淺談局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)在GIS設(shè)備中的應(yīng)用

國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司 凌 梓 白冉明 曹 勇 高垚沖

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)于可靠性的要求也越來越高，因此對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷的需求也越來越迫切。在眾多的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測手段中，局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測當(dāng)中。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：成本較低，傳感器采用的是固態(tài)元件，體積較小，可以方便地安裝在GIS內(nèi)部。適應(yīng)性強(qiáng)，可以對(duì)GIS內(nèi)部任何位置發(fā)生的放電進(jìn)行有效監(jiān)測，且不受地理環(huán)境條件的影響?？垢蓴_能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行測量，并且數(shù)據(jù)之間不存在相互干擾。分辨率高，能夠?qū)植糠烹娦盘?hào)進(jìn)行高精度檢測。本文以某供電公司的實(shí)際應(yīng)用為例，對(duì)局部放電在線監(jiān)測在GIS設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行研究，以供參考。

1 GIS局部放電在線監(jiān)測

1.1 局部放電的概念

局部放電是指電氣設(shè)備中由于電場強(qiáng)度超過了其耐受能力而形成的放電現(xiàn)象。在實(shí)際運(yùn)行中，GIS內(nèi)部絕緣介質(zhì)會(huì)因電場強(qiáng)度過高而產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，是指氣體絕緣組合電器（GIS）內(nèi)部發(fā)生的局部放電現(xiàn)象。根據(jù)不同的放電方式，局部放電量和頻率有所區(qū)別[1]。不同的放電方式產(chǎn)生的局部放電的機(jī)理也不一樣，因此，其對(duì)GIS設(shè)備絕緣狀態(tài)的影響也不盡相同。

局部放電參數(shù)。放電電荷是指在一定電壓下，把一個(gè)包含有空間電荷的電場矢量作用到絕緣介質(zhì)表面上，并使該表面產(chǎn)生放電，并在電場中觀察到了一個(gè)持續(xù)時(shí)間很短的放電脈沖（或稱脈沖）。這個(gè)放電脈沖可能是直流、方波或正弦波，也可能是各種頻率的隨機(jī)脈沖。對(duì)絕緣介質(zhì)來說，這種放電通常是以空間電荷為基礎(chǔ)的[2]。

圖1（a）中，c表示存在于媒介中的空氣間隙，b表示與該空氣間隙相連接的媒介，a表示不同于b媒介的其他媒介。在圖1（b）中，殘余的介質(zhì)的容量表示為Ca，氣隙泡的電容表示為Cb，氣隙泡的電容是Cc，剩余介質(zhì)的電阻是Ra，與氣隙泡串聯(lián)的介質(zhì)的電阻是Rb，氣隙泡的電阻是Rc。在放電過程中，會(huì)造成Cc上電壓下降Δuc時(shí)，各電容間電荷量都會(huì)變化，因此Ca上電壓也會(huì)下降Δua，且遵循以下公式：

放電的能量。根據(jù)放電時(shí)所處的電場位置，放電可分為沿面放電、懸浮放電和電暈放電。沿面放電是指在絕緣介質(zhì)內(nèi)部存在著一定的空間電荷時(shí)，當(dāng)電壓作用在絕緣介質(zhì)上時(shí)，由于電場強(qiáng)度的作用，使得沿絕緣介質(zhì)表面上產(chǎn)生的離子或電子對(duì)周圍的空氣介質(zhì)進(jìn)行電離，并產(chǎn)生局部電場，強(qiáng)度超過了氣體擊穿強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生放電[3]。由于絕緣介質(zhì)表面與空氣中有一定的空間電荷，所以這種局部電場比空氣中的電場更強(qiáng)。這時(shí)就會(huì)在絕緣介質(zhì)表面發(fā)生離子或電子對(duì)擊穿，從而導(dǎo)致局部放電。

1.2 GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)

某公司GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，就是利用安裝在GIS外殼上的傳感器接收超高頻電磁波信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波、增益處理后，送到信號(hào)采集單元，來對(duì)放電信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，并將處理后的信號(hào)傳送到后臺(tái)主站，進(jìn)行分析判斷，從而對(duì)GIS絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)控。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器、信號(hào)采集單元、信號(hào)傳輸單元和后臺(tái)主站等部分。傳感器主要安裝在GIS的外殼上，通過對(duì)傳感器的選型，可以確定其靈敏度、監(jiān)測范圍以及與GIS的匹配程度。信號(hào)采集單元主要由高頻信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)放大器和高精度采樣放大器組成，采用多路模擬量輸入的方式，對(duì)傳感器測量的高頻信號(hào)進(jìn)行放大處理，再送至采集單元；高精度采樣放大器主要由低通濾波器和高通濾波器組成，能有效去除高頻干擾信號(hào)。

2 局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行存在問題

2.1 局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的信號(hào)干擾及抗干擾措施

局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要干擾源為設(shè)備產(chǎn)生的各種電磁干擾，主要有以下幾種：高頻電磁場的干擾，如脈沖信號(hào)在高頻電磁場中會(huì)發(fā)生反射、折射和衍射現(xiàn)象，同時(shí)高頻電磁場也會(huì)對(duì)其他信號(hào)產(chǎn)生干擾；電磁場的輻射干擾，包括電磁輻射和電磁感應(yīng)兩種；雷電波干擾，雷電沖擊會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，在監(jiān)測系統(tǒng)的前端會(huì)有感應(yīng)電壓存在[4]。

根據(jù)局部放電信號(hào)的特點(diǎn)和規(guī)律，可以采用如下抗干擾措施：利用對(duì)電子元器件采取屏蔽、接地、濾波等措施對(duì)電源進(jìn)行隔離濾波；利用屏蔽電纜和金屬外殼將監(jiān)測終端設(shè)備與母線相連。在母線上增加接地端子；在信號(hào)傳輸線纜上安裝濾波器；在通信網(wǎng)絡(luò)上增加合適的抗噪聲設(shè)備和軟件濾波。

采用在線監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，必須按照局部放電在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)程的要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安裝調(diào)試；并經(jīng)過驗(yàn)收試驗(yàn)考核合格后才能投入運(yùn)行。對(duì)于運(yùn)行中的局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行定期維護(hù)、校驗(yàn)和調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境的變化情況及時(shí)調(diào)整在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)。保證系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。

加強(qiáng)對(duì)局放信號(hào)的分析，對(duì)于難以判斷是否有局放發(fā)生的情況，要加強(qiáng)對(duì)局放信號(hào)的分析和研究，必要時(shí)采取在線監(jiān)測方式進(jìn)行判斷；提高在線監(jiān)測系統(tǒng)工作人員的素質(zhì)和綜合能力，如對(duì)工作人員定期進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測技術(shù)知識(shí)和專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)。

2.2 局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行中的常見故障問題

在某供電公司實(shí)際運(yùn)行中，GIS設(shè)備局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)中還存在一些常見故障，主要包括以下幾個(gè)方面。

局部放電在線監(jiān)測信號(hào)源與傳感器之間的匹配問題。由于局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采用的是高頻信號(hào)，因此在使用過程中，需要對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。但在實(shí)際運(yùn)行中，由于監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備與傳感器之間的匹配問題，可能導(dǎo)致傳感器損壞或丟失信號(hào)。另外，由于變壓器油和SF6氣體中含有水分，在干燥過程中也會(huì)吸收部分低頻信號(hào)，導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的高頻信號(hào)幅度減小或失真。

高頻放大器的穩(wěn)定性問題。對(duì)于放大器來說，如果放大器本身性能不夠穩(wěn)定，或者由于受外界環(huán)境因素影響造成放大器在使用過程中發(fā)生性能下降，將會(huì)對(duì)監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響。當(dāng)系統(tǒng)檢測到高頻信號(hào)時(shí)，如果放大器的頻率響應(yīng)不夠靈敏或者噪聲抑制能力不夠，將導(dǎo)致系統(tǒng)檢測到的信號(hào)出現(xiàn)偏差。

傳感器輸出信號(hào)品質(zhì)問題。傳感器是GIS設(shè)備中對(duì)局放測量最為敏感的部件之一，如果傳感器輸出信號(hào)品質(zhì)不夠好，或傳感器本身質(zhì)量不佳將會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)偏差。另外，當(dāng)系統(tǒng)檢測到局放信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，若傳感器輸出電壓過低也會(huì)造成監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)偏差。

監(jiān)測系統(tǒng)與GIS設(shè)備間通訊問題。在GIS設(shè)備運(yùn)行過程中，需要將監(jiān)測系統(tǒng)采集到的局放信號(hào)通過以太網(wǎng)、無線等方式傳輸給GIS設(shè)備進(jìn)行處理。但是在實(shí)際運(yùn)行中存在著多種因素，會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定或者中斷情況，比如系統(tǒng)本身或通訊電纜質(zhì)量問題、光纜中斷、自然災(zāi)害等因素。

3 提高監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的適用性

針對(duì)存在的問題，本文以某供電公司GIS設(shè)備為例，分析在GIS設(shè)備中應(yīng)用局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的必要性，并針對(duì)其存在的問題，提出提高監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用適用性的措施。

3.1 提高設(shè)備運(yùn)行安全可靠性

目前，在GIS設(shè)備中應(yīng)用的局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)于傳感器的工作環(huán)境要求較高，如在運(yùn)行過程中遇到雷電、靜電等干擾時(shí)，局部放電信號(hào)會(huì)受到嚴(yán)重干擾而使監(jiān)測信號(hào)失真，造成無法準(zhǔn)確判斷設(shè)備故障原因[5]。

加強(qiáng)GIS設(shè)備安裝過程中的質(zhì)量控制和驗(yàn)收工作，確保設(shè)備安裝質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求；對(duì)于局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器，在安裝時(shí)必須考慮到安裝的環(huán)境情況。如避免傳感器被其他物體遮擋，保證傳感器接收信號(hào)的準(zhǔn)確；對(duì)于運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異常放電現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析處理，并通過現(xiàn)場停電檢測和色譜分析等方法查明原因并消除異常放電現(xiàn)象。

3.2 降低設(shè)備維護(hù)成本

局部放電的在線監(jiān)測系統(tǒng)必須有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足不同的設(shè)備特點(diǎn)。如在GIS設(shè)備中，可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式、電壓等級(jí)、內(nèi)部電場強(qiáng)度、空間電荷分布情況以及局部放電波形等特征參數(shù)，設(shè)計(jì)專用的信號(hào)處理單元和分析軟件，來對(duì)其內(nèi)部局部放電信號(hào)進(jìn)行檢測、識(shí)別和分析。

例如，在GIS設(shè)備中，GIS的內(nèi)部空間是有限的，其電場強(qiáng)度比較大，因此對(duì)空間電荷分布的測量就必須用到超聲波傳感器。當(dāng)檢測到內(nèi)部局部放電時(shí)，通過超聲波傳感器就可以獲取到放電信號(hào)；當(dāng)檢測到的信號(hào)比較微弱時(shí)，通過增加電流放大模塊也可以獲取到更大的有效信號(hào)。同時(shí)，考慮到GIS設(shè)備的內(nèi)部空間比較大，為了防止檢測到的局部放電信號(hào)被其他因素干擾，可以使用超聲波傳感器作為前置放大器，通過前置放大模塊將信號(hào)進(jìn)行放大后送入主放大器。

當(dāng)主放大器輸出信號(hào)較弱時(shí)，還可以采用電流放大模塊作為前置放大單元，并配合低噪聲放大電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)較弱信號(hào)的有效放大。由于GIS設(shè)備內(nèi)部的空間比較小，空間電荷分布也比較復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行局部放電信號(hào)檢測和識(shí)別分析。為了方便用戶分析處理數(shù)據(jù)，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)良好的數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測。

3.3 實(shí)現(xiàn)智能化管理變電設(shè)備

基于GIS設(shè)備的在線監(jiān)測系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳的同時(shí)，還應(yīng)充分發(fā)揮其智能化管理作用：首先，在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳時(shí)，應(yīng)注意數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如GIS設(shè)備內(nèi)部存在的各種缺陷、運(yùn)行條件、環(huán)境因素等，都會(huì)對(duì)監(jiān)測結(jié)果造成影響，因此數(shù)據(jù)必須具有真實(shí)性；其次，在數(shù)據(jù)分析時(shí)應(yīng)注意數(shù)據(jù)的全面性，如將GIS設(shè)備放電類型、放電位置、放電強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行匯總分析，同時(shí)還應(yīng)與運(yùn)行數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析；再次，在智能管理時(shí)應(yīng)注意對(duì)GIS設(shè)備故障類型進(jìn)行分類，并根據(jù)故障類型采用不同的處理方法；對(duì)于同一設(shè)備的多個(gè)故障類型還可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置不同的閾值。

4 結(jié)語

GIS設(shè)備是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，一旦其內(nèi)部出現(xiàn)故障，將會(huì)直接影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于GIS內(nèi)部空間較大、又是密閉設(shè)備，容易出現(xiàn)內(nèi)部放電故障，因此必須對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部放電隱患。通過對(duì)GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究和分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的故障隱患，提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要進(jìn)一步提高GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的適用性，合理設(shè)置檢測參數(shù)和檢測方法，利用科學(xué)合理的手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的故障隱患，確保GIS設(shè)備的正常運(yùn)行。