1100 kV GIS出廠試驗中內(nèi)置式局部放電監(jiān)測裝置有效性校核方法研究

李 釗，鄒 煒

（1.國網(wǎng)物資有限公司，北京 100120；2.國網(wǎng)北京市電力公司城區(qū)供電公司，北京 100034）

1100 kV GIS出廠試驗中內(nèi)置式局部放電監(jiān)測裝置有效性校核方法研究

李 釗1，鄒 煒2

（1.國網(wǎng)物資有限公司，北京 100120；2.國網(wǎng)北京市電力公司城區(qū)供電公司，北京 100034）

通過在特高壓1 100 kV G I S真型上開展特高頻法與傳統(tǒng)脈沖電流法測局部放電的比對研究，以及在G I S罐體底部置入異物的方式激發(fā)局部放電，確定了兩種方法測試值的對應(yīng)關(guān)系。提出了局部放電監(jiān)測裝置在特高壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備G I S出廠時的試驗建議，為確保G I S局部放電監(jiān)測裝置的有效性提供技術(shù)參考。項目的成果滿足我國超特高壓工程的運(yùn)行急需，可一定程度減小G I S運(yùn)行事故及現(xiàn)場搶修造成的經(jīng)濟(jì)損失。

特高壓；氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備；特高頻法；脈沖電流法；局部放電

0 引言

我國1 000 kV特高壓交流試驗示范工程正式投運(yùn)以來，越來越多的特高壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（簡稱“GIS”）已投入運(yùn)行。作為變電設(shè)備中的重要裝置，如此大量GIS的質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性將直接影響特高壓電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。

特高壓GIS尺寸大、參數(shù)高，國際上沒有長期運(yùn)行經(jīng)驗，對于內(nèi)部缺陷監(jiān)測和診斷技術(shù)研究仍處于起步階段。對于GIS尤其是盆式絕緣子狀態(tài)監(jiān)測和缺陷的早期預(yù)警技術(shù)仍不成熟，尤其是目前GIS配用的局放監(jiān)測設(shè)備在GIS出廠試驗過程中尚無有效的檢驗方法，相關(guān)技術(shù)亟待研究。

本文擬通過在GIS出廠過程中開展特高頻局放檢測與傳統(tǒng)脈沖電流法局放檢測的數(shù)據(jù)比對、分析，研究GIS出廠試驗中局放監(jiān)測裝置的校核、試驗技術(shù)。研究成果滿足我國超特高壓工程的運(yùn)行急需，可一定程度減小盆式絕緣子乃至GIS運(yùn)行事故及現(xiàn)場更換造成的經(jīng)濟(jì)損失。

1 研究現(xiàn)狀及存在問題

1.1 研究現(xiàn)狀

GIS以SF6作為絕緣介質(zhì)，具有占地空間小，運(yùn)行可靠性高、檢修周期長、運(yùn)輸安裝方便等優(yōu)點，自20世紀(jì)60年代起，在國內(nèi)外得到日益廣泛應(yīng)用。GIS設(shè)備的運(yùn)行可靠性也逐漸引起了國際社會和電力部門的普遍關(guān)注。從近50年的運(yùn)行經(jīng)驗來看，絕緣故障始終是影響GIS可靠性的重要因素之一。局部放電不僅是GIS設(shè)備絕緣劣化的先兆和表現(xiàn)形式，而且能夠引起絕緣的進(jìn)一步劣化，致使GIS的電氣絕緣性能逐漸降低，最終可能導(dǎo)致絕緣擊穿或沿面閃絡(luò)。目前國內(nèi)外主要通過局部放電的檢測和診斷來實現(xiàn)對GIS設(shè)備內(nèi)絕緣缺陷狀況的判斷。

特高頻法UHF（Ultra High Frequency） 是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種GIS局部放電檢測技術(shù)。特高頻法通常利用裝設(shè)在GIS內(nèi)部或外部的天線傳感器，接受局部放電輻射出的300～3 000MHz頻段的電磁波信號，進(jìn)行局部放電檢測。當(dāng)局部放電在很小的范圍內(nèi)發(fā)生時，氣體擊穿過程很快，將產(chǎn)生很陡的脈沖電流，并向四周輻射出特高頻電磁波。GIS的殼體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個良好的同軸波導(dǎo)，非常有利于電磁波的傳播。

特高頻傳感器的安裝方式目前應(yīng)用較為廣泛的主要有兩種：外置式和介質(zhì)窗口式（即內(nèi)置式）。外置式傳感器將傳感器貼在GIS盆式絕緣子的外表面或封閉式盆式絕緣子的澆注口處，依靠絕緣子表面電磁波的泄漏進(jìn)行UHF信號的檢測，此方法可帶電安裝。介質(zhì)窗口式傳感器是將傳感器安裝在檢修手孔處，此方法需停電安裝或在設(shè)備出廠時安裝。特高頻法具有抗干擾性好、靈敏度高、可實現(xiàn)放電定位以及檢測效率高等優(yōu)點，因而在近年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

德國Stuttgart大學(xué)的研究人員曾同時應(yīng)用IEC 60270方法、超聲波方法和特高頻方法，對550 kVGIS模型內(nèi)部的尖刺缺陷放電進(jìn)行檢測，然后對比不同方法的靈敏度和抗干擾特性。試驗發(fā)現(xiàn)應(yīng)用IEC 60270方法的靈敏度最高，檢測到的最小視在放電量為0.1 pC，但是試驗環(huán)境和試驗電源需要完全進(jìn)行電磁屏蔽。超聲波和特高頻法的結(jié)果相近，但是超聲波方法容易受到現(xiàn)場噪聲的干擾。他們所用特高頻傳感器的帶寬為300～3 000MHz，天線類型有錐形天線、鞭形天線和圓板天線，并專門通過試驗對天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。同時也研究了特高頻信號在GIS筒體內(nèi)的衰減情況，試驗表明，信號通過絕緣子之后衰減約為2～3.5dB，T型接頭處衰減約為1dB，在GIS母線筒內(nèi)，傳感器可測量到距離10m處視在放電量為10pC的放電源。

日本東芝公司曾應(yīng)用特高頻法對2個300 kV變電站的局部放電進(jìn)行過測量，研究表明，變電站內(nèi)部的電磁干擾可從套管處傳入，影響內(nèi)置傳感器的接收效果，但是干擾的頻帶范圍多在500MHz以下，且衰減很快。同時，他們發(fā)現(xiàn)GIS同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)部有許多不連續(xù)處，局部放電信號經(jīng)過時，將衰減到原來信號強(qiáng)度的1/3～1/10，并且不同相之間接收到的局部放電信號幅值差別很大，因此通過對比傳感器特高頻信號的幅值可進(jìn)行放電源的定位工作。

1.2 現(xiàn)存的問題

目前局部放電特高頻檢測系統(tǒng)，不論內(nèi)置還是外置，多為自身檢測合格后即交付GIS制造商，經(jīng)安裝后直接使用，缺少與GIS匹配后的驗證環(huán)節(jié)和校核方法，其有效性、精度以及投入運(yùn)行后能否有效識別缺陷和干擾難以確定，工程實踐中未能提前對缺陷發(fā)出預(yù)警，也充分印證了該問題。

2 研究內(nèi)容

通常認(rèn)為局部放電特高頻檢測技術(shù)的抗干擾能力比較強(qiáng)，特別是采取內(nèi)置式傳感器安裝方式，可以有效抑制絕大部分低頻電暈型干擾和窄帶周期性干擾以及外部空間干擾。但對于外置式特高頻檢測方法來說，仍有大量處于特高頻檢測頻段的窄帶通訊干擾以及設(shè)備外部（套管）的脈沖型干擾會影響局部放電檢測的有效性及故障判斷的準(zhǔn)確性，甚至造成對故障信號的誤判或無必要的告警，影響GIS設(shè)備正常運(yùn)行。對同一盆式絕緣子缺陷同時采用外部傳感器與內(nèi)置傳感器進(jìn)行檢測，其效果存在較大差別，如圖1所示，在絕緣子缺陷、傳感器帶寬和增益相同的情況下，內(nèi)置傳感器對局部放電的檢測效果優(yōu)于外部傳感器。

圖1 內(nèi)、外置傳感器檢測靈敏度的對比

因此建議重點工程優(yōu)先考慮裝用內(nèi)置式傳感器，本課題主要針對預(yù)裝好內(nèi)置式傳感器的真型GIS產(chǎn)品，開展特高頻局放檢測與傳統(tǒng)脈沖電流法局放檢測的數(shù)據(jù)比對、分析，研究GIS出廠試驗中局放監(jiān)測裝置的校核、試驗技術(shù)，具體內(nèi)容如下。

2.1 特高頻局放檢測與傳統(tǒng)脈沖電流法局放檢測的比對研究

通過在GIS真型產(chǎn)品上開展特高頻局放檢測與傳統(tǒng)脈沖電流法局放檢測（IEC 60270法），進(jìn)行數(shù)據(jù)比對、校核，試圖在特高頻法測量結(jié)果（dBm，mV）與局部放電量（pC）之間建立聯(lián)系。文獻(xiàn)[1]在這方面做了嘗試：首先根據(jù)實際GIS的局放圖識別缺陷類型，然后根據(jù)靈敏度曲線（UHF法和IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)方法同時測量得到）來標(biāo)定每一類缺陷的視在放電量。然而，這種校核方法受到很多因素的影響，如不同缺陷的處理將對應(yīng)不同的靈敏度曲線，還有注入人工脈沖的當(dāng)量（pC值）問題等，這些都將使得不同制造部門或研究機(jī)構(gòu)得到各不相同的結(jié)果。另外，文獻(xiàn)[2]也做了類似研究，使用IEC 60270描述的方法和UHF檢測法對不同類型的GIS局部放電進(jìn)行檢測。根據(jù)兩種測量方法的結(jié)果，dBm單位（UHF檢測系統(tǒng)的結(jié)果）與pC單位之間的轉(zhuǎn)換是可能的，且結(jié)果表明轉(zhuǎn)換曲線與局放源及箱體大小無關(guān)。

通過搭建圖2所示的比對試驗真型，在工頻耐壓、局放試驗過程中，同時采用脈沖電流法和特高頻法進(jìn)行檢測。

圖2 比對試驗真型

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 24836—2009《1 100 kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備技術(shù)規(guī)范》[3]的試驗要求（見表1），對試品施加工頻激勵電壓1 100 kV，保持1min；隨后降至762 kV，進(jìn)行局放測量。試驗使用便攜式局放監(jiān)測儀代替局放在線監(jiān)測IED，通過內(nèi)置式局放傳感器監(jiān)測GIS內(nèi)部產(chǎn)生局放的情況；檢測頻帶為300～1 500MHz，增益為20 dB。

表1 1 100 kVGIS測量局部放電量的試驗電壓

試驗結(jié)果表明，在脈沖電流法測得試品局放正常（放電量＜5 pC[3]）的情況下，特高頻檢測法測量結(jié)果均為0 pC，結(jié)合德國Stuttgart大學(xué)的研究結(jié)果可知，特高頻法的精度對5 pC以下的放電信號并不敏感。

因此，通過在GIS罐體內(nèi)設(shè)置缺陷的方式，進(jìn)一步開展研究，試驗形態(tài)如圖3所示，具體試驗順序如下。

a）將異物放置于真型1 100 kVGIS筒體內(nèi)，如圖3所示的相應(yīng)位置，施加電壓使其產(chǎn)生局部放電。

b）按照IEC 60270的試驗方法調(diào)整施加電壓，使其放電量為10 pC（脈沖電流法）。

c）測量局放傳感器2的輸出電壓約為300mV。

d）回收氣體，解體檢查，將異物向局放傳感器2的方向逐漸移動（期間需跨越1支盆式絕緣子），進(jìn)行多次試驗，測量局放傳感器2的輸出電壓約為300～400mV。

至此，可初步認(rèn)為在圖3所示的產(chǎn)品形態(tài)下，即單純直線段母線結(jié)構(gòu)且中間相隔1支盆式絕緣子，脈沖電流法測得10 pC局部放電量時，對應(yīng)特高頻法測得的信號約為300～400mV。

圖3 設(shè)置異物進(jìn)行局放檢測

2.2 特高頻局放傳感器功能有效性快速檢驗方法的研究

目前特高頻局放傳感器在開關(guān)設(shè)備出廠時難以實現(xiàn)測量功能有效性的檢驗，而靈敏度是一個極其重要的性能指標(biāo)，尤其對內(nèi)置式傳感器，該問題也一直為相關(guān)研究機(jī)構(gòu)所關(guān)注。由于特高頻傳感器測得信號幅值取決于諸多因素，如設(shè)備結(jié)構(gòu)、缺陷位置以及傳感器本身等等，因而難以確定總的傳遞函數(shù)[4-6]。

參考CIGRE TF15/33.03.05推薦的校核方法[6]，在圖3的試驗形態(tài)中，由局放傳感器1注入脈沖信號（上升時間不大于1.0 ns、脈寬50 ns），由2號傳感器檢測該注入信號激發(fā)的特高頻信號。試驗結(jié)果顯示，在局放傳感器2輸出的電壓為300mV時（表征10 pC放電量），脈沖信號的大小為300 V。因此，在GIS工廠進(jìn)行組合試驗時，可注入該脈沖信號進(jìn)行校核，也可以進(jìn)一步升高脈沖電壓幅值。

為了進(jìn)一步研究，搭建了如圖4所示的試驗回路，圖5為真型實物，1、2號傳感器間隔2支盆式絕緣子，以便試驗結(jié)果適用于較長的母線形態(tài)。由1號傳感器注入脈沖信號，由2號傳感器檢測該注入信號激發(fā)的特高頻信號，并通過便攜式局放測量系統(tǒng)進(jìn)行檢測。當(dāng)注入信號在500V以下時，測量系統(tǒng)顯示為0 pC，升壓至500 V、600 V、700 V時的試驗結(jié)果見表2。與圖3中間隔1支盆式絕緣子的試驗結(jié)果比較，脈沖信號需提高200V才能達(dá)到10 pC左右的放電量。另外，根據(jù)CIGRE TF15/33.03. 05推薦的校核方法[6]，2號傳感器測量值允許偏差為±20%。

表2 傳感器靈敏度校核試驗數(shù)據(jù)

圖4 靈敏度校核試驗原理圖

圖5 靈敏度校核試驗實物圖

2.3 研究GIS出廠試驗中局放監(jiān)測裝置的校核和試驗技術(shù)

綜合a）和b）的研究結(jié)果，在GIS出廠試驗中局放監(jiān)測裝置有效性的校核試驗可采用圖4所示的原理，在相鄰的兩個傳感器間交替進(jìn)行脈沖注入和信號檢測，注入脈沖電壓為500～700V，每增加1支盆式絕緣子則提高200 V，局放測量值對應(yīng)約為13～62 pC，允許偏差為±20%。

3 結(jié)論

本文對GIS出廠試驗中局放監(jiān)測裝置有效性的校核和試驗方法開展了試驗研究，提出了局部放電監(jiān)測裝置在特高壓GIS出廠時的試驗建議，為確保GIS局部放電監(jiān)測裝置的有效性提供技術(shù)參考。項目的成果滿足我國超特高壓工程的運(yùn)行急需，可一定程度減小GIS運(yùn)行事故及現(xiàn)場搶修造成的經(jīng)濟(jì)損失。

[1]Toshihiro Hoshino,ShiroMaruyama,KenichiNojima，etal.A Unique Sensitivity Verification Combined With Real-time Partial-discharge Identification Method[J].IEEETrans.on Power Delivery，2005，20（3） :1890-1896.

[2] Kato T，Endo F，Hironaka S.Sensitivity Calibration ofUHFPartial DischargeMonitoring System in GIS[J].Transactionsof the Instituteof ElectricalEngineersof Japan PartB，2002,122(11):1226-1331.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/Z 24836—2009 1 100 kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4] Feger R，F(xiàn)eser K，Neumann C，et al.Non-conventional UHF Sensors for PDMeasur ements on GIS of Different Designs[C].IEEE PowerCon 2000，Conference，Perth，Australia，2000:1395-1400.

[5] Sellars A G，Mac Gregor S J，F(xiàn)arish O.Calibrating the UHF Technique of Partial Discharge Detection Using a PD Simulator[J]. IEEE Trans.Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2（1）: 46-53.

[6]PD Detection System for GIS:Sensitivity Verification for the UHF Method and the AcousticMethod[C].CIGRE TF15/33.03.05.Electra No.183，1999.

The Testing M ethod for Internal PD Sensor in 1 100kV GIS Plant Test

LIZhao1，ZOUW ei2
（1.State Grid M aterials Co.，Ltd.，Beijing 100120；2.State Grid Beijing Power Supply Company，Beijing 100034，China）

In this paper，comparative research on the UHFmethod and the pulse currentmethod for partialdischargemeasurement of1 100kVGISwas carried out,and the dischargewas generated by artificialdefectmodels set in the tank.The relationship of test results contained by the twomeans abovewas determined.Advices for testof partial dischargemeasurementdevices is given，which can provide technical reference to GISpartialdischargemonitoring system.The achievementsabove can be applied to the UHV engineering in China，whichmay reduce the economic losses caused by GIS failuresand on-site restoration.

UHV；GIS；UHF；pulse currentmethod；partialdischarge

TM595

A

1671-0320（2015）05-0028-04

2015-06-29，

2015-07-05

李 釗（1985），男，北京人，2013年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣工程專業(yè)，工程碩士，工程師，從事物資及設(shè)備管理工作；

鄒 煒（1984），女，北京人，2014年畢業(yè)于北京交通大學(xué)工程電氣工程專業(yè)，碩士，工程師，從事電力營銷管理工作。