高频法。2.1.1　传统的电测法

这是IEC60270标准推荐的方法,也称耦合电容法,是测量局部放电的最常用方法,测量频率在10这种方法的优点是可MHz以内。通过校准对局部放电进行定量测量,灵敏度取决于耦合电容与试品等值电容的比值,一般可优于2pC。但这种方法要求试验回路中的所有组件包括高压引线均不能产生高于试品本身局放水平的干扰。2.1.2　高频法

高频法(<100MHz)是将许多传感器分布在整个GIS中,根据频谱分析仪接受到的最大信号来确定某一缺陷的最大灵敏度。传感器可以是嵌在绝缘子中的电极或安装在绝

收稿日期:1999211209

作者简介:王建生(19622),男,浙江籍,高工,博士生,从事高电压试验测量技术及标准化工作;

邱毓昌,男,教授,博导,IEEE高级会员。已培养了19位博士生,其中11人已拿到博士学位。

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缘法兰上;GIS通常采用多点接地使得局放的电气检测可在接地回路中进行,例如采用高灵敏度的脉冲电流互感器,其原理就象罗果夫斯基(Rogowski)线圈。检测频率可达几十兆赫兹。这种方法的现场检测灵敏度可达100pC,主要在日本使用[2]。2.1.3　超高频法(UHF)

UHF法是利用预先装设的天线传感器

适用于不同的干扰源。如对空气电晕产生的频率较低的电磁干扰只需加一500MHz的高通滤波器,用宽频法即可完全消除干扰;对电视信号由于其具有中心频率可UHF通讯、

用窄频法对其与局部放电信号加以比较后而

识别[10](如图1)。

测量由局放脉冲激发的、在GIS中传播的超高频电磁波来评价局放的。这种方法的理论基础是局部放电脉冲激发的超高频电磁波在同轴波导中传播时,不仅以横向电磁波(TEM)形式,而且还会建立横电波(TE)和横磁波(TM)。TEM波为非色散波,它可以任何频率在GIS中传播,但频率f>100MHz时沿传播方向衰减很快;而TE和TM波则不同,它们具有各自的下限截止频率fc(取决于GIS同轴尺寸,一般为250MHz～300MHz),当电磁波频率f>fc时,电磁波基本上无衰减地传播。UHF法的主要优点:

由于一般空气电晕干a)抗干扰能力强。

扰的频率较低(<100MHz),故远低于fc,因此这种干扰已不在UHF法的测量范围内了。

合理布b)可以对局部放电源进行定位。置UHF传感器,可通过电磁波到达不同传

感器的时差来对局放源进行定位,且具有相当高的定位精度。

c)根据所测电磁波信号频谱,可以区分不同的缺陷类型。

在GIS出厂d)可以进行长期现场监测。

时就将传感器安装好,由此可对GIS进行长期局部放电监测。

在实验室e)灵敏度可以满足工程要求。中灵敏度可达1pC[8]。

超高频法分为宽频法和窄频法[3]。宽频法加一前置高通滤波器;窄频法利用频谱分析仪对所要研究的频段进行筛选。它们分别2000年第4期

图1　窄频法UHF局放检测结果

a)背景噪音频谱;

b)包含有5.3pC局放信号的频谱

灵敏度。UHF法的关键技术是传感器、图2给出了GIS内部常用的锥形天线传感器

结构。它以圆板电极作为接收电磁波的天线,信号由阻抗与测量电缆波阻抗相等的锥体引出。这种传感器由安装法兰直接安装在GIS上,故其内介质也为SF6。2.2　非电测法

非电测法可分为声测法、光电法和化学方法等。

2.2.1　声测法

GIS中局部放电声测法是基于被检测缺

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在电弧和放电的作用下,SF6气体会产生分解物。放电初期,分解物为金属氟化物粉末、SF4及低氟化硫。SF4及低氟化硫极易与氧发生反应在极短时间内形成氟氧硫化物,最稳定的是SOF2和SO2F2。当放电发生在环氧材料附近时还会产生CF4。

气相色谱法(GC)可对GIS中分解物的特性进行分析。由于SOF2和SO2F2很稳定,

图2　UHF法用天线传感器结构示意图

陷在放电时所激发的超声信号,它是GIS中

最早采用的绝缘诊断技术之一。这些信号可用安装在GIS外面的传感器来检测。由于这种方法对GIS内部没有影响,因此可对任何GIS在运行或试验时进行检测。

测量声信号的传感器主要有加速度和声发射两种。当采用加速度传感器时,用高通滤波器以消除较低频率的背景干扰;声发射传感器,其原理是利用谐振方式,因此比较灵敏,其频率特性中已包含了高通特性。

声测法的灵敏度不仅取决于局放产生的能量,而且更主要取决于信号的传播路径,声信号在GIS中的传播相当复杂,气体、绝缘子、外壳、导体及其它部件对声信号的传播特性各不相同。2.2.2　光电法

从原理上讲,局部放电时产生光子发射,因此可用安装在GIS中的光电传感器如光电二极管或光电倍增管进行光测量来评价局部放电的强弱。由于SF6气体的光吸收能力随着气体密度的增大而提高以及局放本身比较弱,因此这种方法的灵敏度很低;另外,对实际GIS因有许多气室所以需要大量传感器,故这种方法对局放监测不实用。但它可用来检测放电的位置,因为放电火花伴随着强烈的光辐射。这种光电检测系统的优点是不存在抗电磁干扰问题。2.2.3　化学方法・46・

可用容器将气体样本带到实验室进行分析;在现场也可用便携式气相色谱仪。最大灵敏度可达几个ppm。最常用也是最经济的分解物检测技术是采用化学检测管(CDT)来确定SO2和HF的浓度。

3　各种检测技术的比较

3.1　灵敏度

灵敏度是GIS局放检测中最重要的参数。不同的检测方法对不同缺陷类型具有不同的灵敏度。

文[2]就三种常用的方法:a)传统电测法,b)超高频法,c)声测法在相同的背景噪音下(<3pC)对几种绝缘缺陷进行了比较测量研究。图3为对高压导体上固定突出物(直径1mm;长l=10mm;半径r=50Λm)产生的局放测量灵敏度比较结果,纵坐标表示为信噪比。

图3　不同方法灵敏度实验结果

a)传统电测法;b)超高频法;c)声测法

3.2　放电模式识别

《电工电能新技术》

根据检测到的信号的某些特性可对产生局放的缺陷进行识别。

在声测法中主要使用两个参数。第一,由于不同局放激发机理和信号在其传播路径中媒质吸收情况不同,因此不同的缺陷测到的信号的频率分量不同,微粒和接地侧电晕产生的信号比高压侧电晕信号的频谱要宽。第二,由于GIS对传播信号的影响,根据测到的信号的形状可以得到缺陷类型的一些信息。图4为自由微粒放电产生的声信号。

法的检测范围为1～2个气室,主要取决于外

壳法兰的个数。单个法兰对声信号的衰减为8dB,定位精度对接地侧放电可达10cm左右;高压侧电晕时,这种定位方法对声测法不适用。

图6　传播时间测量示波图

图4　自由导电微粒放电产生的声信号

超高频法主要根据所测到的频谱和脉冲出现在工频波形上的位置来判断不同缺陷类型。图5为导电微粒放电信号的频谱。

传统的电测法无法对GIS局放源进行

定位;化学方法只能根据测量结果判断出所测气室的情况,其检测范围和精度也只是局限于该气室中。

3.4　对检测结果的评价

在进行了检测、局放源识别和定位后,最后一个问题也是最重要的问题就是要根据所检测的结果是否对GIS进行检修作出判断,这实际上涉及到对缺陷的危险性估计。

对用传统电测法(IEC60270)测量时,IEC517规定了总局部放电水平为10pC;而用

图5　导电微粒局放信号频谱

3.3　局放定位

其它电测法和声测法时,缺陷危险性的判断应考虑:

——信号幅值,峰值和有效值;——脉冲重复率(每秒脉冲次数);

——局放起始和熄灭电压;——微粒起跳或静止电压;

——信号幅值和频率分布的特征参数。

在现阶段,要对故障危险性作出精确判断是不切实际的,但是可根据某些置信范围给出大致的故障危险性范围还是可能的。例如,可接受的、不确定的、不能接受的等。3.5　各种检测方法的适用性

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超高频法和声测法的定位原理类似,也是目前GIS中最实用的技术,它们都是基于信号脉冲的传播特性。对UHF法,只要知道电磁波在GIS中的传播速度,而对声测法,在测量前进行传播特性校验,则很容易求出局放源的位置。图6为UHF法测到的电磁波信号[10],时延为10.6ns,计算得距离为3118m,与实际距离3.15m误差仅3cm;声测2000年第4期

理论上,除了化学方法外其它各种方法均可用来作为GIS长期监测。化学方法只能适用于GIS运行一段时间后的局放检测,因为SF6分解物的产生需较长时间才能达到可检测的灵敏度。

传统的电测法主要适用于实验室测量。其优点是检测范围大,一般一相只需进行一次测量即可。由于无线电干扰及外部电晕,要求对试验回路采取必要的屏蔽措施。在现场基本上不采用此法。

超高频法,由于抗干扰能力强、能识别缺陷类型,而且定位精度也较高,现场经验表明,这种方法具有良好的应用前景。在新修订的IEC60270“局部放电测量”标准中,已推荐这种方法专门用于像GIS这类具有分布参数的设备。

声测法的优点是可在GIS外部进行测量,适用于委托试验和周期性的运行试验之局放检测。对长期监测不实用,这主要是由于其检测范围有限要求有大量传感器,测量比较费时。

化学方法只适用于运行过程中的定期检测,但它可帮助确定委托试验中闪络放电发生的位置。

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On-linepartialdischargemonitoringtechniquesforgasinsulatedsubstations

WANGJian2sheng,QIUYu2chang

(SchoolofElectricalEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)Abstract:Theprinciple,applicability,sensitivityandresultevaluationsofvariouskindsoftechniquesforon2linepartialdischargemonitoringarereviewed.TheanalysisshowsthatUHFmethodisthemostpromisingoneforlong2termon2linemonitoringinGISowingtoitsadvantagessuchashighinterferenceimmunity,defectdiscriminationandaccuratelocationofthepartialdischargesource.

Keywords:partialdischarge;on2linemonitoring;gas2insulatedswitchgear

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