變電站GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

蘇 勝，曾令誠，林悅德，閆 超，孟晨旭

(1.明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東 中山 528400；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

0 引言

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switchgear，GIS)設(shè)備因其可靠性高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在變電站中。當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生故障時，大部分在未完全擊穿前伴隨有局部放電現(xiàn)象，其原因主要體現(xiàn)在GIS設(shè)備內(nèi)部在制造、安裝、運(yùn)輸和試驗(yàn)各環(huán)節(jié)中的部件松動、接觸不良等引起了電極浮動，絕緣老化、產(chǎn)生導(dǎo)電微粒等所致。GIS設(shè)備的局部放電可能導(dǎo)致絕緣劣化，從而引起絕緣擊穿和沿面閃絡(luò)現(xiàn)象，最終導(dǎo)致短路故障、保護(hù)跳閘、母線失壓、供電區(qū)域大面積停電并帶來重大經(jīng)濟(jì)損失和不良社會影響。

局部放電現(xiàn)象通常伴生電磁波、聲波、熱能、發(fā)光、產(chǎn)生各類型氣體或化學(xué)分解物。根據(jù)局部放電過程中所發(fā)生的物理表現(xiàn)和化學(xué)反應(yīng)，主要有超聲波檢測法、光波檢測法、熱檢測法，放電產(chǎn)物化學(xué)檢測法，局部放電能量測量法、脈沖電流法、特高頻檢測法等局部放電檢測方法[1]。其中超聲波檢測法和特高頻檢測法可用于在線監(jiān)測定位，但超聲波傳感器存在檢測靈敏度低、信號識別不夠準(zhǔn)確、信號捕捉機(jī)制不合理等現(xiàn)象，造成在線監(jiān)測系統(tǒng)信號漏檢、誤報警等問題，且無法對局部放電信號進(jìn)行準(zhǔn)確定位。局放信號定位通常通過示波器到GIS場地進(jìn)行定位，消耗時間長，需人工對局放信號準(zhǔn)確定位。

為解決現(xiàn)有的局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)存在漏檢、誤報警、無法準(zhǔn)確定位局放信號源等問題，研制了GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于特高頻檢測法、幅度比較法、時差比較法等原理，通過大量有效的局部放電信息建立完備的專家診斷庫，具有實(shí)時數(shù)據(jù)采集、放電類型識別、數(shù)據(jù)分析、局部放電定位、數(shù)據(jù)信息圖表化等功能，為GIS設(shè)備維護(hù)提供有效的數(shù)據(jù)支撐，減少人工數(shù)據(jù)分析、測量、定位等工作，有效提高生產(chǎn)效率。

1 GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)由特高頻傳感器、現(xiàn)場采集單元、后臺診斷平臺組成。

特高頻傳感器安裝在GIS設(shè)備不帶屏蔽的絕緣盆子上，檢測GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣局部放電信號，通過高頻電纜將信號送至現(xiàn)場采集單元?，F(xiàn)場采集單元設(shè)有6個采集通道，可同時接入6個特高頻傳感器，其主要作用是對采集信號進(jìn)行降噪、濾波、識別和存儲。現(xiàn)場采集單元兩兩之間設(shè)有對時光纖，用于現(xiàn)場采集單元間的數(shù)據(jù)對時?，F(xiàn)場采集單元將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過通信光纖將結(jié)果輸送至光電轉(zhuǎn)換單元，由光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送至后臺診斷平臺主機(jī)。后臺診斷平臺對上傳的信息進(jìn)行存儲、分析，智能診斷和定位，生成報警信號，通過61850規(guī)約將監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警信號和放電圖譜發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。

1.2 功能設(shè)計

1.2.1 后臺診斷平臺

后臺診斷平臺主要通過光電轉(zhuǎn)換單元與現(xiàn)場采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、展示、分析、預(yù)警、定位，具體功能如下。

(1) 數(shù)據(jù)存儲功能：主機(jī)配置大容量數(shù)據(jù)存儲硬盤，對現(xiàn)場采集單元上傳信息進(jìn)行存儲，根據(jù)傳感器安裝數(shù)量，設(shè)計主機(jī)存儲內(nèi)存，數(shù)據(jù)應(yīng)滿足至少一年存儲量，可對GIS狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)追蹤。當(dāng)存儲硬盤存滿后，自動覆蓋歷史數(shù)據(jù)。

(2) 自檢預(yù)警功能：實(shí)時監(jiān)測現(xiàn)場采集單元的工作狀態(tài)，檢查并判斷現(xiàn)場采集單元工作狀態(tài)是否正常，對異常工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。

(3) 數(shù)據(jù)展示功能：能對上傳信息進(jìn)行實(shí)時展示，能繪制二維、三維圖譜，實(shí)現(xiàn)查看數(shù)據(jù)狀態(tài)趨勢、報表統(tǒng)計、歷史數(shù)據(jù)查詢。

(4) 數(shù)據(jù)分析、診斷、預(yù)警功能：對局部放電信號能自動診斷識別，并對局放信號進(jìn)行后臺預(yù)警。

(5) 局放源定位功能：對GIS內(nèi)部局放源進(jìn)行定位，誤差范圍小于30 cm。

1.2.2 現(xiàn)場采集單元

現(xiàn)場采集單元通過光纖將處理過的數(shù)據(jù)上傳到診斷平臺主機(jī)，每個現(xiàn)場采集單元分配獨(dú)立的IP，具體功能如下：

(1) 信號濾波功能：對干擾信號進(jìn)行過濾，減少噪聲干擾。

(2) 局放信號類型識別功能：對不同局放信號進(jìn)行識別，如絕緣缺陷放電信號、自由粒子放電信號、懸浮放電信號、電暈放電信號，準(zhǔn)確率應(yīng)達(dá)到95 %。

(3) 數(shù)據(jù)存儲功能：存儲容量應(yīng)滿足15天數(shù)據(jù)存儲，便于后臺主機(jī)故障后維護(hù)期間，現(xiàn)場采集單元獨(dú)立采集數(shù)據(jù)，當(dāng)后臺主機(jī)恢復(fù)正常后上傳數(shù)據(jù)，確保檢測數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)數(shù)據(jù)存滿后，自動覆蓋歷史數(shù)據(jù)。

(4) 對時功能:各個采集單元通過通信光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)對時，可確保采集信息時效統(tǒng)一，用于定位功能的實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 傳感器

特高頻傳感器由金屬外殼和內(nèi)置天線通過環(huán)氧樹脂整體澆筑而成，可在工況條件惡劣的環(huán)境中正常工作(溫度-25 ℃～70 ℃、濕度93 %、嚴(yán)酷等級1級振動)。采用無源設(shè)計，確保耦合的信號到現(xiàn)場采集單元不失真，工作性能穩(wěn)定、可靠。

傳感器靈敏度一般用平均等效高度來表征，是表征傳感器接收局部放電UHF信號能力的一項指標(biāo)。傳感器平均等效高度是指在規(guī)定的測試頻帶內(nèi)，在各頻率點(diǎn)等效高度的累計平均值，測量頻帶范圍：300～1 500 MHz。傳感器靈敏度平均等效高度不小于13 mm，傳感器的平均等效高度應(yīng)通過GTEM平臺的驗(yàn)證試驗(yàn)。GTEM小室，全稱吉赫茲橫電磁波小室(giga hertz transverse electricmagnetic cell,GTEM-CELL)，由帶狀金屬隔板為內(nèi)導(dǎo)體、矩形徽面喇叭狀為外導(dǎo)體構(gòu)成的一種矩形截面?zhèn)鬏斁€。用于在直流到數(shù)吉赫茲頻率范圍內(nèi)，對電子設(shè)備進(jìn)行輻射電磁場抗感染性試驗(yàn)和輻射電磁場發(fā)射測量。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 局放信號類型診斷

GIS中的局部放電信號主要分為浮動電極、空穴/污穢、自由粒子和導(dǎo)體尖端(電暈)幾種，具有明顯的相位特征[2-5]。

(1) 浮動電極放電信號特征：松動金屬部件產(chǎn)生的局部放電，表現(xiàn)形式像一個放電電容器，具有很高的幅值(>100 pC)，放電脈沖幅值穩(wěn)定，且相鄰放電時間間隔基本一致。

(2) 空穴/污穢放電信號特征：固體絕緣內(nèi)部開裂、氣隙或表面污穢等缺陷引起的放電。放電次數(shù)少，周期重復(fù)性低。放電幅值也較分散，但放電相位較穩(wěn)定。

(3) 自由粒子放電信號特征：GIS中的微小的金屬物體例如金屬碎屑粒子在高電場的作用下移動，導(dǎo)致金屬顆粒和金屬顆粒間的局部放電，金屬顆粒和金屬部件間的局部放電。放電幅值分布較廣，放電時間間隔不穩(wěn)定，自由粒子的移動表現(xiàn)出隨機(jī)性，在整個工頻周期和工頻相位均有放電信號分布。

(4) 導(dǎo)體尖端放電信號特征：處于高電位或低電位的金屬毛刺或尖端，由于電場集中，產(chǎn)生的SF6電暈放電。放電次數(shù)較多，放電幅值分散性小，時間間隔均勻，通常僅在工頻相位的半周出現(xiàn)。

GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)基于多年積累的GIS局部放電的真實(shí)有效數(shù)據(jù)，對干擾信號和典型缺陷譜圖進(jìn)行特征提取、辨識，通過專家分類算法、模糊邏輯學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法和干擾濾波器，形成了一個高度準(zhǔn)確的混合專家診斷系統(tǒng)。通過現(xiàn)場采集接收到的特高頻信號，比對信號的相位特征、幅值大小自動判斷監(jiān)測到的局放類型并進(jìn)行分類。

從統(tǒng)計學(xué)角度來說，樣本數(shù)越多，統(tǒng)計結(jié)果越準(zhǔn)確。GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)盡可能多的收集樣本信息，事件數(shù)據(jù)是所有超過門限參數(shù)的信號的記錄。這個數(shù)據(jù)可以幫助指示出信號是連續(xù)性的還是間歇性的，專家診斷系統(tǒng)可準(zhǔn)確的確定引起信號的最可能的原因，對GIS的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的判定。

2.2 數(shù)據(jù)展示

信號脈沖圖譜作為統(tǒng)計工具，是確認(rèn)局部放電及判斷放電類型的重要依據(jù)。GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)自動統(tǒng)計和繪制各類信號脈沖圖譜并展示，為GIS設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)。

2.2.1 PRPS圖譜

PRPS圖譜為三維圖譜，將脈沖信號按照工頻相位-幅值-工頻周期三個維度進(jìn)行繪制。PRPS圖譜記錄了最近若干個周期脈沖信號的工頻相位-幅度分布情況。GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)展示實(shí)時動態(tài)PRPS圖譜，可以幫助用戶了解幅值、相位特征、信息密度。

2.2.2 PRPD圖譜

PRPD圖譜為三維圖譜，將脈沖信號按照工頻相位-幅值-脈沖數(shù)三個維度繪制。PRPD圖譜可以看成是PRPS圖譜在工頻周期-幅值平面上的長時間累積，是判斷局部放電類型的重要依據(jù)。當(dāng)在PRPS實(shí)時圖譜上查看到局放信號后，運(yùn)行人員可以選擇查看該傳感器歷史累積的PRPD圖。

2.2.3 專家診斷結(jié)果

每個事件的專家診斷結(jié)果，是根據(jù)累計15 min的采集數(shù)據(jù)經(jīng)過由專家診斷系統(tǒng)自動識別并給出的結(jié)果，顯示的百分比為信號類型的可能性。統(tǒng)計數(shù)據(jù)量越大結(jié)果越準(zhǔn)確，巡檢人員可以選擇“累積數(shù)據(jù)”功能，對有疑似局部放電信號的特高頻傳感器通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇(4 h或1天，數(shù)據(jù)量大小可以根據(jù)范圍選擇)，診斷結(jié)果更準(zhǔn)確，有助于巡檢判斷。

2.2.4 歷史數(shù)據(jù)查看

歷史數(shù)據(jù)圖可以表現(xiàn)為表格形式或曲線圖形式，每個采集點(diǎn)間隔為15 min。在曲線圖中X坐標(biāo)為時間，Y坐標(biāo)為幅值，歷史數(shù)據(jù)查看范圍可以根據(jù)實(shí)際需要選擇查看時間和傳感器進(jìn)行查看。當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)現(xiàn)局部放電且未對GIS進(jìn)行拆解時，運(yùn)行人員選擇測試到局放信號的傳感器，選取從發(fā)現(xiàn)局部放電信號開始至查看日的歷史數(shù)據(jù)，通過曲線的變化，判斷該信號是否惡化，進(jìn)而制定停電檢修計劃。

2.3 多局放源識別

在GIS設(shè)備運(yùn)行過程中，在一個傳感器測試范圍內(nèi)，不同位置可能存在多個局部放電信號，多個局部放電信號疊加，對局放在線監(jiān)測系統(tǒng)的判斷造成極大干擾,存在漏檢或誤判的情況，對此需要收集詳實(shí)的數(shù)據(jù)信息。現(xiàn)場采集單元根據(jù)輸入脈沖信號的電平自動觸發(fā)并完成信號的捕獲，同時計算脈沖的幅值、功率、頻次、首半波時長、全時長等參數(shù)，并記錄工頻相位、到達(dá)時間、原始波形等信息。

現(xiàn)場采集單元對于捕獲到的每一個脈沖，計算其首個半波時長T1(ns)和全時長T2(ns)。對于不同放電源發(fā)出的脈沖信號，其T1和T2通常是不相同的，因此可以通過脈沖在T1-T2平面的分布位置不同分離不同放電源信號，實(shí)現(xiàn)多局部放電源的檢測和識別。

2.4 局部放電自動定位

局部放電源的精確定位，常用的方法有“幅度比較法”和“時差比較法”。GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)使用“時差比較法”對GIS中的局部放電源進(jìn)行自動定位。

2.4.1 幅度比較法

通過比較2只不同位置的傳感器接收到的信號幅值來判斷放電源的位置，認(rèn)為距離信號源更近的傳感器接收到的信號幅值更大。這種定位方法可以作為參考，但也有局限性。原因是GIS的結(jié)構(gòu)對信號傳輸時的衰減影響較大，有時會使得距離局部放電源近的傳感器接收到的信號反而小。

2.4.2 時差比較法

通過計算放電脈沖到達(dá)2個傳感器的時間差來計算局部放電源的位置，如圖1所示。在SF6介質(zhì)中，局部放電射頻信號以光速傳播，速度約為0.3 m/ns?？梢詫z測儀器通過2根等長的同軸電纜連接至2個傳感器，在已知2個傳感器之間距離的情況下，當(dāng)局部放電源位于2個傳感器之外時，放電信號到達(dá)兩傳感器的時間差乘傳播速度應(yīng)等于兩傳感器的間距；當(dāng)局部放電源位于兩個傳感器之間時，放電信號到達(dá)兩傳感器的時間差乘傳播速度應(yīng)小于兩傳感器的間距，此時使用以下公式可計算出局部放電源到先收到信號的傳感器的距離。

圖1 時差比較法原理

式中，d為局部放電源距離先收到信號的傳感器1的距離(m)；D為傳感器1和傳感器2間的距離(m)；t為局部放電脈沖到達(dá)兩傳感器時間差(ns)。

時差比較法技術(shù)難度較高，對于脈沖起始位置的檢測、時間差的計算和定位結(jié)果的統(tǒng)計均有很高的技術(shù)要求。現(xiàn)場采集單元內(nèi)置精確時鐘，可以記錄所有通道中每個脈沖到達(dá)的時間(ns級)。如圖2所示，傳感器1和傳感器2捕獲到局部脈沖信號，現(xiàn)場采集單元對脈沖信號進(jìn)行預(yù)處理，保存了每個通道每個脈沖的精確到達(dá)時間。在定位時，其針對傳感器1中的每個脈沖，在傳感器2中查找與其到達(dá)時間接近的脈沖配成一對，并根據(jù)設(shè)置的傳感器間距自動計算這一對脈沖的時間差，得出一個定位結(jié)果。對所有脈沖全部計算后即得到沿傳感器間距范圍內(nèi)的統(tǒng)計分布結(jié)果，顯示在定位結(jié)果統(tǒng)計欄。當(dāng)多個現(xiàn)場采集單元進(jìn)行同時連接時，現(xiàn)場采集單元通過光纖進(jìn)行ns級授時，實(shí)現(xiàn)不同現(xiàn)場采集單元之間采集的局部放電信號準(zhǔn)確定位。

圖2 定位邏輯

3 應(yīng)用實(shí)例

GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某變電站220 kV GIS場地，GIS為河南平高電氣股份有限公司生產(chǎn)，2016年制造，雙母線結(jié)構(gòu)，主母線共箱，出線三相分箱，一共7個間隔(2個出線間隔，2個主變間隔，1個母聯(lián)間隔，2個PT間隔)，所有間隔絕緣盆子都不帶金屬屏蔽環(huán)安裝，配置21個傳感器，4個現(xiàn)場采集單元，實(shí)現(xiàn)220 kV場地GIS設(shè)備局部放電信號在線狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時數(shù)據(jù)采集、放電類型識別、數(shù)據(jù)分析、局部放電定位、數(shù)據(jù)信息圖表化等功能。

相比傳統(tǒng)GIS在線監(jiān)測系統(tǒng)，此次研發(fā)的GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)局部放電信號準(zhǔn)確識別、及時告警、局部放電信號定位，減少了繁復(fù)的人工定位工作，具備更好的人機(jī)交互效果，能為變電站運(yùn)行人員提供更直觀、智能的技術(shù)支持。

4 結(jié)束語

GIS局放在線智能診斷系統(tǒng)通過GIS內(nèi)局部放電的特征，基于特高頻檢測法、時差比較法等原理，運(yùn)用局放信號類型診斷技術(shù)、多局放源識別技術(shù)、局部放電自動定位技術(shù)、成功實(shí)現(xiàn)了對GIS內(nèi)部局部放電信號的監(jiān)測。系統(tǒng)對局放類型識別準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)展示完善，可為持續(xù)監(jiān)控GIS運(yùn)行狀態(tài)、開展?fàn)顟B(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支撐，提高了GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)的巡維技術(shù)水平。該系統(tǒng)在變電站的應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性及有效性。