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GIS局部放电检测研究现状(二)

发布时间:2020-09-16 17:44人气:

电测法根据测量方法分为接地电流法、外部电极法、内部电极法及外置超高频天线法,根据检测频率可分为三种,即传统的电测法、高频法和超高频法。

1)传统的电测法是IEC60270标准推荐的方法,也称为耦合电容法,是测量局部放电的最常用方法,测量频率在10MHz以内。这种方法的优点是可通过校准对局部放电进行定量测量,灵敏度取决于耦合电容与试品等值电容的比值,一般可优于2pC。但这种方法要求试验回路中所有组件包括高压引线均不能产生高于试品本身的局部放电水平。

2)高频法(<100MHz)是将许多传感器分布在整个GIS中,根据频谱分析仪接收到的最大信号来确定某一缺陷的最大灵敏度。传感器可以是嵌在绝缘子中的电极或安装在绝缘法兰上;GIS通常采用多点接地使得局部放电的电气检测可在接地回路中进行,例如采用高灵敏度的脉冲电流互感器,其原理就象罗戈夫斯基(Rogowski)线圈,检测频率可达几十兆赫兹。这种方法的现场检测灵敏度可达100pC,主要在日本使用。下面分别说明了几种检测方法。

a. 接地电流法
同对变压器或套管等进行局部放电在线监测时一样,当GIS内部发生局部放电时,接地线上有高频电流通过,因而可以采用接地线电流检测法。为测量高频信号常用铁淦氧作为铁芯的传感器。也有的测量处于几兆赫兹频率的局部放电信号,主要是考虑在该频带处外界干扰较小,但GIS通常是多处接地,因此不宜采用外壳接地线上检测脉冲电流的方法来测量局放。

接地线电流法的框图
b. 外复电极法
在GIS外壳上敷上绝缘薄膜与金属电极如下图所示,外壳与金属电极形成小电容。局部放电引起的脉冲信号通过小电容耦合到检测阻抗上,再经放大后检测出来,而小电容和检测阻抗对低频信号则起隔离作用。通过电容测量到的信号是泄露出的流动波所产生的电压差。外复电极法检测频带可以达到20-40MHz,现场的检测灵敏度达100-200pC。原英国Robinson公司曾采用此原理研制了646型TEV便携式放电定位器,重5公斤带一对电容传感器,带宽为15-80MHz,可定位,定位准确度为200-300mm。
外复电极法原理图
c. 内部电极法
内部电极法有两种,一种是在绝缘子里预埋电极,另一种是采用内置专用电极。由于内置的电极处于金属容器内,所以抗干扰性能好,灵敏度高,可以测出几个皮库的放电量。利用事先预埋在绝缘子里的电极作为探头进行内部局部放电的测量,可以测量处于400kHz频率左右的衰减波振幅,但传感器必须事先安装在支撑绝缘子里,为此常需要妥善解决处于壳内的前置放大器的电源问题。我国华通开关厂生产的GIS盆式绝缘子即预埋有内电极。

为了改善预埋电极的不足,近年来像下图所示的壳内专用电极系统己有应用,由它作为GIS壳内的测量元件,而其他测量部分全在壳外。
测局放的壳内专用电极系统
最近有的研究指出:外部放电等干扰的频谱大多在400MHz以下,而内部局部放电的频谱更宽,即使在700MHz以上还有较高的振幅,因而可采用测量800MHz以上的信号来发现局部放电。下表为一实例,从这三个频谱图中可以看出:当采用同样的放大倍数(26dB),如采用800~1400MHz段,则仍可能从现场400pC的外界干扰中测得GIS内部仅8pC的局部放电。
不同处局放的频谱图例
3)超高频法(UHF)是利用装设的天线传感器测量由局部放电脉冲激发传播的超高频电磁波来评价局放的。GIS中局部放电产生持续时间仅为纳秒级的脉冲电流,在高压导体上有针状突出物时,因SF6气体中负离子释放电子而不需要依靠场致发射电子,正极性下通常发生局部放电,典型波形如图所示,其等值频率可大于1GHz,属于微波波段。

超高频法的基础是局部放电脉冲激发的超高频电磁波在同轴波导中传播时,不仅以横向电磁波(TEM)形式,而且还会建立横电波(TE)和横磁波(TM)。GIS内部局部放电激发的电磁场可以从盆式绝缘子处泄露出来,采用外置天线检测信号的结构如下图所示。
波形及传感器图
UHF法的主要优点有:①抗干扰能力强;②可以对局部放电源进行定位;③根据所测信号的频谱,可以区分不同的缺陷类型;④可以进行长期现场监测;⑤灵敏度可以满足工程要求。

近十年发展起来的超高频法是目前GIS中局部放电在线监测技术中具有很好应用前景的方法。UHF法属电测法,但与常规的电测法即脉冲电流法是不同的。根据GIS中局部放电的特点,以及UHF法用于GIS绝缘在线监测具有明显的优点,因此这一测量技术发展很快,己在英国和法国的几个400kV变电站中取得经验。德国一些大学对此技术很感兴趣,对接收UHF信号的天线进行了理论分析了实验研究。瑞士ABB高电压技术公司在550kV的GIS试验装置中对UHF法的适用性与灵敏度进行了研究,并与常规的脉冲电流法作了对比。各国的研究均表明,UHF法用于GIS绝缘的在线监测有很好的前景。

UHF法的关键技术是高灵敏度的传感器,从己有的研究来看,目前,国外普遍采用将传感器装设在GIS内部,传感器为电容式探头,国内则采用外部天线,与内部传感器相比外部天线的灵敏度和抗干扰能力较差。在采用内置传感器时,大部分研究者采用电容圆板式传感器。

在进行超高频法检测GIS局部放电时,超高频法分为宽频法和窄频法,宽频法加前置高通滤波器;窄频法利用频谱分析仪对所要研究的频段进行筛选。它们分别适用于不同的干扰源。如对空气电晕产生的频率较低的电磁干扰只需加500MHz的高通滤波器,用宽频法即可完全消除干扰;对UHF通讯、电视信号由于其具有中心频率可用窄频法对其与局部放电信号加以比较后而识别。

要准确地了解和掌握GIS内缺陷类型性质和特征,有效的方法是对获得的局部放电信号进行模式识别。研究局部放电现象与绝缘缺陷之间的关系,是局部放电模式识别的主要目的。

在不同的测量系统中,将会构造不同的局部放电模式用于放电分析和绝缘诊断,主要的局部放电模式有:脉冲序列相位分布模式;局部放电相位分布模式,即所谓的中Φ-q-n模式;Δu模式;局部放电时间分布模式,即放电脉冲波形模式。

有关局部放电的标准和规程中对局部放电的描述参数是局部放电量q、放电相位Φ、和每个周波的放电次数n。人们通常习惯于根据这些参数来判断局部放电的严重程度,尤其是局部放电量。然而,就超高频传感而言,检测信号的大小不仅和局部放电的真实放电量有关,还与放电源的类型和形状,超高频信号的传播路径等因素有关,因此,简单地对检测信号的大小进行放电量标定是无意义的。
   
目前,超高频传感下GIS局部放电的标定以及严重程度的判断仍然没有成熟的方法和规程,有待进一步研究,为了实现真实可靠的GIS局部放电在线监测,需要积累大量的实验室试验数据和现场数据。这方面有待进一步的工作。

将GIS局部放电各种主要检测方法进行比较,有以下基本结论:

①传统的电测法主要适用于实验室测量。由于无线电干扰及外部电晕,测量时需要对试验回路采取强有力的屏蔽措施,不适合现场测量;

②化学方法由于太不灵敏而无法在给定的测试期间内给出结果,声学方法、IEC60270推荐的方法、超高频法都有较好的灵敏度。化学方法只适用于运行过程中定期检测,但它可帮助确定委托试验中闪络放电发生的位置;

③声学方法优点是可在GIS外部进行测量,适用于委托试验和周期性试验。由于其检测范围有限,需要大量的传感器,因此不适合在线监测;

④IEC60270推荐方法测量时需要外部耦合电容,不宜应用于运行中的GIS;

⑤超高频法抗干扰能力强,很适合GIS在线监测,但要获得最大灵敏度,传感器需要安装在GIS内部。超高频传感下GIS局部放电的标定以及严重程度的判断仍然没有成熟的方法和规程,有待进一步研究。

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