GIS局部放电检测中特高频法与超声波法灵敏度的对比研究_图文

1、第27卷第3期2010年6月现 代 电 力M oder n Electr ic P ow erV ol 27 N o 3June 2010文章编号:1007 2322(201003 0031 06文献标识码:AGIS 局部放电检测中特高频法与超声波法灵敏度的对比研究吴张建1,2,李成榕1,齐 波1,郝 震1,耿弼博1(1 华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室,北京 102206;2 华北电网有限公司,北京 100045Partial Discharge Detection for GIS:A Comparison of Sensitivity BetweenUHF and Ultras

2、onic MethodsWu Zhang jian 1,2,Li Chengrong 1,Qi Bo 1,H ao Zhen 1,Geng Bibo1(1.Beijing Key Labor ator y o f High V oltage &EM C,N orth China Electric Pow er U niv ersity ,Beijing 102206,China;2.No rth China Gr id Com pany L imited,Beijing 100045,China基金项目:北京市教委实验室共建项目(2007摘 要:为对特高频法和超声波法在GIS 设备局部

3、放电检测中的灵敏度进行对比,以实际的GIS 设备为基础,建立了一套220kV GIS 局部放电检测平台,模拟了实际中较为常见的5类放电缺陷,利用特高频法和超声波法对5类缺陷在不同电压下的局部放电同时进行了测量,并对两者获得的起始放电电压、平均视在放电量、放电次数和放电幅值进行了比较。试验结果表明:特高频法对上述5类局部放电的检测均较为灵敏;超声波法对GIS 设备中绝缘子表面自由金属颗粒缺陷、绝缘子表面设备外壳内侧金属尖刺缺陷以及高压导体接触不良缺陷引起的局部放电的检测较为灵敏,但与特高频检测法相比,灵敏度仍然略低。因此建议以特高频作为GIS 设备内部缺陷检测和诊断的主要手段,超声波法为辅助检测

4、手段。关键词:气体绝缘变电站;局部放电;特高频法;超声波法Abstract:To compare sensitivity of partial discharge detec tion for GIS between UHF and ultrasonic method,a partial discharge detection platform f or 220kV GIS is built based on real GIS equipment.Five cases of partial defect (PDdis charges are simulated,and their values

5、 under diff erent volt age level are m easured by using of UHF and ultrasonic meth od.At the same time,such values as initial discharge volt age,average apparent discharge magnitude,discharge times and discharge amplitude,are com pared.It can be seen f rom results that,1U HF m ethod show higher sens

6、itivity in de tecting the five types of partial discharges;2ultrasonic method is sensitive in detecting partial discharges caused by f ree metallic particles on insulator,mental sharps on inner shell of insulator,and f loating electrode on high voltage conductors,but its sensitivity is low er than t

7、hat of U HF method.Therefore,it is suggest ed that UHF should be used as major method to detect and diagnose inner defect in GIS,and ultrasonic method as assist detect measure.Key words:gas insulated substation (GIS;partial dis charge;UH F;ultrasonic0 引 言气体绝缘组合电器(GIS因具有占地面积小、维护工作量少、绝缘性能优良、可靠性高等优点被广泛

8、应用于高压输电领域。随着电网电压等级和系统容量的不断增加,GIS 设备的内部故障也随之增多1,因此寻找有效评估GIS 内部状态的方法尤为重要,目前国际上主要通过局部放电的检测得以实现2-3。局部放电不仅是GIS 设备绝缘劣化的先兆和表现形式,而且能够引起绝缘的进一步劣化,致使GIS 的电气绝缘性能降低,最终导致绝缘击穿或沿面闪络4-6。常见的GIS 设备局部放电检测方法有:常规脉冲电流法7、特高频(U H F法8、超声波法9等。脉冲电流法的应用时间较长,有国际标准IEC 60270来规范其检测回路、标定方法和试验程序等,可以获得视在放电量,但是抗干扰性较差,信噪比低,难以实现在线检测。特高频法

9、利用局部放电辐射出的特高频电磁波信号进行检测,有效地避开了实际应用中常见的电磁干扰,抗干扰能力较强,检测效率较高,并可实现在线监测、模式识别及故障定位,但是放电量难以标定。超声波法是利用安装在GIS 设备外壳上的超声波传感器接收局部放电产生的振动信号以达到检测内部局部放电的目的,传感器与待测设备的电气回路无任何联系,抗电磁干扰能力较强,并可实现局部放电的故障定位,但也存在放电量难以标定、信噪比低、抗振动干扰性较差以及检测效率较低等不足。近年来,特高频法和超声波法由于良好的抗干扰性,已经在GIS 设备局部放电的检测中得到了广泛应用。然而,目前大多数的研究只专注于特高频法或超声波法,关于两种方法检

10、测GIS 局部放电的对比研究较少。因此,本文以实际的GIS 设备为基础,建立了能够进行特高频法和超声波法对比的220kVGIS 局部放电检测平台,模拟了实际中经常出现的5种GIS 放电缺陷,对这两种GIS 设备局部放电检测方法进行了对比试验研究,以期为特高频法和超声波法在GIS 设备局部放电检测中的实践应用提供一定的参考。1 试验平台1 1 试验装置GIS 设备局部放电检测方法对比的试验研究不能脱离实际设备的运行情况。如果简单地以同轴圆柱体进行模拟,则试验结果与实际情况可能会有较大差别,因此本文以实际的252kV ZF-16型GIS 设备作为试验装置的原型。为了便于利用多种检测手段对局部放电进

11、行检测,本文对GIS 腔体进行了重新设计与二次加工,结构示意图如图1 所示。图1 试验装置结构示意图试验装置整体呈L 型结构,三相分体式设计,包含1个高压套管、1个非气隔绝缘子和6个气隔绝缘子,构成8个大小不等的气室,各气室中充以0 4MPa 的SF 6气体作为绝缘介质,以保证试验条件与设备实际运行情况相同。其中试验腔经过单独设计,装有两个安装孔和一个手孔,分别用于特高频传感器和超声波传感器的安装以及放电模型的设置。本文的所有试验均在试验腔内进行。1 2 放电模型GIS 设备的局部放电是由其绝缘缺陷造成的。绝缘缺陷不同,造成局部放电类型也有所不同。本文将经常出现的故障因素具体化,并考虑了试验模

12、拟的难度,共设计了5类放电模型,分别为绝缘子表面固定金属颗粒、绝缘子表面自由金属颗粒、设备外壳内侧金属尖刺、高压电极毛刺和悬浮导体放电故障等。1 2 1 绝缘子表面固定金属颗粒模型绝缘子表面固定金属颗粒局部放电的试验模型为长度5cm 、直径0 8mm 、平行于电场方向固定放置的单根电料铝丝,端部位于绝缘子表面3cm 处,如图2(a所示。1 2 2 绝缘子表面自由金属颗粒模型由于重力作用以及绝缘子的斜面结构,GIS 设备中绝缘子表面的自由金属颗粒通常位于绝缘子靠近设备外壳的底部,位于绝缘子其它部位的可能性不大。因此绝缘子表面自由金属颗粒局部放电的试验模型为10颗长度为1cm 、直径为0 8mm

13、和10颗长度为2cm 、直径0 8mm,位于绝缘子底部杂乱放置的20颗电料铝丝,如图2(b所示。1 2 3 设备外壳内侧金属尖刺模型绝缘子表面设备外壳内侧金属尖刺故障是GIS 设备中最为常见也是最为危险的一种地电极故障,绝缘子表面设备外壳内侧金属尖刺局部放电的试验模型为长度2cm 、直径0 8mm 位于绝缘子底部且末端与GIS 设备外壳相连接的1颗电料铝丝,如图2(c所示。1 2 4 高压电极毛刺模型高压电极与绝缘子以及SF 6气体的交界面处是GIS 设备中最易发生故障的部位。不论具体故障的原因如何,最终的表现形式一般为交界面处的绝缘子表面出现绝缘性能较差的细枝状放电通道,但此时绝缘能力尚未完

14、全丧失,沿面闪络尚未发生。因此本文通过在绝缘子表面设置长度2cm 、直径0 8mm,位于绝缘子顶部且端部与GIS 设备高压导体相连接的1颗电料铝丝,来模拟高压电极毛刺形成的放电通道,由其引发局部放电,如图2(d所示。1 2 5 悬浮导体放电故障模型为尽可能模拟GIS 设备故障的实际情况,本文利用试验腔体内部的高压导体屏蔽罩作为悬浮体来模拟实际GIS 设备的高压电极接触不良故障,如32现 代 电 力 2010年图2(e 所示。图2 放电模型示意图1 3 检测装置在试验过程中,分别对视在放电量、特高频信号、超声波信号进行同步实时检测与记录。1 3 1 视在放电量局部放电的视在放电量采用DST-4型

15、局部放电检测仪进行检测,检测频带为40kHz80kH z,采用并联测试回路,以保证试验过程中测量设备的安全,通过实际测试,最小可检测的视在放电量为4pC 。1 3 2 特高频信号特高频(UHF信号的检测采用特高频传感器,工作带宽300MH z1500MH z,增益40dB,由于UH F 信号目前无法实现视在放电量的标定,因此用检波信号的幅值来等效描述放电量的大小,单位为V 。特高频传感器安装在试验腔上安装孔处,如图3所示,嵌入式安装,既提高了特高频传感器的灵敏度,又不会改变试验腔体内的电场分布,离放电模型的位置约为31cm 。通过实际测试,本文所采用特高频传感器最小可检测的放电量为2pC 。1

16、 3 3 超声波信号超声波信号的检测采用超声波传感器,主要由谐振式探头与后置宽带放大器组成,工作带宽为15kH z 70kH z,谐振频率为40kH z,增益 为图3 传感器安装位置示意图40dB 。由于超声波信号目前也无法实现视在放电量的标定,因此用超声波信号的幅值来等效描述放电量的大小,单位为V 。超声波传感器通过有机硅脂作为耦合剂安装在试验腔下安装孔处,离放电模型的位置约为11cm ,如图3所示。耦合剂的采用可以提高超声波传感器的灵敏度。经过实际检验测试,本文采用的超声波传感器检测到的背景噪声有效值为0 00135V 。1 4 试验回路试验回路示意图如图4所示。C x 为相应的局部放电模

17、型;C o 为150kV 、300pF 高压电容器,用于耦合C x 放电时产生的脉冲电流信号;Z m 为ZST -4型局部放电检测仪的检测阻抗;ICC 为数据采集记录装置,工频相位信号、视在放电量、UH F 信号、超声波信号以及光信号通过ICC 同步采集后保存, 以便进行后期数据分析。图4 试验回路示意图2 试验方法与试验数据分析2 1 试验方法置入相应的放电模型后将试验腔体抽真空并充33第3期吴张建等:GIS 局部放电检测中特高频法与超声波法灵敏度的对比研究入0 4M Pa的SF6气体,试验中首先慢速升高试验电压,直至出现较为稳定的放电现象,分别记录特高频传感器检测到的起始放电电压U iU以

18、及超声波传感器检测到的起始放电电压U iA,然后采用逐步升压法进行局部放电试验,根据试验模型的不同,升压的步长有所不同,每个电压的持续时间均为60min。试验过程中记录每种放电模型的平均视在放电量Q ave、U H F传感器检测到的放电次数N U 和平均放电幅值U U ave、超声波传感器检测到的放电次数N A和平均放电幅值U Aave,以便进行两种局部放电检测方法的对比。2 2 试验结果分析和比较2 2 1 起始放电电压此处的起始放电电压在本文中定义为特高频传感器和超声波传感器开始检测到稳定的局部放电信号时的外施电压。在5种放电模型下,特高频传感器和超声波传感器检测到的局部放电的起始放电电压

19、U iU和U iA以及两者的差值U iA-U iU如表1所示。表1 5种放电模型下的放电起始电压放电模型U iU/kV U iA/kV(U iU-U iA/kV 固定金属颗粒61 370 99 6自由金属颗粒21 023 32 3外壳内侧尖刺50 552 62 1高压电极毛刺54 859 24 4悬浮导体放电18 920 01 1由表1可以看出,绝缘子表面固定金属颗粒放电模型下两种检测手段检测到的局部放电的起始放电电压差值最大,因此两种检测方法灵敏度的差异最大;高压电极毛刺次之,外壳内侧尖刺、自由金属颗粒放电模型下起始放电电压的差值较小;悬浮导体放电的差值最小,因此两种检测手段的灵敏度大致相当

20、。2 2 2 不同试验电压下的放电特性固定金属颗粒绝缘子表面固定金属颗粒放电模型下,外施电压不同时,平均视在放电量Q ave、特高频传感器检测到的放电次数N U和平均幅值U Uave、超声波传感器检测到的放电次数N A和平均幅值U Aave如表2所示。表2 固定金属颗粒放电模型下的放电特性试验电压/kVQ av e/pCU HF法超声波法N U U Uav e/V N A U Aave/V 61 314 58130530 03600 00134 66 816 69459510 05100 00133 72 239 83090200 0983760 00148 77 649 287264440

21、1078910 00181 83 1139 582315730 12627640 00250 88 5199 625357520 136127320 00373由表2可以看出,视在放电量为14 581pC和16 694pC时,超声波传感器检测到的基本为背景噪声(小于背景阈值0 00135V,没有明显的放电信号出现,而特高频传感器检测到了大量的放电信号,这是由于盆式绝缘子表面固定金属颗粒的放电使得SF6分子间剧烈碰撞并在宏观上瞬间形成压力,产生超声波脉冲,但是超声波信号在SF6气体和固体绝缘子中的衰减较大,当所产生的超声波信号在通过盆式绝缘子和SF6气体传输到超声波探头的位置时,基本上衰减殆尽,

22、因此通过超声波探头检测到的信号基本上为背景噪声。对于特高频信号而言,由于SF6气体的绝缘强度较高,局部放电产生脉冲的持续时间很短,由此可以激发上百兆赫兹的电磁波,GIS设备的金属同轴腔体结构构成良好的波导和屏蔽,非常有利于这种电磁波的传播,并且对外界干扰信号起到较好的屏蔽作用,因此由UH F传感器检测局部放电信号的灵敏度均比较高。当外施电压为72 2kV时,超声波传感器开始检测到局部放电信号,但较为微弱,此时的平均视在放电量为39 830pC;外施电压为88 5kV时,局部放电较为剧烈,超声波传感器检测到的放电信号的幅值较为明显,此时的平均视在放电量为199 652pC。因此,对于绝缘子表面固

23、定金属颗粒引起的局部放电,超声波法对小幅值的放电不灵敏,检测灵敏度较低。自由金属颗粒绝缘子自由固定金属颗粒放电模型下,外施电压不同时,平均视在放电量Q ave、特高频传感器检测到的放电次数N U和平均幅值U U ave、超声波传感器检测到的放电次数N A和平均幅值U Aave如表3所示。34现 代 电 力 2010年表3 自由金属颗粒放电模型下的放电特性试验电压/kV Q av e/pCU HF法超声波法N U U Uav e/V N A U Aave/V23 211 68510460 2724620 00153 34 212 29542640 24313390 00159 45 012 56

24、185080 24328010 00166 55 9175 3271847450 608645820 00293 66 8263 3532566650 8211325930 00382 77 6237 4692676350 8501397250 00517 88 5237 0642806131 010* 00588 99 4249 4903065071 0401735270 00733由表3可以看出,当平均视在放电量为11 685pC、12 295pC以及12 561pC时,超声波传感器已经可以检测到较为明显的超声波信号。这说明GIS设备中,超声波检测法对盆式绝缘子表面自由金属颗粒所引起沿面放

25、电较为敏感,可以检测此种类型的放电。特高频传感器也检测到较为明显的放电信号,与超声波传感器相比,特高频传感器检测到的放电次数大大多于超声波传感器检测到的放电次数,因此,超声波检测法对GIS设备中盆式绝缘子表面自由金属颗粒所引起局部放电较为敏感,可以检测此种类型的放电,但灵敏度比特高频检测法略低。结合局部放电起始电压的测量数据,本文采用的超声波传感器的灵敏度仍然小于特高频传感器和局部放电检测仪的灵敏度。!外壳内侧金属尖刺外壳内侧金属尖刺放电模型下,外施电压不同时,平均视在放电量Q ave、特高频传感器检测到的放电次数N U和平均幅值U U ave、超声波传感器检测到的放电次数N A和平均幅值U

26、A ave如表4所示。表4 外壳内侧金属尖刺放电模型下的放电特性试验电压/kV Q av e/pCU HF法超声波法N U U Uav e/V N A U Aave/V52 915 390105570 04429510 00157 58 121 689130270 06456550 00166 63 525 963166180 07593830 00171 68 932 947198520 087120410 0018 74 462 381245940 103108250 00199 79 881 928280740 118155890 00236 85 3185 555313420 1291

27、06180 0029 90 7249 655346720 143115290 00374 由表4可以看出,外施电压为52 9kV时,平均视在放电量仅为15 390pC,但此时超声波传感器输出的平均有效值为0 00157V,大于超声波传感器的检测阈值0 00135V,已经检测到较为明显的局部放电的存在。当外施电压为58 1kV和63 5kV时,平均视在放电量也仅有21 689pC和25 963pC,超声波传感器输出的平均有效值分别为0 00166V和0 00171V,也检测到了有效的放电信号。因此,超声波检测法对盆式绝缘子表面设备外壳内侧金属尖刺故障的导致局部放电较为敏感,这是由于金属尖刺末端与

28、GIS设备外壳相连,而伴随金属尖刺端部局部放电产生的超声波信号在金属中的衰减较小所致,因此超声波检测法可以检测此种类型的局部放电,但灵敏度比特高频检测法略低。高压电极毛刺高压电极毛刺放电模型下,外施电压不同时,平均视在放电量Q ave、特高频传感器检测到的放电次数N U和平均幅值U U ave、超声波传感器检测到的放电次数N A和平均幅值U A ave如表5所示。表5 高压电极毛刺放电模型下的放电特性试验电压/kVQ av e/pCU HF法超声波法N U U Uav e/V N A U Aave/V 55 926 38629290 15400 00128 59 224 451103360 1

29、6012450 00139 62 427 238160290 14460810 00149 65 730 245220900 127116970 00157 68 931 094236540 139132280 00165 72 243 784237210 157148210 00181由表5可以看出,当外施电压为55 9kV时,平均视在放电量为26 386pC,此时超声波信号的平均有效值较小,仅为0 00128V,小于超声波传感器的检测阈值,因此超声波传感器没有检测到有效的放电信号,但此时特高频传感器仍然可以检测到大量有效的放电信号。当外施电压为59 2kV 时,超声波传感器开始检测到局部放

30、电所产生的超声波信号,但幅值较为微弱,仅为0 00139V。这是由于局部放电产生的超声波信号在SF6气体和固体绝缘子中的衰减较大所致。因此,结合表1中局部放电起始电压的测量数据,超声波检测法对GIS35第3期吴张建等:GIS局部放电检测中特高频法与超声波法灵敏度的对比研究36 现 代 电 力 2010 年 设备盆式绝缘子表面高压电极毛刺所引起局部放电 不敏感, 灵敏度比较低。 # 悬浮导体放电 悬浮导体放电模型下, 外施电压不同时, 平均 视在放电量 Qave 、特高频传感器检测到的放电次数 N U 和平均幅值 U U ave 、超声波传感器检测到的放电 次数 N A 和平均幅值 U Aave

31、 如表 6 所示。 表 6 悬浮导体放电模型下的放电特性 试验电 压/ kV 20 0 36 3 52 6 68 9 85 3 U HF 法 Qav e / pC NU 4 550 283 6 478 709 13 234 66 14 997 11 15 934 06 549 2 654 1 613 2 101 2 102 2 356 UUav e / V 2 298 2 432 12 2 831 96 2 831 63 2 903 5 2 880 32 NA 539 2 606 1 608 2 082 2 099 2 347 U Aave / V 0 001 51 0 006 46 0 01

32、1 23 0 020 41 0 027 36 0 046 60 超声波法 高压导体接触不良缺陷引起的局部放电的检测较为 灵敏, 但与特高频检测法相比, 灵敏度仍然略低。 参 1 考 文 献 CIG RE Wo rking G ro up 33/ 32- 12. Insulation coo r dination o f G IS: r etur n o f experience, o n site tests and diag no st ic techniques J . Electra, 1998, 176 ( 2 : 67- 95. 2 Phil Bolin, Hermann K och

33、. Introduction and applica tions of gas insulated substation ( GIS C . IEEE P ower Engineering Society General M eeting . San Fran cisco, CA , U nited States: IEEE, 2005: 920- 926. 3 李继 胜, 赵学风, 杨景刚, 等. G IS 典 型缺陷 局部 放电测量与分 析 J . 高电压技 术, 2009, 35( 10 : 2440- 2445. 4 I EEE Substat ions Co mmittee Wo r

34、king Gr oup K 4. P artial discharg e testing of g as insulated substatio ns J . I EEE T r ans. on Po wer Deliver y, 1992, 7( 2 : 499- 506. 101 6 16 005 28 5 Baumg art ner R, F ruth B, L onz W, et al. Partial dis charge Part X: PD in g as insulated substations meas urement and practical considerations J . IEEE Electri cal Insulation, 1992, 8( 1 : 16- 27. 由表 6 可以看出, 当外施电压为 20 0kV 时, 超声波和特高频传感器都已检