特高頻局部放電監(jiān)測裝置測評研究

周雷 ，譚向宇，閆江寶 ，彭晶

（1.華北電力大學 自動化系，河北 保定 071003；2.云南電網(wǎng)責任有限公司電力科學研究院，昆明 650217；3.昆明理工大學 信自學院，昆明 650504；4.云南電網(wǎng)有限責任公司研究生工作站，昆明 650217）

0 前言

氣體絕緣組合電器 (gas insulated substation,GIS) 在電力設(shè)備中具有很重要的地位，由于其占地面積小，效率高，抗干擾性較強，設(shè)備壽命長[1]。為保證GIS的可靠運行，在變電站等一些安裝GIS設(shè)備的場所均廣泛采用局部放電特高頻檢測法監(jiān)測GIS的運行狀態(tài)。GIS設(shè)備在生產(chǎn)、運輸、安裝、操作等環(huán)節(jié)都會出現(xiàn)一些缺陷導致GIS內(nèi)部出現(xiàn)一些毛刺和金屬顆粒，這樣會引起內(nèi)部金屬尖端局部放電和懸浮電位體局部放電。如果未能及時處理這些缺陷就會導致設(shè)備內(nèi)部絕緣層因局部放電引起的快速老化，從而會引起較大的電力事故。檢驗特高頻局部放電監(jiān)測系統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)功能是否正常，在正常使用過程中是否產(chǎn)生由老化、損壞等因素造成的性能下降很有必要[2]。局部放電量的大小本身并不能指示設(shè)備發(fā)生故障的危險程度，但產(chǎn)生局部放電的原因必須要弄清楚，然后才能評估局部放電對設(shè)備的影響程度。

1 測評原理

GIS中的絕緣介質(zhì)中每次局部放電均會伴隨有一個或者幾個陡的電流脈沖，他們會向周圍輻射電磁波。研究表明，局部放電所輻射的電磁波的頻譜特性與局部放電源的幾何形狀以及放電間隙的絕緣強度有關(guān)。當放電間隙比較小時，放電過程的時間比較短，電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強；而放電間隙的絕緣強度比較高時，擊穿過程比較快，此時電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強。而且在SF6氣體中的局部放電所輻射出的電磁波范圍可達數(shù)GHz的超高頻范圍，由于GIS氣室的共振作用，進而形成多種模式的超高頻諧振電磁波[3]。因此通過對超高頻電磁波的檢測可實現(xiàn)對局部放電和設(shè)備絕緣程度的檢測。

由于GIS氣室就像一個低損耗的微波共振腔，局部放電信號的振蕩波在氣室中存在的時間得以延長，可以長達1個毫秒，得使安裝在GIS上的內(nèi)置/外置耦合器有足夠的時間夠俘獲這些信號[4]。耦合器俘獲的局部放電信號的強度很低，僅為毫伏級，但經(jīng)過特高頻局放監(jiān)測裝置（檢測樣機）放大后，使用局部放電人工智能分析軟件對他進行多方面的分析，判斷GIS可能存在的缺陷。在檢測到GIS設(shè)備有局部放電現(xiàn)象，并通過分析PRPD（Phase Resolved Peak Display）波形確定缺陷的種類后，就需要進行定位，找出局部放電的位置，以便進行維修工作[5]。為了對GIS設(shè)備進行在線監(jiān)測系統(tǒng)測評，首先應該對特高頻傳感器進行測評。在對檢測特高頻傳感器的結(jié)束之后進行特高頻局放監(jiān)測裝置（檢測樣機）進行校驗，以確保備在使用過程中的準確性。特高頻局放監(jiān)測裝置（檢測樣機）檢測平臺如圖1所示。

圖1 特高頻局放監(jiān)測裝置（檢測樣機）檢測平臺

2 模擬測評

為了能夠準確對現(xiàn)場GIS設(shè)備進行測評，需要對測評儀器進行校準以保證其準確性。

2.1 特高頻局放監(jiān)測裝置

特高頻局放監(jiān)測裝置（檢測樣機）常被用作變電站GIS設(shè)備的檢修儀器，它能夠檢測、記錄、分析GIS內(nèi)部發(fā)生的局部放電事件，分析其原因，跟蹤器發(fā)展趨勢，以便早作處理，避免徹底停機事故。特高頻局放監(jiān)測裝置（檢測樣機）由兩部分組成：運行局部放電人工智能分析軟件Port SUB的筆記本電腦和超高頻信號采集處理單元DAQ（the Portable Data Acquisition Unit)，一部分內(nèi)置在便攜式數(shù)據(jù)獲取單元DAQ檢測儀里面，另一部分是安裝在一臺筆記本電腦里的局部放電人工智能分析軟件Port SUB。電腦通過網(wǎng)線連接DAQ，接收DAQ通過耦合器Coupler（最多3個）采集的超高頻局部放電信號[6]。

使用特高頻局放監(jiān)測裝置（檢測樣機）檢測到局部放電事件后，配合使用適當?shù)氖静ㄆ鳎ㄟ^計算檢測到信號的時間差，可以對局部放電源進行準確定位。DAQ檢測到的所有局部放電數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦P記本電腦，用戶可以實時觀察檢測結(jié)果。

系統(tǒng)檢測每個時間段的局部放電信號峰值和放電速率，并將他們顯示在電腦屏幕上。為了提高檢測的可靠性，本系統(tǒng)采用插值平均法對檢測數(shù)據(jù)進行處理，即將相鄰3個檢測時間段的檢測值進行平均。Port SUB系統(tǒng)軟件提供多種對信號峰值數(shù)據(jù)的處理方法。Port SUB系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

本系統(tǒng)對局部放電的分析是自動進行的，自動給出分析、判斷的結(jié)果，并以圖形的方式顯示在屏幕上，幫助用戶對GIS設(shè)備進行深入的故障診斷。

2.2 檢測能力測評

在實驗室對特高頻傳感器進行測評以確保所使用的傳感器是標準的，并且使用ns陡脈沖發(fā)生器輸出脈沖序列間隔頻率為50 Hz的3 V電壓的特高頻信號[7]。將該特高頻信號通過0.5 GHz～7.5 GHz超高頻傳感器發(fā)射天線釋放特高頻信號，用與示波器連接的特高頻傳感器且正對方向為0.1 m進行接收，觀測其能否有效檢測到特高頻信號并正確顯示。

2.3 模式識別能力測評

金屬尖端放電和懸浮電位體放電具有較為顯著的、穩(wěn)定的、易與其他類型局部放電區(qū)分開來、且易模擬的特征，故模式識別能力測評中，使用ns級陡脈沖發(fā)生器產(chǎn)生特征類似于金屬尖端放電和懸浮電位體放電的模擬信號[9]。使用信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為50 Hz、相位為工頻周期270°，或頻率為100 Hz，相位為工頻周期90°的方波信號，對任意波形發(fā)生器進行觸發(fā)，使得任意波形發(fā)生器以50 Hz或100 Hz的脈沖重復率重復發(fā)出陡前沿脈沖，并且陡前沿脈沖固定在工頻周期270°或90°和270°的相位產(chǎn)生，形成陡前沿脈沖序列，如圖3所示。陡前沿脈沖序列為一種寬頻帶、陡前沿、在工頻周期270°（以模擬金屬尖端放電）或90°和270°（以模擬懸浮電位體放電）相位發(fā)生的信號，非常類似實驗室或現(xiàn)場檢測得到的局部放電波形，可以用來模擬真實局部放電波形[10]。

圖3 放電模擬信號

2.4 抗干擾能力測評

抗干擾能力測評主要是通信手機干擾，使用手機重復撥打、掛斷電話，以形成較強的手機通訊干擾。在距離手機0.5 m處、與手機天線正對的方向上，使用超高頻傳感器進行接收，判斷對其干擾能力[11]。

3 測評結(jié)果

3.1 檢測能力測評

對于特高頻傳感器的檢測能力，所使用的特高頻傳感器均能夠清晰的在示波器上顯示所接收到的電磁波信號，說明特高頻傳感器能檢測發(fā)射接收的特高頻信號。顯示結(jié)果如圖4所示。

圖4 檢測能力測評結(jié)果

3.2 模式識別測評

為分析了解局部放電的特點，以便在現(xiàn)場測試時能準確辨識電氣設(shè)備內(nèi)部的局部放電，對其進行局部放電測量研究，分析局部放電的圖譜特征及規(guī)律特性。圖譜分別對應單周期檢測方式（三維圖）、單周期檢測方式（二維圖）、峰值保持檢測方式、PRPD譜圖檢測方式。

金屬尖端放電的特征為：放電次數(shù)較多，放電幅值分散性小，時間間隔均勻。放電的極性效應非常明顯，通常僅在工頻相位的負半周出現(xiàn)。

懸浮電位體放電的特征為：放電脈沖幅值穩(wěn)定，且相鄰放電時間間隔基本一致。當懸浮金屬體不對稱時，正負半波檢測信號有極性差異。

模擬金屬尖端放電，特高頻局放監(jiān)測裝置（檢測樣機）的模式識別能力測評結(jié)果如圖5所示。

圖5 模擬金屬尖端放電結(jié)果

圖a、b分別為單周期的模擬局部放電的相位分辨脈沖序列的三維圖和二維圖，可以很直觀的觀察到放電的極性效應非常明顯；c與d分別為峰值保持和PRPD圖譜，可以觀察到峰值負軸能觀察到1個脈沖峰值，而且PRPD圖譜負軸能觀察到1個標記點則放電幅值分散性小且工頻相位負半周出現(xiàn)；故模式會識別結(jié)果是金屬尖端放電。

模擬懸浮電位體放電，特高頻局放監(jiān)測裝置（檢測樣機）的模式識別能力測評結(jié)果如圖6所示。

圖6 模擬懸浮電位體放電結(jié)果圖

圖a、b中可以觀察到局部放電單周期相鄰放電時間間隔基本一致；圖c、d可以觀察到峰值正負半軸都能觀察到脈沖峰值，而且PRPD圖譜正負軸均能觀察到1個標記點則正負半波檢測信號有極性差異。

3.3 抗干擾能力測評

特高頻局放監(jiān)測裝置（檢測樣機）抗干擾能力測評結(jié)果如圖7所示。

圖7 抗干擾能力測評結(jié)果

從圖a、b中可以直接觀察到檢測到的干擾信號已經(jīng)淹沒放電信號，圖c、d中峰值保持為滿，PRPD無標記點，故模式識別結(jié)果為局部放電類型為非局部放電。由此可見，該超高頻局部放電監(jiān)測裝置的抗干擾能力是很好的。

4 結(jié)束語

1）對于特高頻傳感器能檢測到超高頻信號，具有良好的檢測能力；

2）對于金屬尖端放電模型和懸浮電位體放電模型，檢測靈敏度較高，檢測能力較好，而且各通道的檢測結(jié)果一致性較好，其局部放電類型模式識別結(jié)果與實際放電類型存在基本一致；

3）對于抗手機通訊干擾能力很強；

4）對超高頻信號的檢測能力、局放模式的識別、抗干擾能力這幾方面是特高頻局放在線監(jiān)測裝置入網(wǎng)測評的必要檢測項目，可有效的對在線監(jiān)測裝置進行質(zhì)量把關(guān)。