GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)及校驗技術(shù)

GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)及校驗技術(shù)北京電力科學(xué)研究院陶詩洋2015年11月上海主要內(nèi)容一、電力設(shè)備局部放電簡介二、特高頻局放在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹三、特高頻局放在線監(jiān)測系統(tǒng)校驗技術(shù)四、幾點經(jīng)驗與體會一、電力設(shè)備局部放電簡介1、什么是局部放電？由于絕緣介質(zhì)中電場分布的不均勻，在絕緣介質(zhì)局部放引起的電荷不斷積累與釋放的現(xiàn)象。引起局部電場集中的原因包括電極形狀尖銳、不同介電常數(shù)的絕緣介質(zhì)交界面等。

一、電力設(shè)備局部放電簡介一、電力設(shè)備局部放電簡介一、電力設(shè)備局部放電簡介2、典型圖譜：氣隙放電

一、電力設(shè)備局部放電簡介2、典型圖譜：沿面放電

一、電力設(shè)備局部放電簡介2、典型圖譜：電暈放電

一、電力設(shè)備局部放電簡介3、局部放電的檢測方法脈沖電流法（可用視在放電量量化描述）；特高頻法；超聲波法；高頻電流法（羅氏線圈法）；

SF6氣體組解體組分法；光檢測法等。（光電倍增技術(shù)）一、電力設(shè)備局部放電簡介4、局部放電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：IEC標(biāo)準(zhǔn)IEC-60270-2000：High-voltagetesttechniques-Partialdischargemeasurements(高電壓試驗技術(shù).局部放電測量)IEC/TR361294-1993：Insulatingliquids;determinationofthepartialdischargeinceptionvoltage(PDIV);testprocedure(絕緣液體局放起始電壓(PDIV)測定)IEC/TS60034-18-42:Rotatingelectricalmachines-Part18-42:Qualificationandacceptancetestsforpartialdischargeresistantelectricalinsulationsystems(TypeII)usedinrotatingelectricalmachinesfedfromvoltageconverters(電壓轉(zhuǎn)換器饋電的旋轉(zhuǎn)電機(jī)用抗局部放電電氣絕緣系統(tǒng)(II型)的鑒定和驗收試驗)IEC-60885-2-1987：Electricaltestmethodsforelectriccables.Part2:Partialdischargetests(電纜的電氣試驗方法第2部分:局部放電試驗)IEC-60885-3-1988：Electricaltestmethodsforelectriccables.Part3:Testmethodsforpartialdischargemeasurementsonlengthsofextrudedpowercables(電纜的電氣試驗方法第3部分:測量擠壓電力電纜段局部放電的試驗方法)IEC-TS60034-27-2006：Rotatingelectricalmachines-Part27:Off-linepartialdischargemeasurementsonthestatorwindinginsulationofrotatingelectricalmachines(旋轉(zhuǎn)電機(jī).第27部分:在旋轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣子繞組上的局部離線放電測量)IEC-TS61934-2006：Electricalinsulatingmaterialsandsystems-Electricalmeasurementofpartialdischarges(PD)undershortrisetimeandrepetitivevoltageimpulses(電絕緣材料和系統(tǒng).在短上升時間和反復(fù)電壓脈沖下局部放電的電測量)一、電力設(shè)備局部放電簡介4、局部放電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE標(biāo)準(zhǔn)C57.127-2007IEEEGuidefortheDetectionandLocationofAcousticEmissionsFromPARTIALDISCHARGEsinOil-ImmersedPowerTransformersandReactors（充油變壓器和電抗）

C57.124-1991IEEERecommendedPracticefortheDetectionofPARTIALDISCHARGEandtheMeasurementofApparentChargeinDry-TypeTransformers（干式變壓器）

C57.113-IEEEGuideforPARTIALDISCHARGEMeasurementinLiquid-FilledPowerTransformersandShuntReactors（油浸變壓器和反應(yīng)堆）

C37.301-IEEEStandardforHigh-VoltageSwitchgear(Above1000V)TestTechniques-PARTIALDISCHARGEMeasurements（高壓開關(guān)）

1434-IEEETrial-UseGuidetotheMeasurementofPARTIALDISCHARGEsinRotatingMachinery（旋轉(zhuǎn)電機(jī)）

1291-IEEEGuideforPARTIALDISCHARGEMeasurementinPowerSwitchgear（電力開關(guān)）

400.3-2006IEEEGuideforPARTIALDISCHARGETestingofShieldedPowerCableSystemsinaFieldEnvironment（電力電纜）一、電力設(shè)備局部放電簡介4、局部放電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：國內(nèi)國標(biāo)或行標(biāo)GB/T7354-2003《局部放電測量》GB/T3048.12-2007《電線電纜電性能試驗方法局放試驗》GB/T20833-2007《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子線棒及繞組局部放電的測量方法及評定導(dǎo)則》GB/T17648-1998《絕緣液體局部放電起始電壓測定試驗程序》

DL417-2006《電力設(shè)備局部放電現(xiàn)場測量導(dǎo)則》DL/T846.4一2004《高電壓測試設(shè)備通用技術(shù)條件第4部分:局部放電測量儀》一、電力設(shè)備局部放電簡介主要內(nèi)容一、電力設(shè)備局部放電簡介二、特高頻局放在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹三、特高頻局放在線監(jiān)測系統(tǒng)校驗技術(shù)四、幾點經(jīng)驗與體會GIS有如下特點第一，設(shè)備整體金屬封裝，發(fā)生故障時定位非常困難；第二，封裝屏蔽性高，運行時不易掌握其內(nèi)部狀況；第三，結(jié)構(gòu)緊湊，元件多，一個設(shè)備的故障容易波及鄰近設(shè)備，使故障擴(kuò)大；第四，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修條件高，一旦出現(xiàn)故障維護(hù)困難。GIS的這些特點極為可能增大故障影響范圍和延長停電維修時間，進(jìn)而影響整個電力系統(tǒng)的正常運行。因此對GIS故障的早期預(yù)測，預(yù)報，預(yù)防就顯得非常重要。而導(dǎo)致GIS絕緣事故的原因主要有：由于制造、運輸、現(xiàn)場裝配等多種原因造成的，異物殘存，絕緣破壞，設(shè)備器件脫落，這些事故的發(fā)生在初期均會出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象,。因此，對GIS進(jìn)行局部放電監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)絕緣的早期故障。采用GIS局放在線監(jiān)測的目的是采用有效的在線檢測手段和分析診斷技術(shù)，監(jiān)測和追蹤發(fā)生在GIS設(shè)備中的局部放電(局放，局放)，及時預(yù)報該局放的發(fā)展趨勢和預(yù)測相關(guān)設(shè)備的絕緣劣化程度，防止突發(fā)性的電氣事故，為設(shè)備的狀態(tài)檢修和維護(hù)提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。從而做到早期診斷，早期預(yù)報，避免突發(fā)性故障的發(fā)生，提高GIS運行的安全可靠性，確保GIS的安全可靠運行。特高頻在線監(jiān)測的價值能進(jìn)行早期預(yù)警的系統(tǒng)防止早期故障動作可觀降低成本減少檢查和維修成本預(yù)防昂貴的災(zāi)難性故障提高質(zhì)量和供電可靠性延長設(shè)備壽命GIS局放原理GIS中的局部放電屬于絕緣氣體電氣擊穿，SF6氣體的擊穿導(dǎo)致導(dǎo)體中流過一個短時（ns級）的電流。電流流過GIS的特征阻抗，在導(dǎo)體上產(chǎn)生一個脈沖電壓，從局放源傳播開來。由于局放信號的上升時間很短（<1ns）、頻帶很寬（>1GHz），傳播過程中在GIS腔體內(nèi)引起電諧振，激發(fā)電磁波。發(fā)生局放后，離子氣體通道急速膨脹，產(chǎn)生聲音壓力波，伴隨產(chǎn)生的還有受激原子產(chǎn)生的光發(fā)射和化學(xué)擊穿產(chǎn)物。因而，局放的影響是多方面的，有物理的、化學(xué)的和電氣的。UHFcoupleroutputwaveform100ns密封金屬

容箱,1m3氣體(freespace)柱狀高壓套管

(

r=5.5)HV導(dǎo)線

E+E-PDpulse0.5nsUHF判斷局部放電要求局部放電發(fā)生在密封的金屬倉室PD脈沖信號包含的復(fù)雜的頻率共振態(tài)UHF信號被PDM系統(tǒng)收集分析一個局放信號的傳輸Propagation

Coupling

超高頻原理來自缺陷激勵共振的電流脈沖UHFsignal傳播過程0dB(-2dB)(-6dB)-8dBGIS局放在線監(jiān)測的種類

（1）電測法

（a）耦合電容法，又稱脈沖電流法，該法結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)。但現(xiàn)場測試時，外殼上的電容電極耦合探測局放無法識別，該信號與多種噪聲混雜在一起，因此此方法的使用推廣受到限制。（b）超高頻法，其主要優(yōu)點是靈敏度高，并通過放電源到不同傳感器的時間差對放電源精確定位。但對傳感器的要求很高，此法成本昂貴。（2）非電測法非電測法監(jiān)測GIS局放信號的優(yōu)勢為可避免電氣干擾，但實用方面也有不足。（a）超聲波監(jiān)測法。由于GIS內(nèi)部產(chǎn)生局放時會產(chǎn)生沖擊振動及聲音，因此可用腔體外壁上安裝的超聲波傳感器測量局放量Q。它是目前除UHF法外最成熟的PD監(jiān)測方法,抗電磁干擾性能好,但由于聲音信號在SF6氣體中的傳輸速率很低（約140m/s），信號通過不同物質(zhì)時傳播速率不同，不同材料的邊界處還會產(chǎn)生反射,因此信號模式很復(fù)雜，且其高頻部分衰減很快。它要求操作人員須有豐富經(jīng)驗或受過良好的培訓(xùn)，另外，長期監(jiān)測時需要的傳感器較多，現(xiàn)場使用很不方便。（b）化學(xué)監(jiān)測法。通過分析GIS中局放所引起的氣體生成物的含量變化來確定局放的程度，但GIS中的吸附劑和干燥劑會影響化學(xué)方法的測量；斷路器正常開斷時產(chǎn)生的電弧的氣體生成物也會產(chǎn)生影響；脈沖放電產(chǎn)生的分解物被大量SF6氣體稀釋，因此用化學(xué)方法監(jiān)測PD的靈敏度很差。另外，該方法不能作為長期監(jiān)測的方法來使用。（c）光學(xué)監(jiān)測法。內(nèi)置的光電倍增器可監(jiān)測到甚至一個光子的發(fā)射，但由于射線被SF6氣體和玻璃強(qiáng)烈地吸收，因此可能有“死角”出現(xiàn)。該法監(jiān)測已知位置的放電源較有效，不具備完全定位故障能力，且由于GIS內(nèi)壁光滑而引起反射帶來的影響使靈敏度不高。GIS中局放5中監(jiān)測方法性能比較監(jiān)測方法耦合電容法超高頻法超聲波法化學(xué)法光學(xué)法一般優(yōu)點簡單；靈敏度高靈敏度高；可用于運行中的設(shè)備靈敏度高；抗電磁干擾能力強(qiáng)不受電磁干擾不受電磁干擾一般缺點運行設(shè)備不能使用；信噪比低造價較高結(jié)構(gòu)復(fù)雜；需有經(jīng)驗的人員操作靈敏度差；不能長期監(jiān)測靈敏度差；需多個傳感器可達(dá)精度5pC0.5~0.8pC<2pC不能定量不能定量適用監(jiān)測的放電源固定微粒；懸浮物；氣隙和裂紋各種缺陷類型都適用自由移動的微粒；懸浮物放電情況嚴(yán)重時的缺陷固定微粒；針狀突出物能否故障定位不能精確定位

0.1m苛刻條件；需傳感器多能判斷放電氣室能粗略定位故障類型判斷能能能不能不能應(yīng)用情況早期較多廣泛廣泛未應(yīng)用未應(yīng)用1-導(dǎo)線上的突出物(fixedparticle)2-外殼上的突出物(fixedparticle)3-漂浮物(badgalvaniccontact)4-絕緣子上的自由部分5-在屏和絕緣子之間的孔洞(離層)6-絕緣體上的孔洞和不規(guī)則金屬淀積導(dǎo)致GIS局部放電的原因UHF能夠固有的排除外部的空氣放電干擾(HFandVHF)這是因為SF6

或者Oil局部放電產(chǎn)生的強(qiáng)烈信號的頻率比通常的空氣放電干擾要高局部放電在線診斷監(jiān)測系統(tǒng)廣泛地用于需要進(jìn)行實時監(jiān)測和分析局放，并報警的重要超高壓GIS、變壓器或其他設(shè)備（從220kV到1000kV）。因為輻射型局部放電診斷分析系統(tǒng)有強(qiáng)大的診斷分析軟件。輻射型局部放電在線診斷監(jiān)測系統(tǒng)一般用于永久性地安裝在設(shè)備上，對設(shè)備內(nèi)部局部放電現(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測。如果發(fā)現(xiàn)可能會引起擊穿的缺陷，即給出早期的預(yù)警。由于它具有很強(qiáng)大的專家分析系統(tǒng)，不但能監(jiān)測到局放的位置、數(shù)量，還能診斷局放的故障類型。局部放電在線診斷監(jiān)測系統(tǒng)

?DMSLtd-Page32a

TDGroup

Company

該耦合器輸出取決于：在GIS內(nèi)超高頻電場強(qiáng)度端口的大小和形狀（或窗口，絕緣）耦合器設(shè)計超高頻耦合器的類型windowcouplerinternalcouplerbarriercoupler?DMSLtd-Page37?DMSLtd-Page38SmartSUBSmartSUBPlanviewoffloatingelectrode24hrHistoryrecordHistoryarchiverecord模擬數(shù)據(jù)

事件窗口與分析主要內(nèi)容一、電力設(shè)備局部放電簡介二、特高頻局放在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹三、特高頻局放在線監(jiān)測系統(tǒng)校驗技術(shù)四、幾點經(jīng)驗與體會缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)有效的手段對UHF裝置進(jìn)行評價眾多的局放設(shè)備廠商提供的產(chǎn)品各異，質(zhì)量參差不齊檢測效果不佳出現(xiàn)錯誤報警威脅整個在線監(jiān)測產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展1、工作背景三、特高頻局放在線監(jiān)測系統(tǒng)校驗技術(shù)2、檢測項目常規(guī)的對傳感器測試的方法是掃頻法，主要存在以下問題：1、掃頻測試無法準(zhǔn)確反映傳感器和檢測系統(tǒng)對于瞬態(tài)局部放電UHF信號的接收能力。2、掃頻測量系統(tǒng)所必需的掃頻信號源等設(shè)備極其昂貴目前采用瞬態(tài)電場強(qiáng)度法對傳感器及系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，與真實局放信號具有良好的等效性。3、實驗室校驗技術(shù)

基于GTEM小室的脈沖時域參考測量標(biāo)定系統(tǒng)由標(biāo)定標(biāo)定脈沖信號源、GTEM小室、單極標(biāo)準(zhǔn)探針、高速數(shù)字示波器、測控計算機(jī)、測控分析軟件及各種線纜附件等構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)脈沖源測控計算機(jī)高速示波器同步脈沖被測天線參考天線GTEM小室特高頻局部放電傳器時域脈沖標(biāo)定系統(tǒng)構(gòu)成GTEM小室的全稱是吉赫茲橫電磁波室，它是根據(jù)同軸及非對稱矩形傳輸線原理設(shè)計，其輸入端多采用N型同軸接頭，同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體展平成為一塊扇形板，稱為芯板。在GTEM室內(nèi)芯板和底板之間形成矩形均勻場區(qū)。GTEM小室終端采用50Ω無感電阻進(jìn)行匹配，同時裝有尖劈狀的吸波材料以進(jìn)一步消除終端反射。GTEM小室頻率范圍：DC～2GHz；輸入阻抗：典型值：50Ω±2Ω；電壓駐波比：≤1.5；規(guī)格尺寸：不小于4000×2100×1400mm(長×寬×高)；GTEM上傳感器測試窗口位于頂部后三分之一場強(qiáng)較均勻的區(qū)域，開孔直徑≥150mm。標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號源輸出幅值0～100V可調(diào)的方波或雙指數(shù)脈沖；上升沿(20%～80%)≤300ps；半波時間4ns～100ns;重復(fù)率宜為50～200Hz。參考天線單極探針理論與實測傳感器頻響曲線對比常規(guī)的對傳感器測試的方法是掃頻法，主要存在以下問題：1、掃頻測試無法準(zhǔn)確反映傳感器和檢測系統(tǒng)對于瞬態(tài)局部放電UHF信號的接收能力。2、掃頻測量系統(tǒng)所必需的掃頻信號源等設(shè)備極其昂貴對于檢測系統(tǒng)性能方面，國內(nèi)外更是缺乏一致和有效的評價方法傳感器靈敏度的標(biāo)定

傳感器頻域有效高度反映了天線對不同頻率的電磁場耦合的性能。為了比較方便起見，這里以被測傳感器在有效接收頻帶（或標(biāo)稱設(shè)計頻帶）平均有效高度來評價傳感器性能的優(yōu)劣。有效高度：表征特高頻局部放電傳感器將局部放電輻射的電磁波能量轉(zhuǎn)換為電壓信號的能力，量綱為mm。其定義為：式中：f——為信號頻率；