GIS局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定方法應(yīng)用研究

李 斌，曾輝明，趙義松，鄭永鍵，郝建成

(1．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心，遼寧 沈陽 110015; 3．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

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GIS局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定方法應(yīng)用研究

李 斌1，曾輝明2，趙義松1，鄭永鍵3，郝建成1

(1．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心，遼寧 沈陽 110015; 3．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

科學(xué)有效地標(biāo)定GIS局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于保證GIS設(shè)備安全可靠運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。詳細(xì)研究了GIS局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)不同層次的標(biāo)定方法，包括廠家內(nèi)置傳感器靈敏度標(biāo)定方法、現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)置傳感器靈敏度標(biāo)定方法以及模擬裝置、掃頻法、GTEM小室3種實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定方法的基本原理和應(yīng)用情況，并討論了其發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)GIS局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)入網(wǎng)檢測(cè)、定期檢測(cè)及到貨檢收有著重要意義。

GIS；局部放電；特高頻；檢測(cè)系統(tǒng)；標(biāo)定方法

隨著我國智能電網(wǎng)的高速發(fā)展，全封閉氣體絕緣組合開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Substation，GIS)的需求量急劇增加，有效監(jiān)視及把控GIS的運(yùn)行狀態(tài)是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件[1-2]。局部放電是反映GIS絕緣性能的重要參數(shù)之一，它是GIS絕緣劣化的征兆和表現(xiàn)形式，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部早期的絕緣缺陷，對(duì)避免缺陷進(jìn)一步發(fā)展有重要意義[3-4]。GIS局部放電特高頻檢測(cè)即是在這樣的背景下迅速發(fā)展起來的一種在線檢測(cè)手段，作為局部放電檢測(cè)最有效的方法之一，局部放電特高頻的檢測(cè)頻帶為300～3 000 MHz，具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)。該檢測(cè)方法為非接觸式測(cè)量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)二次設(shè)備和檢測(cè)人員而言更加安全，因而較之于其它檢測(cè)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)，已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，并在全國范圍內(nèi)開展了大規(guī)模應(yīng)用[5-6]。目前，GIS局部放電特高頻檢測(cè)技術(shù)多種多樣，廠家生產(chǎn)的檢測(cè)儀器質(zhì)量參差不齊，為確保局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，急需對(duì)局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，而在標(biāo)定方法方面各高校及網(wǎng)省電科院都在積極探索中[7-11]。

本文詳細(xì)介紹了GIS局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)從廠家出廠試驗(yàn)到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，再到實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的所有標(biāo)定方法，包括廠家內(nèi)置傳感器靈敏度標(biāo)定方法、現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)置傳感器靈敏度標(biāo)定方法及模擬裝置、掃頻法、GTEM小室3種實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定方法，并針對(duì)上述方法進(jìn)行了研究。

1 廠家內(nèi)置傳感器靈敏度標(biāo)定方法

目前，500 kV及以上的GIS生產(chǎn)時(shí)可預(yù)裝局部放電特高頻傳感器，作為GIS設(shè)備的一部分除了要完成出廠試驗(yàn)外，還宜完成局部放電特高頻傳感器靈敏度試驗(yàn)，常規(guī)的出廠試驗(yàn)方法是在GIS內(nèi)部制造一個(gè)5 pC或更低的放電，判斷傳感器是否能檢測(cè)到。

圖1為某500 kV GIS斷路器內(nèi)置特高頻傳感器出廠檢驗(yàn)時(shí)的測(cè)試連接圖，試驗(yàn)中的缺陷模型為尖刺，置于GIS隔離開關(guān)處；放大器增益為40 dB，并對(duì)手機(jī)信號(hào)頻段進(jìn)行了濾波處理。測(cè)試結(jié)果表明：不論在運(yùn)行狀態(tài)還是在熱備用狀態(tài)下，該傳感器均能檢測(cè)到5 pC放電量，滿足靈敏度要求。

圖1 500kVGIS傳感器出廠檢驗(yàn)測(cè)試連接圖

該方法可完成特高頻局部放電傳感器出廠試驗(yàn)，但該方法只能定性標(biāo)定，定量方法還需進(jìn)一步研究，并且缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)置傳感器靈敏度標(biāo)定方法

帶內(nèi)置局部放電特高頻傳感器的GIS現(xiàn)場(chǎng)交接驗(yàn)收時(shí)，可根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議(GIGRE)在推動(dòng)特高頻檢測(cè)法的標(biāo)準(zhǔn)化工作中，給出的局部放電特高頻系統(tǒng)靈敏度檢測(cè)方法來標(biāo)定傳感器靈敏度。其基本原理是：注入1個(gè)與局部放電相當(dāng)?shù)牡刃}沖信號(hào)，若傳感器檢測(cè)到的注入信號(hào)幅值在局部放電幅值的±20%范圍內(nèi)，則該傳感器滿足靈敏度要求，其測(cè)試原理如圖2所示，在GIS設(shè)備上安裝2個(gè)內(nèi)置式特高頻傳感器，即C1和C2。在安裝C1的GIS腔體內(nèi)部設(shè)置局部放電缺陷，使其在外施電壓的作用下產(chǎn)生5 pC(GIS設(shè)備合格標(biāo)準(zhǔn))的局部放電，此時(shí)采用C2和特高頻檢測(cè)設(shè)備測(cè)量此局部放電發(fā)射出的特高頻電磁波信號(hào)，并記錄信號(hào)幅值FA。

圖2 GIS局部放電特高頻信號(hào)測(cè)量回路

該方法為定性標(biāo)定方法，國家電網(wǎng)公司已于2015年2月發(fā)布了基于該方法的特高頻局部放電傳感器的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但由于被檢數(shù)量少，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收受外界干擾嚴(yán)重，該方法應(yīng)用并不廣泛。

3 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定方法

GIS生產(chǎn)時(shí)預(yù)安裝特高頻局部放電傳感器，由于安裝后不方便拆卸，宜采用出廠試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)2種方式標(biāo)定，在實(shí)際工程應(yīng)用中，通過內(nèi)置方式安裝的傳感器僅占極少部分，絕大多數(shù)只能通過外置方式安裝，即貼覆在盆式絕緣子表面進(jìn)行測(cè)量，該種方式攜帶方便，宜采用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定。下面介紹主要的3種實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法，包括模擬裝置、掃頻法和GTEM小室標(biāo)定方法。

3.1 基于模擬裝置的標(biāo)定方法

3.1.1 基本原理

通過GIS模擬放電裝置，模擬110～500 kV GIS尖端放電、金屬顆粒放電、氣隙放電及移動(dòng)電極放電等各種性質(zhì)的放電現(xiàn)場(chǎng)，并控制這些放電的起始電壓、熄滅電壓、放電強(qiáng)度；同時(shí)以電脈沖電流法、超高頻法、超聲波等局部放電帶電檢測(cè)方式實(shí)施相關(guān)檢測(cè)。其局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定原理如圖3所示，模擬GIS放電裝置實(shí)物如圖4所示。

圖3 局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定原理圖1——10 kV電源；2——調(diào)壓器；3——變壓器；4——連接電纜；5——GIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；6——UHF傳感器；7——UHF放大器；8——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；9——脈沖電流法局部放電儀；10——被檢測(cè)儀器；11——數(shù)字存儲(chǔ)示波器；12——脈沖電流放大器；13——耦合電容器(電容分壓器)；14——測(cè)量阻抗；15——UHF放大器

圖4 模擬GIS放電裝置示意圖

3.1.2 有效性驗(yàn)證試驗(yàn)方法

a.缺陷設(shè)置方法。在GIS設(shè)備內(nèi)部設(shè)置2種典型局部放電缺陷模型，包括電暈缺陷和懸浮電位缺陷，缺陷設(shè)置結(jié)構(gòu)與尺寸如圖5所示。

圖5 電暈和懸浮電位典型缺陷放電模型

b.儀器布置方法。分別將該2種典型缺陷模型放入GIS設(shè)備內(nèi)部，按照?qǐng)D3所示接線進(jìn)行局部放電檢測(cè)試驗(yàn)。

c.加壓與檢測(cè)試驗(yàn)方法。逐步升壓至局部放電起始電壓，應(yīng)用被測(cè)儀器進(jìn)行局部放電檢測(cè)，外置特高頻傳感器與放電源的距離不大于2個(gè)氣室，逐項(xiàng)驗(yàn)證儀器的各項(xiàng)功能，檢測(cè)靈敏度及有效性內(nèi)容。

該方法是常見的標(biāo)定方法，但受模擬GIS放電裝置質(zhì)量影響，只達(dá)到定性檢測(cè)，無法開展檢測(cè)儀器定量指標(biāo)的到貨驗(yàn)收工作。

3.2 基于掃頻法的標(biāo)定方法

掃頻法的基本原理是：采用脈沖發(fā)生器和信號(hào)發(fā)生器組合輸出1個(gè)特高頻模擬信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器能夠輸出300～1 500 MHz中任何頻段的正弦波信號(hào)，同時(shí)信號(hào)發(fā)生器能夠調(diào)節(jié)輸出正弦波的幅值，從-120 dBm到20 dB；脈沖發(fā)生器輸出1個(gè)49 Hz的TTL幅值的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)對(duì)正弦波進(jìn)行調(diào)制后輸出脈沖信號(hào)，輸出的每個(gè)脈沖信號(hào)里面包含正弦波的頻率和幅值。通過對(duì)各個(gè)300～1 500 MHz中各個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行大小調(diào)節(jié)，可標(biāo)定檢測(cè)系統(tǒng)的最小靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和線性度3項(xiàng)指標(biāo)，其標(biāo)定原理如圖6所示，具體標(biāo)定過程如下。

圖6 局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定原理圖

a.最小靈敏度。反映局部放電測(cè)試儀能夠在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)局部放電的能力，從-80 dBm，開始注入信號(hào)，然后1 dBm步進(jìn)信號(hào)，慢慢變大，直到便攜式局部放電測(cè)試儀的檢測(cè)界面中能夠明顯看到注入的最小信號(hào)，并記錄當(dāng)時(shí)的讀數(shù)，作為該頻段的最小檢測(cè)能力；然后改變信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻段進(jìn)行另外頻段的檢測(cè)。檢測(cè)從300 MHz開始，按照100 MHz步進(jìn)，直到1 500 MHz結(jié)束。

b.動(dòng)態(tài)范圍。各頻段中局部放電測(cè)試儀的最小監(jiān)測(cè)能力和最大監(jiān)測(cè)能力的差值，局部放電信號(hào)剛開始的時(shí)候比較小，或者傳感器的位置離實(shí)際發(fā)生局部放電信號(hào)的位置較遠(yuǎn)，這時(shí)信號(hào)很?。煌瑯訉?duì)于大的信號(hào)能夠完整顯示，所以要求動(dòng)態(tài)范圍要足夠大，根據(jù)國家電網(wǎng)公司的要求，執(zhí)行好要達(dá)到40～50 dB。動(dòng)態(tài)范圍的監(jiān)測(cè)方法：在檢測(cè)完各個(gè)頻段的最小靈敏度以后，慢慢變大信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的幅值，使得局部放電測(cè)試儀里面看到的信號(hào)幅值不再變化，記錄該頻段的最大值，最大值和最小值之間的差值就是動(dòng)態(tài)范圍。

c.線性度。線性度對(duì)于局部放電初步定位具有一定意義。通過信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)從小變大，按照10 dBm變化，然后記錄局部放電測(cè)試儀里面的讀數(shù)，對(duì)局部放電測(cè)試儀顯示的幅值讀數(shù)進(jìn)行記錄，觀看局部放電測(cè)試儀是否按照10 dB的讀數(shù)變化。

由于局部放電產(chǎn)生的信號(hào)為瞬態(tài)脈沖型式，包含豐富的頻譜分量，掃頻測(cè)試無法準(zhǔn)確反映傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于瞬態(tài)信號(hào)的接收能力。但由于沒有更好的替代方法，該方法可作為局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)到貨驗(yàn)收及能力比對(duì)的標(biāo)定方法，同時(shí)絕大多數(shù)廠家認(rèn)可該方法。

3.3 基于GTEM小室的標(biāo)定方法

以英國為代表，研究人員最先提出通過吉赫茲橫電磁波室(Giga hertz Transverse Electro Magnetic，GTEM)進(jìn)行特高頻傳感器的標(biāo)定方法，該方法以GTEM小室作為電磁波傳輸環(huán)境，通過脈沖注入方式在其內(nèi)部激勵(lì)起瞬態(tài)電場(chǎng)，根據(jù)傳感器電壓響應(yīng)與激勵(lì)場(chǎng)之間的關(guān)系來定義傳感器的耦合性能，即其傳遞函數(shù)He(f)，因其量綱為mm，故也稱等效高度。目前，華北電力大學(xué)、北京、廣東和遼寧等少數(shù)電科院已經(jīng)開展了相關(guān)的研究工作。采用該方法可標(biāo)定檢測(cè)系統(tǒng)的最小靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和線性度3項(xiàng)指標(biāo)，具體標(biāo)定過程如下。

3.3.1 傳感器平均有效高度

a.根據(jù)標(biāo)定系統(tǒng)要求搭建如圖7所示的GTEM測(cè)量平臺(tái)。傳感器平均有效高度測(cè)量原理如圖8所示。

圖7 GTEM測(cè)量平臺(tái)示意圖

圖8 傳感器平均有效高度測(cè)量原理

圖8中，VI為標(biāo)定源注入GTEM小室的脈沖電壓信號(hào)；Hcell、Hsys分別為GTEM小室和測(cè)量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；EI為GTEM小室內(nèi)傳感器所在位置處的脈沖電場(chǎng)；Href、Hsens分別為參考傳感器和被測(cè)傳感器的有效高度；Vor、Vos為分別為參考傳感器和被測(cè)傳感器對(duì)于EI的電壓響應(yīng)；Vmr、Vms分別為經(jīng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)測(cè)的參考傳感器和被測(cè)傳感器對(duì)于EI的電壓響應(yīng)。

b.通過標(biāo)定源向GTEM小室內(nèi)注入電壓幅值為20 V的標(biāo)定脈沖信號(hào)，在GTEM小室內(nèi)建立覆蓋300～1 500 MHz頻帶范圍的脈沖電磁場(chǎng)。

c.將參考傳感器置于GTEM小室開孔處，通過測(cè)量系統(tǒng)得到此時(shí)參考傳感器的電壓響應(yīng)Vmr。

d.將被測(cè)傳感器置于GTEM小室開孔處，通過測(cè)量系統(tǒng)得到被測(cè)傳感器的電壓響應(yīng)Vmr。

e.利用已知的參考傳感器有效高度

Hsens=(Vms/Vmr)×Href

(1)

計(jì)算出被測(cè)傳感器的有效高度，然后在300～1 500 MHz內(nèi)計(jì)算平均值得到被測(cè)傳感器的平均有效高度。

3.3.2 靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍

采用GTEM小室來進(jìn)行局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍的標(biāo)定，其GTEM小室測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍標(biāo)定平臺(tái)示意圖

a.對(duì)標(biāo)定脈沖源在0～100 V(推薦值)的輸出范圍內(nèi)從0 V開始以1 V為步長連續(xù)調(diào)節(jié)標(biāo)定源輸出電壓幅值，對(duì)各輸出電平下GTEM小室內(nèi)參考傳感器安裝位置處的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行標(biāo)定，建立標(biāo)定源輸出電平與GTEM小室檢測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的映射關(guān)系，具體可通過式(2)由參考天線的輸出V0來反推。

Ei=V0/Href

(2)

式中：V0為參考傳感器輸出電壓幅值頻域曲線；Vref為參考傳感器的有效高度曲線。由Ei即可求得入射場(chǎng)的時(shí)域波形Ei(t)。

b.將被測(cè)傳感器與檢測(cè)儀連接，調(diào)節(jié)標(biāo)定源輸出電壓幅值使檢測(cè)儀以不小于2的信噪比可靠反映出標(biāo)定信號(hào)，記錄此時(shí)標(biāo)定源輸出電壓幅值Hi1，根據(jù)之前得到的映射關(guān)系得出該標(biāo)定源輸出電壓幅值Hi1對(duì)應(yīng)的時(shí)域最大電場(chǎng)強(qiáng)度Eimax1，Eimax1即為檢測(cè)儀的檢測(cè)靈敏度。

c.將被測(cè)傳感器置于GTEM小室開孔處，并將被測(cè)傳感器與檢測(cè)儀連接，調(diào)節(jié)標(biāo)定源輸出電壓幅值使檢測(cè)儀正好達(dá)到其滿量程，記錄此時(shí)標(biāo)定源輸出電壓幅值Hi2，利用標(biāo)定源輸出電壓幅值Hi1與GTEM小室開孔處的時(shí)域最大電場(chǎng)強(qiáng)度Eimax1間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線得到Eimax2，該電場(chǎng)強(qiáng)度即為檢測(cè)儀最大可測(cè)瞬態(tài)場(chǎng)強(qiáng)Eimax2。

d.根據(jù)F=Eimax1/Eimax2計(jì)算最大可測(cè)瞬態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度與裝置靈敏度之間的倍數(shù)關(guān)系，F(xiàn)即為檢測(cè)儀的動(dòng)態(tài)范圍。

該方法可有效模擬GIS的局部放電信號(hào)，是目前特高頻檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定方法的研究熱點(diǎn)，但該方法采用的陡脈沖信號(hào)發(fā)生器，存在信號(hào)無法溯源問題，并且對(duì)外置傳感器的標(biāo)定沒有進(jìn)行說明，而且實(shí)施過程中還存在許多問題，需要進(jìn)一步研究完善。

4 結(jié)論

a.廠家和現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)置傳感器靈敏度標(biāo)定方法，是針對(duì)GIS已經(jīng)安裝好的內(nèi)置局部放電特高頻傳感器的標(biāo)定方法，2種方法目前實(shí)際應(yīng)用并不廣泛，但隨著智能電器的發(fā)展和局部放電特高頻內(nèi)置傳感器的增多，在這2方面會(huì)逐漸被重視。

b.模擬裝置、掃頻法、GTEM小室3種實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定方法，可對(duì)GIS局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，模擬裝置為定性標(biāo)定，掃頻法和GTEM小室為定量標(biāo)定。GTEM小室比掃頻法更適用于局部放電特高頻信號(hào)的標(biāo)定，并且是標(biāo)定方法發(fā)展方向。

c.對(duì)于廠家內(nèi)置傳感器靈敏度標(biāo)定方法和基于模擬裝置的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定方法，可進(jìn)一步深入研究脈沖電流法中pC與特高頻法中mV(dB)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使定性標(biāo)定過渡到定量標(biāo)定。

d.基于GTEM小室的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定方法，還需要對(duì)其現(xiàn)有的方法進(jìn)行完善，使其可以對(duì)不同類型的局部放電特高頻檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

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Application Research on Calibration Method of Partial Discharge Ultra High Frequency Detection System for GIS

LI Bin1，ZENG Huiming2，ZHAO Yisong1，ZHENG Yongjian3，HAO Jiancheng1

(1．Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang，Liaoning 110006，China;2．State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Metrological Center，Shenyang，Liaoning 110015，China;3．State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang，Liaoning 110006，China)

It plays a significant role in ensuring safe and reliable operation of GIS equipment wich verifies GIS UHF partial discharge detection system.This paper reaches in detail different ways to calibrate GIS UHF partial discharge detection system of different levels.It includes analogue device, sweep frequency test technology & verification technology based on the GTEM celland discusses the application method and development trend. This paper has important guiding significance to GIS UHF partial discharge detection system network testing,regular inspection and incoming inspection.

GIS; partial discharge; ultrahigh frequency; detecting system; calibration method

TM595

A

1004-7913(2017)06-0004-05

李 斌(1979)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

2017-04-10)