基於UHF的GIS局部放電檢測技術的研究
2020-11-24 電子產品世界標籤：GIS UHF 局部放電 智能電網
引言
GIS以結構緊湊、可靠性高等優點逐漸成為超高壓電力系統中的主流設備。但由於製造、運輸、現場裝配等多種原因，GIS不可避免地存在絕緣缺陷而影響其長期可靠的運行。鑑於絕緣介質在發生擊穿前都會產生局部放電，因此，對GIS進行局部放電監測可以發現絕緣的早期故障。目前，測量GIS的局部放電的方法有光電法、化學氣體分析法、超聲檢測法和高頻CT耦合檢測法等，由於受靈敏度和設備運行情況的限制，這幾種方法在實際中難以推廣，而超高頻法可以有效地避開電力系統的電暈和廣播電視無線電幹擾，靈敏度高，可實現定位，適合於現場帶電檢測和在線監測[1]。
1 超高頻局部放電檢測技術
超高頻局部放電檢測技術是在UHF(0.3~3GHz)頻段內選擇合適的頻段進行局部放電的電磁波信號檢測。GIS設備運行現場的幹擾源主要集中在300MHz以下頻段，而在300MHz以上頻段的衰減很快，並且很容易被屏蔽。選擇超高頻段的電磁信號作為檢測信號，可以避開常規電氣測試方法中難以識別的電力系統幹擾，顯著提高局部放電檢測的信噪比[2]。UHF法的優點是原理簡單、運用方便，由於所測信號的時差在ns級，不僅需要測量設備具有很高的採樣率和頻寬，還要求被測信號的起始脈衝清晰，以讀取信號的起始時間。由於GIS中盆式絕緣子通常是環氧樹脂材料，對電磁波信號的衰減較小，因此，UHF定位法得到了廣泛應用。
2 GIS中典型的放電類型
GIS中典型的放電類型分為：母線電暈(固定粒子放電)、殼體電暈(固定粒子放電)、自由粒子放電、浮動電極放電、絕緣缺陷放電。
母線電暈(固定粒子放電)：母線電暈指的是由母線上的尖銳的突出物所產生的PD，這種突出物可能是由於小的金屬屑附著在母線上而產生的。突出物的尖端高度受力並在母線電壓達到峰值時產生電暈。
殼體電暈(固定粒子放電): 殼體電暈與母線電暈比較相近，不同的是突出物附著在殼體管壁上而不是母線上。在這種情況中，局部放電圖像以母線電暈放電圖像的鏡像形式顯示。
自由粒子放電: 自由粒子指的是GIS中的微小的金屬物體，如金屬碎屑。粒子在高電場的作用下移動，並且在殼體管壁上彈跳。每次粒子接觸到殼體，他都會產生一個放電。自由粒子的移動表現出隨機性，所以放電也會發生在AC周期的任何位置。
浮動電極放電: GIS上沒有接地或者接到母線上的一部分被稱為浮動元件或浮動電極。浮動電極的表現形式很像一個放電電容器，並有很高的幅值(>100pC)。這個局部放電信號會達到滿幅值(100%)，其輸出可能將使系統的輸入放大器達到飽和。
絕緣缺陷放電: 絕緣缺陷的類型可能是GIS的絕緣子內有空穴或是絕緣子表面有汙垢。絕緣缺陷在圖譜中顯示的特性為較小的及中等幅值的信號分布於整個周期。最高幅值的信號出現在AC波形的正負周期的峰值處。絕緣缺陷的放電率往往在第三象限最高，並且隨著電壓趨向零點而遞減並消失。
3 GIS傳感器
UHF傳感器是UHF局部放電在線監測系統的關鍵，用來檢測GIS中由局部放電所激發的頻率為300MHz~3GHz的電磁諧振波，通常它要具備抑制低頻(300MHz以下)幹擾的能力。UHF傳感器根據安裝方式可分為內置式和外置式兩種[3]。內置傳感器可獲得較高的靈敏度，但對製造安裝的要求較高，特別是對早期設計製造的GIS安裝內置傳感器通常是不可行的，這時只能選擇外置傳感器。相對於內置傳感器，外置傳感器的靈敏度要差一些，但安裝靈活、不影響系統的運行、安全性較高，因而也得到了較為廣泛的應用[4][5]。
4 試驗迴路及試驗方法
試驗採用退役的110kV GIS罐體，如圖3所示[6][7]，充純SF6氣體0.43Mpa。在該段GIS上設置了如下缺陷：
1. 在母線上設置了長0.5cm、直徑0.5mm的銅線，模擬固定金屬微粒;
2. 在盆式絕緣子的表面設置了一長0.3cm、直徑0.2mm的銅絲，模擬金屬粉末;
3.在母線上設置一塊含空氣澆注的環氧樹脂，模擬盆式絕緣子內氣泡。
天線和頻譜分析儀之間通過50Ω電纜連接並加一20dB前置放大器。連接的頻譜分析儀可採集9kHz~1.8GHz的頻域信號。從試驗變壓器高壓端取一分壓信號，通過電壓比較器得到頻譜分析儀的外部觸發信號，即在工頻過零相位時觸發頻譜分析儀並開始採樣。試驗時先採集無電壓時背景頻譜，再給GIS加壓使其產生局部放電，用頻譜分析儀採集寬頻帶的頻譜圖，比較背景頻譜和產生局放的頻譜確定局放電磁信號分布在哪個頻帶，再用窄帶法檢測。
圖4為實驗室背景頻譜和不同類型的局放頻譜圖(dB的基準為mW)。前者在0.72GHz附近和0.9~1GHz間都存在固定幹擾，故用高頻寬帶法測量時，選取1.0~1.8GHz頻段。該頻帶採集信號可有效避免外界幹擾(包括電暈、電臺、電視、手機)，所得到的3種缺陷頻譜見圖5。可見3者整體線形分布存在差異，可作為模式識別特徵參數提取，同時還可見同類故障在不同電壓下的頻域分布大致相同，僅幅值隨著電壓的升高變大[8][9]。
圖6 時域波形
圖6為在20ms 周期內1~1.8GHz頻帶內選一頻率用窄帶法掃描得到的時域波形，可見其中3種故障的波形分布差異明顯，有利於模式識別特徵參數的提取。研究還發現，同種故障在不同電壓下的時域波形(在一定電壓範圍內)大致相同，僅幅值隨著電壓的升高而變大，但接近擊穿電壓時波形會變化[10]。
5 結論
採用超高頻法對GIS中3種典型絕緣缺陷類型進行了試驗研究。固定金屬微粒、金屬粉末、含氣泡的盆式絕緣子都有各自不同的特徵頻譜，有效結合寬帶和窄帶頻譜分析法，利於模式識別特徵參數提取，能夠更加準確定位故障的類型，進而指導下一步檢修工作。
參考文獻：
1. 張鳴超;王建生;邱毓昌 GIS中局部放電測量用超高頻傳感器[期刊論文]-電網技術 1998(08)
2. 邱昌容，王乃慶.電工設備局部放電及其測試技術[M].北京：機械工業出版社.1994.
3. 李信，李成榕，丁立健，等.新型GIS局放超高頻傳感器抑制幹擾的研究[J].高電壓技術，2004，30(2)：37-39.
4. 唐炬，劉明軍，彭文雄，等.GIS局部放電外置超高頻檢測系統[J].高壓電器，2005，41(1)：6-9.
5. 李 信，GIS局部放電特高頻檢測技術的研究[D].華北電力大學.2005.
6. 李忠，張曉楓，陳杰華，等.外部傳感器超高頻GIS局部放電檢測技術[J].西安交通人學學報，2003，32(12)26-28
7. 王建生。 邱毓呂， 周新利 氣體絕緣開關中電磁波的傳播特性. 電網技術，1999, 23 ( 9 ) :1-3
8. Person JS, A Continous UHF Monitor for Gas-insulated Substations. IEEE Trans on E1 1991,6(3):469-478
9. Judd M D, Hampton BF, Farish O. Partial Discharge Excitation of UHF Modes in a Cylindrical Cavity. 9thISH, Graz, 1995:4561
10. CIGRE WG33/23.12 Insulation Coordination of GIS: Return of Experience On-Site Tests and Diagnostic Techniques. Electra, 1998, 176(2):67-95
相關焦點
-
GIS超聲波局部放電檢測技術的應用分析
提出根據GIS結構形式來確定局部放電測試時的試驗電壓和時間，延長交流耐壓時間，加強局部放電測試密度，以彌補交流耐壓試驗的不足；以懸浮屏蔽類缺陷為例，根據超聲波局放信號特徵進行放電源定位、數據分析及故障類型判斷分析，通過對GIS故障設備解體檢查驗證故障診斷的正確性。現場經驗為GIS設備超聲檢測技術的推廣和缺陷診斷提供了一定借鑑作用。 -
超聲波法在GIS局部放電檢測中的應用
2 超聲波檢測法GIS發生局部放電時分子間劇烈碰撞並在宏觀上瞬間形成一種壓力，產生超聲波脈衝，信號波長較短，方向性較強，因此它的能量較為集中。將基於諧振原理的聲發射傳感器置於設備外殼上檢測這一脈衝信號，然後經過前置放大、濾波、放大、檢波等處理環節，進而通過信號分析以確定設備的絕緣狀況。 -
局部放電檢測及局部放電測試方法
介質引起試樣外部電極上的電壓變化另外每，次放電過程持續時間很短在氣隙中一次放電過程在10 ns 量級在油隙中一次放電時間也只有1ms 根據Maxwell 電磁理論如此短持續時間的放電脈，衝會產生高頻的電磁信號向外輻射局部放電電檢 測法即是基於這兩個原理常見的檢測方法有脈衝電流法無線電幹擾電壓法介質損耗分析法等等 特別是20 世紀80 年代由S. A. Boggs 博士和G. C. -
局部放電檢測方法之電檢測法(脈衝電流法)
電檢測法包括脈衝電流法、無線電幹擾電壓法、超高頻 UHF 局部放電檢測技術、介質損耗分析法電檢測法局部放電最直接的現象即引起電極間的電荷移，動每一次局部放電都伴有一定數量的電荷通過電。 -
超聲法在檢測高壓開關櫃內局部放電的應用
然而由於環境中溼氣、高溫、放電、氧化等等的因素，造成開關櫃內電氣元件絕緣劣化、最終以局部放電的形式表現且加劇絕緣劣化，進而帶來安全事故和經濟損失，因此，對局部放電信號的檢測以及定位是保證發現開關櫃故障並對其進行及時維修的關鍵。 -
局部放電的測量原理
該數字局部放電檢測系統能感測出運轉設備故障、振動、洩漏及電氣局部放電所產生的高頻信號。數字局部放電測試儀使用獨特外差法將這些訊號轉換為音頻信號，讓操作者透過耳機來聽到這些聲音，並於指針上看到強度指示。 -
特高頻局部放電測向的新方法：誤差小、成本低、應用便捷
因此，上海交通大學電氣工程系的研究人員吳凡、羅林根、王輝、盛戈皞、江秀臣，在2020年第12期《電工技術學報》上撰文，提出基於接收信號強度功率和最大似然估計的特高頻局部放電測向方法。實驗測試結果表明，該方法的平均測向誤差小於7°，且成本更低、現場使用更加便捷。 -
電聲聯合檢測法在變壓器局部放電監測中的應用
作者介紹了一種採用電-聲聯合檢測法的變壓器局部放電在線監測系統，系統採用羅科夫斯基線圈採集脈衝電流信號，利用磁浮式高抗幹擾超聲探頭採集局部放電聲波信號，通過上位機軟體進行放電脈衝幅值、頻次和放電源位置等參數的計算，從而實現對變壓器局部放電的監測。裝置採用脈衝分離技術及光纖傳輸系統，實現強幹擾環境下的局部放電在線監測，使監測數據更加真實可靠。 -
開關櫃局部放電的原理是什麼?如何檢測預防?
在開關櫃運行中，開關櫃各部位的電場強度存在差異，某個區域的電場強度一旦達到其擊穿強度時，該區域就會出現放電現象，不過施加電壓的兩個導體之間並未貫穿整個放電過程，即放電未擊穿絕緣系統，這種現象即為局部放電，開關櫃處於局部放電階段往往通過肉眼和人工觸摸無法識別，如果長期不處理，放電嚴重區域會達到其擊穿強度 -
超聲波巡檢儀檢測局部放電故障的原理是什麼?
HB-UDII超聲波巡檢儀是通過收集並遴選110kV及以下開關櫃、線路故障放電時發出的特徵聲波，通過濾波對比實現對被測線路、開關櫃缺陷的判斷，該儀器可與手機、平板實時通信，並將採集到的實時數據同步到雲端，實現前端檢測、後端及時可查看分析，是目前各電力公司進行局部放電故障檢測的常用儀器 -
淺析局部放電造成的危害以及主要的放電形式
而局部放電目前已經成為引發變壓器故障的重要原因之一。因此，對變壓器局部放電進行檢測至關重要。鑑於此，筆者根據多年的工作實踐經驗，分析了局部放電造成的危害以及主要的放電形式，提出了幾種常見的變壓器局部放電檢測方法，僅供借鑑參考。 -
超聲波局部放電檢測在高壓電氣設備日常巡檢中的應用
檢測高壓電氣局部放電的必要性：一 局放放電會引起設備的絕緣故障，絕緣故障可以引起災難性的後果，造成供電損失，財產損失，及人員傷亡；二 因絕緣性能都需要斷電測試，所以電氣設備帶電運行時日常巡檢尤為重要，及時發現潛在安全隱患 -
局部放電檢測常見的幾種試驗迴路
局部放電測試系統試驗迴路的一般要求，敘述了幾種用於測量局部放電參量的基本試驗迴路，並介紹了這些迴路和系統的工作原理。有關技術委員會還可以推薦用於特殊試品的特殊試驗迴路。只要可能，建議有關技術委員會用視在電荷作為被測參量，但對特殊情況也可以使用別的參量。 -
PXI-9820在發電機局部放電測試系統中的開發應用
發電機的定子局部放電測試是目前大型發電機狀態監測的研究熱點，需要高速數據採集與分析。ADLink基於PXI總線的PXI－9820高速採集卡採集速度高達130MHz，可以滿足測試要求，並經實驗驗證可行。本文主要介紹了發電機局部放電的測試原理、基於ADLink的PXI－3800測試系統的設計技術，並給出了測試試驗結果。 -
電纜局部放電特徵優選的新方法,可有效提高故障診斷率
國網漢中供電公司、上海電力大學、國網陝西省電力公司、國網陝西省電力公司電力科學研究院的研究人員李程、李強、張啟超、劉子瑞、李偉，在2020年第1期《電氣技術》雜誌上撰文（論文標題為「基於支持向量機遞歸特徵消除的電纜局部放電特徵尋優」），提出了一種基於支持向量機遞歸特徵消除且結合了K均值聚類算法的局部放電特徵優選新方法。 -
變壓器局部放電在線監測信號中的電磁幹擾及抑制
現場電磁幹擾特指前者，是研究重點。它可分為連續的周期型幹擾、脈衝型幹擾和白噪聲。周期型幹擾包括系統高次諧波、載波通訊以及無線電通訊等。脈衝型幹擾分為周期脈衝型幹擾和隨機脈衝型幹擾。周期脈衝型幹擾主要由電力電子器件動作產生的高頻湧流引起。 -
電力變壓器檢測周期及檢測方法
缺點 變壓器的在線監測技術在許多的方面都彌補了傳統檢測技術的缺點，但是根據電力變壓器的在線監測技術理論，目前還不能夠實現完全的代替停電預防性實驗。主要因素如下： 目前我國的電力企業在電力變壓器在線監測的理論以及技術上都還不太完善，難以就在線監測狀態的量性標準進行相關的判斷。 -
GIS-GIL閃絡監測及故障定位、光局放診斷系統
另外由於GIS內的場強很高，當設備內部存在缺陷時，就會在日常運行中發生局部放電、閃絡、起弧、拉弧等現象。各種類型的電弧及局部放電是導致GIS設備絕緣劣化的主要原因之一，同時也是反映GIS絕緣劣化的重要特徵。因此，採用不解體的檢測方法從GIS內部、外部利用各種特徵量測量傳感器對GIS設備進行帶電狀態檢測，顯得尤為重要和迫切！ -
電子鎮流器局部整流效應保護
而第五種異常狀態就是IEC61347-2-3標準最新版的內容，即所謂的局部整流效應。電子鎮流器因局部整流效應所造成的超功率輸出能量，有很大部分會使燈的陰極燈絲以及喇叭狀玻璃燒壞，燈頭溫升上升使燈座軟化變形，嚴重時甚至會發生燈的玻管壁因驟熱而發生開裂。上述兩種現象都可能使燈管跌落髮生傷人的現象，解決局部整流效應尤為急迫。 -
鋰電池自放電和過放電現象的研究
鋰電池自放電和過放電現象的研究。隨著鋰電池能量密度進一步提高和成本進一步降低，其在電動汽車和儲能領域得到了廣泛的應用，鋰電池自放電和過放電一致性對電動汽車和儲能系統的壽命和可靠性有著非常重要的作用，從鋰電池自放電和過放電形成機理、影響因素以及檢測方法等方面對近年來鋰電池自放電和過放電研究成果進行了綜述。