GIS特高頻局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)

謝錫鋒　左江林

摘要：特高頻局部放電監(jiān)測是檢驗(yàn)高壓電氣設(shè)備絕緣性能的一種新方法；首先介紹了特高頻局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)功能原理，然后分析了系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計，最后闡述了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：特高頻；GIS；局部放電；在線監(jiān)測

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）07-1600-03

GIS是氣體絕緣全封閉組合電器的英文縮寫，為近幾十年發(fā)展起來的高、精、尖輸變電設(shè)備，利用SF6氣體良好的絕緣性能，把母線、斷路器、接地開關(guān)、隔離開關(guān)、進(jìn)出線套管、避雷器、CT、PT、電纜終端等封閉地組裝在一起，該設(shè)備占地面積小，技術(shù)先進(jìn)，維護(hù)工作量小，運(yùn)行可靠性高，將是未來變電設(shè)備的發(fā)展方向。GIS故障少，但一旦發(fā)生故障后果非常嚴(yán)重，其檢修時間長且繁雜，稍有不慎容易導(dǎo)致檢修質(zhì)量問題。因此，對GIS設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測及檢修很有相當(dāng)重要和迫切的需求。局部放電特高頻檢測技術(shù)是一種檢測并診斷GIS狀態(tài)的重要手段，其可以發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部的多種絕緣缺陷，具有檢測靈敏高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適用在變電站和發(fā)電廠現(xiàn)場條件下對GIS進(jìn)行監(jiān)測。

1 系統(tǒng)功能

1） 數(shù)據(jù)顯示功能：直接顯示傳感器接受到的局部放電活動，顯示局部放電譜圖，具有存儲、輸出及打印功能。

2） 數(shù)據(jù)分析及診斷系統(tǒng)：利用診斷軟件對各種缺陷進(jìn)行分析，找到故障現(xiàn)象的直接原因，判斷出不同的局部放電類型，如：母線毛刺、殼體毛刺、內(nèi)部空穴、內(nèi)部電暈、自由微粒、電極等。

3） 保護(hù)功能：系統(tǒng)具有過壓、過流、過熱及掉電保護(hù)功能。

4） 數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存儲與輸出功能：具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存儲功能，根據(jù)保存的數(shù)據(jù)可以追溯回放歷史測試數(shù)據(jù)或圖譜，并可通過相關(guān)格式文件輸出形成測試報告。

5） 告警功能：可采用趨勢報警、關(guān)聯(lián)報警和閾值報警等多種報警模式，也可可設(shè)置多個報警級別。

6） 外同步觸發(fā)功能：系統(tǒng)具有觸發(fā)接口，以適應(yīng)外部電源電壓、PT信號及BNC口，或提供專用轉(zhuǎn)接端子適應(yīng)以上不同觸發(fā)源，以達(dá)到能夠測量不同電壓頻率下的局放活動，并給出統(tǒng)計譜圖。

7） 設(shè)置參數(shù)功能：在軟件中提供了設(shè)置參數(shù)的頁面，在該頁面中可以設(shè)置硬件參數(shù)和設(shè)置局部放電信號閾值等。

2 GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

如圖1所示，系統(tǒng)由后現(xiàn)場傳感器，前置監(jiān)測儀 ，后臺監(jiān)視系統(tǒng)三大部分組成。

2.1 現(xiàn)場傳感器

特高頻傳感器主要由天線、特高頻放大器、高通濾波器、檢波器、耦合器和屏蔽外殼組成。UHF傳感器主要是用來采集GIS內(nèi)部發(fā)生局放時產(chǎn)生的高頻信號，此傳感器直接固定在絕緣盆子上，盤子上除了放置傳感器的地方外其他的地方用屏蔽帶屏蔽，這樣的好處是保證高頻傳感器采集的高頻信號是從GIS內(nèi)部出來的第一手信號，有效防止了外界干擾信號從盆子處進(jìn)入高頻傳感器，保證了高頻傳感器采集高頻信號的純凈度和可信對。

現(xiàn)場傳感器采用超高頻傳感器IUF-01，感應(yīng)300MHz～1.5GHz局部放電信號，并將信號通過同軸電纜傳送給局部檢測控制器，檢測靈敏度為10pC，測量范圍為10pC～10nC 。

2.2 前置監(jiān)測儀

前置監(jiān)測儀采用NI公司的采集卡插入工控機(jī)的PCI插槽中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該采集卡的帶寬100MHZ；最大2.5GS/s重復(fù)采樣率，100MS/s單次采樣率，100MS/s單資采樣率。前置監(jiān)測儀主要是把高頻傳感器采集的局放信號和噪音傳感器采集的現(xiàn)場噪音信號進(jìn)行相位比較，對GIS采集的信號做一個判斷，判斷高頻傳感器采集的信號是否是GIS里面發(fā)生的局放信號，如果是局放信號就再進(jìn)行具體的處理，不是局放信號就直接在噪音通道相對應(yīng)的液晶屏面上顯示出來，并大致的判斷是什么干擾信號造成的干擾。這樣就防止外界干擾信號造成了一個誤報、誤判。

2.3 后臺監(jiān)控軟件

系統(tǒng)采用美國國家儀器公司 （NI公司）提供的圖形化編程軟件LABVIEW進(jìn)行編制。系統(tǒng)軟件分為兩大部份：下位機(jī)程序和上位機(jī)程序，上下位機(jī)通過局域網(wǎng)、CAN總線或MIS網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，主要實(shí)現(xiàn)如下功能：對局部放電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、預(yù)處理、計算、分析處理、傳輸及處理等，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 特高頻（UHF）定位方法

特高頻（UHF） 定位法是通過放置在生產(chǎn)現(xiàn)場的超高頻信號傳感器接收GIS發(fā)生局部放電過程中輻射出來的超高頻電磁波信號，通過對這些電磁波信號進(jìn)行分析運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測及診斷，與傳統(tǒng)的檢測方法相比，其具有檢測頻率高、抗干擾性強(qiáng)和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，更適合局部放電在線監(jiān)測。當(dāng)電力高壓電力設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時，將會向外輻射出特高頻（Ultra High Frequency，下文簡寫為UHF）電磁波（300MHz-3GHz），因此，通過檢測電力GIS內(nèi)部是否存在UHF信號，可以判斷電力GIS內(nèi)部是否發(fā)生局部放電；然后再利用多UHF傳感器檢測PD信號的時延，結(jié)合波傳播的最短路徑搜索，確定放電位置。UHF檢測方法由于檢測頻帶寬且高（300M～1500MHz），因此兼有靈敏度高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；特別由于GIS外殼具有良好的屏蔽作用，外部UHF信號無法進(jìn)入油箱內(nèi)部，這更加有利于現(xiàn)場環(huán)境下的抗干擾。此外，由于UHF檢測方法由于和GIS高壓側(cè)完全不存在電氣上的連接，因此這種檢測方式對于二次系統(tǒng)和操作人員來說更加安全可靠。放電點(diǎn)定位有以下幾種技術(shù)：信號幅值比較法、信號先后比較法、平分面法和時間差計算法。

3.2 干擾抑制方法

變電站的干擾水平可達(dá)到數(shù)萬甚至百萬皮庫，干擾包括：連續(xù)周期性干擾（諧波、高頻保護(hù)信號和電力載波通信干擾等）、脈沖型周期性干擾（旋轉(zhuǎn)電機(jī)電刷和滑環(huán)間的電弧等）和脈沖型干擾（高壓輸電線的電暈放電，相鄰電氣設(shè)備內(nèi)部放電，雷電，開關(guān)、繼電器的斷、合，電焊操作等無規(guī)律的隨機(jī)性干擾）等。

3.2.1 硬件方法

選擇合適的檢測頻帶，以避開現(xiàn)場的主要干擾頻帶，對固定式系統(tǒng)可在現(xiàn)場實(shí)測調(diào)試確定，檢測系統(tǒng)本身可設(shè)置多個檢測頻帶，采用差動平衡法結(jié)合超高頻傳感器實(shí)現(xiàn)外部干擾的鑒別。

3.2.2 軟件方法

小波包濾波方法和IIR濾波器、開窗法實(shí)現(xiàn)對白噪、周期性、脈沖性干擾的抑制和消除。

3.3 局部放電分析與故障診斷

3.3.1 局部放電信號分析

局部放電信號分析是指如何從測試信號中提取有關(guān)放電的信息，一般采用數(shù)字信號處理技術(shù)，目前常用的方法主要有：時域分析，頻域分析，時頻聯(lián)合分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析。

3.3.2 放電類型的模式識別

局部放電模式識別的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是特征提取和模式分類與識別。

3.3.2.1 特征提取

GIS中的典型局部放電類型（金屬尖端放電、絕緣件內(nèi)部氣隙放電、沿面放電、懸浮電位體放電、自由金屬顆粒放電等），局部放電的放電次數(shù)n、放電相位φ和放電量q是局部放電的重要特征量，統(tǒng)計算子分為兩類：一類是描述φ-n、φ-q譜圖的形狀差異，包括局部峰點(diǎn)數(shù)Pe、陡峭度Ku、偏斜度Sk；另一類是描述φ-q譜圖正負(fù)半周的輪廓差異，包括放相位不對稱度Φ、電量因數(shù)Q、 互相關(guān)系數(shù)cc以及修正的互相關(guān)系數(shù)mcc。

3.3.2.2 模式分類與識別

模式分類與識別方法主要有：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊專家系統(tǒng)、小波分析方法等及其上述各種方法相聯(lián)合的方法。首先需要建立模式庫，其可以根據(jù)典型局部放電信號的波形特征或統(tǒng)計特性提取局部放電指紋來建立，然后，在進(jìn)行檢測時，將檢測結(jié)果和模式庫做對比，從而局部放電類型識別。

3.3.3 局部放電嚴(yán)重程度判定

局部視在放電量是常規(guī)脈沖電流法判斷缺陷嚴(yán)重程度的基本參數(shù)，但特高頻檢測尚沒有成熟的定量評價方法?？梢愿鶕?jù)放電類型的識別結(jié)果、放電源的定位結(jié)果和檢測特征量的發(fā)展趨勢進(jìn)行綜合判斷GIS局部放電缺陷的嚴(yán)重程度，分析中應(yīng)參考局部放電超聲檢測和氣體分解物檢測等診斷性試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)束語

用特高頻技術(shù)監(jiān)測GIS的局部放電，能夠在GIS運(yùn)行條件下，實(shí)時確定被GIS局部放電幅值變化趨勢、放電的瞬時變化、在線定位放電位置及放電位置位移趨勢預(yù)測等，及時發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，避免出現(xiàn)絕緣故障，有效預(yù)防電力系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)性事故，確保了高壓電氣設(shè)備安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李曉峰.特高頻局部放電檢測技術(shù)在GIS設(shè)備上的典型應(yīng)用[J].高壓電器，2013（7）.

[2] 劉穎.GIS特高頻局放在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用[J].高壓電器，2013（5）.

[3] 朱超杰.新型變壓器局放監(jiān)測特高頻傳感器的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2013（4）.

[4] 鄭書生.變壓器繞組對局部放電特高頻定位方法的影響[J].高電壓技術(shù)，2013（2）.