暫態(tài)地電位測(cè)試新方法

連偉華王洪濤李 威

（1.河南恩湃電力技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450016；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052；3.國(guó)網(wǎng)河南平頂山供電公司，河南 平頂山 467001）

暫態(tài)地電位測(cè)試新方法

連偉華1王洪濤2李 威3

（1.河南恩湃電力技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450016；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052；3.國(guó)網(wǎng)河南平頂山供電公司，河南 平頂山 467001）

基于暫態(tài)地電位、局放測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作暫態(tài)地電位測(cè)量傳感器。使用信號(hào)發(fā)生器和示波器，對(duì)該傳感器的性能和靈敏度進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，對(duì)傳感器加以改進(jìn)。應(yīng)用該傳感器對(duì)GIS的局放信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行記錄和分析。暫態(tài)地電位測(cè)量法對(duì)高壓電氣設(shè)備、封閉式高壓開(kāi)關(guān)等進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集暫態(tài)電壓脈沖信號(hào)，判斷被檢測(cè)設(shè)備的絕緣狀態(tài)，以便及時(shí)消除設(shè)備缺陷和隱患。

暫態(tài)地電位；局放測(cè)量；傳感器；GIS

電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備都處于一個(gè)特殊的電磁環(huán)境中，電磁干擾通過(guò)各種形式傳導(dǎo)和耦合，時(shí)刻都有可能危及電氣設(shè)備的安全。變電站地電位升高對(duì)一次設(shè)備、二次設(shè)備和通信設(shè)備等危害極大，一直是危害電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)電站地電位升高的產(chǎn)生機(jī)理、特性和傳播方式的研究從未間斷過(guò)。

暫態(tài)地電位測(cè)量法是一種新的技術(shù)方法，高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電一般分為外部放電和內(nèi)部放電2種［1］。外部放電是指放電量往往先聚集在與接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位，形成對(duì)地電流，通過(guò)設(shè)備的金屬外殼表面?zhèn)鞯降叵?；?nèi)部放電是指放電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，電壓、電流脈沖沿GIS金屬外殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑ィ瑫r(shí)產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)電壓［2］。因此，如果屏蔽是連續(xù)時(shí)，很難檢測(cè)到放電信號(hào)，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位出現(xiàn)破損而導(dǎo)致不連續(xù)，高頻信號(hào)從這些部位傳輸?shù)皆O(shè)備屏蔽外殼而被檢測(cè)出來(lái)。

鑒于此，本文基于暫態(tài)地電位、局放測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作暫態(tài)地電位測(cè)量傳感器。然后使用信號(hào)發(fā)生器和示波器，對(duì)該傳感器的性能和靈敏度進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，對(duì)傳感器加以改進(jìn)。應(yīng)用該傳感器對(duì)GIS的局放信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行記錄和分析。

1 暫態(tài)地電位測(cè)量特點(diǎn)

暫態(tài)地電位測(cè)量技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外受到了越來(lái)越多的重視及運(yùn)用?？偟膩?lái)說(shuō)，該技術(shù)具有以下的特點(diǎn)。一是故障發(fā)現(xiàn)及時(shí)性。能夠及早發(fā)現(xiàn)局放現(xiàn)象，進(jìn)而采取有效的維護(hù)處理措施，可有效避免停機(jī)故障發(fā)生，避免設(shè)備損壞。二是檢測(cè)方便易行。能夠在設(shè)備帶電運(yùn)行的狀態(tài)下進(jìn)行，在線或者離線的局放監(jiān)測(cè)都無(wú)需將設(shè)備停機(jī)，只要在設(shè)備承受工作電壓的情況下即可進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高設(shè)備可用率，提高用戶供電可靠性。三是故障定位準(zhǔn)確。在線監(jiān)測(cè)與離線監(jiān)測(cè)的結(jié)果相同，準(zhǔn)確的定位可顯著縮短維修時(shí)間，對(duì)于降低維修成本具有重要意義［3］。四是抗干擾性。監(jiān)測(cè)靈敏度大大提高，抗干擾能力強(qiáng)，能夠識(shí)別故障類(lèi)型。

暫態(tài)地電位測(cè)量法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于封閉式高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行局部放電信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比，更能夠提高發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣缺陷的概率，同設(shè)備巡視進(jìn)行局放監(jiān)測(cè)相結(jié)合，更體現(xiàn)出巡視有效性，發(fā)現(xiàn)缺陷并及時(shí)消除，為最終實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期巡視提供技術(shù)方案和技術(shù)支持，為以后設(shè)備狀態(tài)檢修提供可靠的數(shù)據(jù)分析和理論依據(jù)，確保設(shè)備常態(tài)化運(yùn)行，保證供電安全［4，5］。

2 暫態(tài)地電位測(cè)量原理

暫態(tài)地電位測(cè)量法是一種新的技術(shù)方法。局放發(fā)生時(shí)，外部放電量往往先聚集在與接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位，形成對(duì)地電流，通過(guò)設(shè)備的金屬外殼表面?zhèn)鞯降叵?。局放引起脈沖沿GIS金屬外殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑ィ?dāng)屏蔽是連續(xù)時(shí)，放電信號(hào)很難傳出。但遇開(kāi)口、接頭等處的縫隙時(shí)就會(huì)傳出設(shè)備，此時(shí)電壓、電流脈沖信號(hào)沿著金屬外殼的外表面?zhèn)鞑ブ链蟮?。其特征為：瞬時(shí)電壓值變化范圍在毫伏到伏之間；存在時(shí)間較短；上升時(shí)間為納秒級(jí)［6］。依據(jù)這些特征，故采用電容性探測(cè)器來(lái)檢測(cè)放電脈沖，將探頭放在正在工作的GIS外面。此暫態(tài)地電位法檢測(cè)法為非侵入式檢測(cè)局部放電活動(dòng)，其工作原理如圖1所示。

3 暫態(tài)地電位測(cè)量設(shè)計(jì)方案

項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案主要包括3個(gè)方面，一為傳感器設(shè)計(jì)方案，二為傳感器性能試驗(yàn)方案，三為GIS試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案［7］。

3.1 傳感器設(shè)計(jì)方案

3.1.1 傳感器結(jié)構(gòu)。GIS金屬外殼表面本身涂有一層絕緣涂膜（如絕緣油漆等），即可作為絕緣薄膜，根據(jù)外復(fù)電極法的原理，外殼與金屬電極之間要形成小電容，所以在絕緣薄膜外再敷設(shè)一個(gè)薄銅片作為金屬電極，以滿足外復(fù)電極法的基本原理（見(jiàn)圖2），該金屬電極與絕緣薄膜之間形成一個(gè)小電容C0。當(dāng)局放電引起的脈沖信號(hào)通過(guò)小電容C0耦合到設(shè)置的檢測(cè)阻抗R0上（見(jiàn)圖3），再經(jīng)過(guò)放大檢查出來(lái)，而小電容C0和監(jiān)測(cè)阻抗對(duì)低頻信號(hào)起到一定的隔離作用，通過(guò)電容測(cè)量到的信號(hào)是泄露出的流動(dòng)波所產(chǎn)生的電壓差。此方法由于檢測(cè)阻抗一段接電容，另一端接地，形成大環(huán)路，易受外界干擾。改進(jìn)方法是將2個(gè)電容傳感器置于絕緣體的一側(cè)，一個(gè)與絕緣薄膜之間形成一個(gè)小電容C0，另外一個(gè)形成耦合電容C1（見(jiàn)圖4）。

圖1 國(guó)內(nèi)棉紡染整廢水處理典型工藝圖1 國(guó)內(nèi)棉紡染整廢水處理典型工藝

圖2 外復(fù)電極法的基本原理

圖3 阻抗耦合檢測(cè)

為了方便設(shè)計(jì)制作的傳感器在GIS上的應(yīng)用試驗(yàn)，可以用粘合劑（AB膠）把銅片粘在一段長(zhǎng)約25cm的粘條上，由于粘條較窄，可以將2條并列粘在銅片上，中間約5mm的縫隙恰好可以留出焊點(diǎn)位置，這樣傳感器就可以更方便地固定在GIS表面。同時(shí)，為了對(duì)GIS上放電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，就必須能讀取信號(hào)，為此對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。首先，在銅片中央粘條縫隙處用錫焊上一條導(dǎo)線，導(dǎo)線另一頭伸入一小金屬罩內(nèi)，并與金屬罩的一端已固定好的BNC接頭輸入端相連。其次，把電容C1焊接在BNC接頭的輸入端與地端之間。這樣測(cè)量信號(hào)就可以通過(guò)BNC接頭直接接入示波器，便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取，如圖4所示。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 傳感器的參數(shù)設(shè)置。根據(jù)外復(fù)電極法的原理，C0為絕緣薄膜與金屬電極之間的等效電容，其電容值大小與金屬電極面積（銅片大?。┯嘘P(guān)。C0的值與金屬電極面積（銅片大?。┏烧?，金屬電極（銅片）表面積越大，則C0的值越大，接收電信號(hào)越強(qiáng)，效果就越好，但此時(shí)C0上分壓U0太小，易受外界干擾，不容易被測(cè)量到且測(cè)量誤差較大。但如果銅片表面積太小，C0的值就越小，此時(shí)雜散電容的影響較為嚴(yán)重且很難消除。因此，C0的值應(yīng)取適當(dāng)?shù)闹担饶苁闺妷捍笮M足測(cè)量的要求，又能較好地避開(kāi)雜散電容的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目可取銅片表面積為5cm×10cm。為方便計(jì)算，將傳感器結(jié)構(gòu)圖合理科學(xué)地表示為等效電路圖，如圖5所示。

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)的等效電路圖

由串聯(lián)電容分壓公式得出：

表1 傳感器的材料參數(shù)表

綜上所述，基于暫態(tài)地電位技術(shù)的基本原理，繪制了傳感器的結(jié)構(gòu)圖及其等效電路圖，并計(jì)算出了傳感器的材料參數(shù)，由此確定了傳感器的設(shè)計(jì)方案。

3.2 傳感器性能試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案

項(xiàng)傳感器根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案制作，并對(duì)傳感器性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，以便滿足GIS實(shí)驗(yàn)的要求。本設(shè)計(jì)方案主要包括三方面的內(nèi)容，一是設(shè)備選型，二是信號(hào)測(cè)量和收集，三是數(shù)據(jù)處理分析。具體的方案如下。

3.2.1 設(shè)備選型。基于實(shí)驗(yàn)精度和數(shù)據(jù)分析方便性的要求，本試驗(yàn)選用的設(shè)備儀器有SPF40型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（100μHz～40MHz）、RIGOL DS1102E型數(shù)字示波器及BNC頭鱷魚(yú)夾測(cè)試線。

3.2.2 信號(hào)測(cè)量和收集。為了提高傳感器的適用性，本方案分為正弦信號(hào)和脈沖信號(hào)兩部分。兩者分別采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入50K～30MHz的正弦掃頻信號(hào)和上升沿與脈寬都較短的脈沖信號(hào)，并測(cè)量傳感器對(duì)一般適用性的正弦信號(hào)和模擬局放的脈沖信號(hào)的傳輸特性與靈敏度，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析。首先，用MATLAB軟件對(duì)3.2.2中存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT），并對(duì)變換結(jié)果進(jìn)行判斷。若數(shù)據(jù)的FFT結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)要求，則予以采納；否則，查找原因并返回3.2.2的相應(yīng)步驟，重復(fù)測(cè)試該數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)FFT結(jié)果，繪制出傳感器基于正弦信號(hào)的傳輸函數(shù)的幅頻特性和相頻特性或者輸入輸出關(guān)系特性，并進(jìn)行分析總結(jié)。

3.3 暫態(tài)地電位傳感器在GIS上的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

在初步完成對(duì)傳感器的性能測(cè)試，并對(duì)所設(shè)計(jì)制作的傳感器的各方面性能有所把握以后，該傳感器將被進(jìn)一步應(yīng)用于GIS上進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。具體的設(shè)計(jì)方案包括：①根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，結(jié)合實(shí)際情況，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并設(shè)計(jì)線路連接方案；②根據(jù)暫態(tài)地電位信號(hào)產(chǎn)生的原理，在GIS上選擇若干測(cè)試點(diǎn)，進(jìn)行正弦信號(hào)和脈沖信號(hào)的測(cè)試；③使用示波器記錄下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)方案較為合理，能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。方案中對(duì)傳感器性能的測(cè)試是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，對(duì)于后期傳感器在GIS上應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣有相當(dāng)重要的作用。采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在GIS上產(chǎn)生正弦及脈沖信號(hào)后，使用改造后的暫態(tài)地電位傳感器對(duì)GIS表面的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而得到該傳感器在GIS上的特性曲線和頻帶寬度。用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理與分析，并對(duì)變換結(jié)果進(jìn)行判斷。

［1］李文書(shū).封閉式組合電器GIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制［D］.北京：清華大學(xué)，2005.

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［7］邱華，邱毓昌.GIS中局部放電測(cè)量用超高頻方法的研究［J］.高電壓技術(shù)，2004（10）：19-20.

A New Method of Transient Ground Potential Test

Lian Weihua1Wang Hongtao2Li Wei3
（1.Henan EPRI Electric Power Technology Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450016；2.Electric Power Science Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450052；3.State Grid Henan Pingdingshan Power Supply Company，Pingdingshan Henan 467001）

Based on the transient ground potential and the PD measurement technique,the sensor for measuring the transient ground potential was designed and fabricated.Using signal generator and oscilloscope,the performance and sensitivity of the sensor were tested,and the sensor was improved according to the test data analysis.The sensor was used to measure the PD signal of GIS,and the measurement results were recorded and analyzed.Transient ground po?tential measurement method was used in the on-line monitoring of partial discharge in high voltage electrical equip?ment,closed type high voltage switch and so on,real-time acquisition of transient voltage pulse signal was detected to judge the insulation state of the device,in order to eliminate equipment defects and hazards.

transient ground potential；partial discharge measurement；sensor；GIS

TM835

A

1003-5168(2016)09-0131-03

2016-08-13

連偉華（1983-），男，本科，助理工程師，研究方向：過(guò)電壓。