GIS局部放电超声波信号特征的实验研究

1、GIS局部放电超声波信号特征的试验研究杨圆 李成榕 郑书生华北电力大学摘要 GIS局部放电检测是诊断GIS 绝缘故障的有效方法。本文利用超声波法对GIS 中的各种典型局部放电进行了研究。建立了GIS 局部放电模拟测试系统,包括局部放电模拟系统、超声波测量系统和常规局部放电测量系统。着重模拟研究了四种典型的局部放电信号,包括GIS 内金属颗粒群、高电位接触不良、地电位接触不良、高压尖刺。并在试验基础上统计、分析不同类型局部放电的超声波信号和特高频信号发生发展规律,得出信号统计谱图。包括:N-谱图和Umax-谱图。试验结果表明低频超声波传感器可以监测到这四种局部放电信号,信号统计谱图显示不同模型的

2、超声波信号表现出了不同特征,这些研究结果为实现局部放电的模式识别提供了试验数据。关键词 局部放电;GIS 超声波;N-谱图;Umax-谱图1 引言封闭式组合电器(GIS是指将断路器、隔离开关及接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、引线套管或电缆终端盒等各元件的高压带电部位,封闭在充有SF6气体的接地金属外壳中1。GIS非常紧凑的结构使整个装置的占地面积大为缩小,且运行时不受外界环境的影响,配置灵活、维护简单、可靠性高,检修周期长,已广泛应用于高压输变电系统中。随着电力系统向超高压、高可靠性和紧凑性发展,GIS 已成为今后的主要方向23。尽管GIS具有很高的安全可靠性,但在实际运行中仍

3、不可避免的会有各种类型的故障发生。GIS内部由于制造时出现毛刺、安装运输时部件松动或接触不良引起浮电位,运行中出现绝缘老化、内部有自由金属颗粒等原因,有可能出现显著的局部放电。长期的局部放电使绝缘的劣化损伤局部扩大,甚至可使整个绝缘击穿或沿表面闪络。这种故障可使运行中的设备出现故障出现停电,而且,GIS内部SF6气体压力很高,一旦发生事故,不仅对其本身,对其周边设备也会造成损害,进而影响电力系统的安全和可靠运行,直接损失和间接损失相当严重。 2 GIS局部放电研究现状在超声学中,振动是形成超声波的主要原因。在产生局部放电时,脉冲力将要施加到周围材料上,通常这些材料是有弹性的,将要产生振动,生成

4、超声波。将超声波传感器安装在电力设备外壳上检测局部放电产生声信号的方法称为超声波检测法。在GIS内部发生局部放电时,将会产生一个电荷的中和过程,相应的会有一个较陡的电流脉冲,电流脉冲的作用使得局部放电发生的局部区域瞬间受热而膨胀,形成一种类似“爆炸”的效果,放电结束后原来因为受热而膨胀的局部区域恢复到原来的体积。这种由于局部放电产生的一胀一缩的体积变化引起了介质的疏密瞬间变化,形成超声波,从局部放电点以球面波的方式向四周传播,并在金属外壳上出现各种声波,如纵波、横波和表面波等。我们可以通过分析获取的这些超声波信号来分析局部放电特征4-8。GIS 绝缘早期故障的主要形式是局部放电, GIS 中各

5、种缺陷所导致的故障在运行中的分布情况如图1-1所示9。局部放电既是绝缘劣化的征兆和表现形式,又是绝缘进一步劣化的原因,因此局部放电检测能够有效地发现GIS内部早期的 图1-1 GIS中缺陷分布情况绝缘缺陷,避免其进一步发展。目前,有关这一领域的研究和应用受到日益重视。国外方面,西门子公司对GIS局部放电的超声波检测做过一定的研究,研究结果表明GIS 局部放电会在GIS内的SF6气体中产生超声波,并在金属外壳上出现各种声波,使用超声波传感器提取这些信号,可以利用这些信号分析GIS 局部放电。北京交通大学的李晨焱等人详细比较了GIS 局部放电监测中超声波法与特高频法,指出特高频法从灵敏度上高于超声

6、波法, 可达0.5- 0.8pC, 超声波法约小于2pC, 具有较高的可靠性, 可以进行放电故障的精确定位10。虽然GIS超声传感技术的研究已有二十多年的历史,但始终没有达到良好的使用程度,检测灵敏度低和检测效率低是其重要的缺点。国内外对GIS超声波检测技术的研究,尤其对局部放电的模式识别的研究还有待深入。3 本文主要工作组建了GIS局部放电模拟系统,模拟的故障包括:金属颗粒群(水平绝缘子上、高电位接触不良、低电位接触不良和高压尖刺。组建了GIS局部放电测试系统。采用超声波方法和特高频方法对GIS的局部放电进行监测,通过统计分析各种放电模型下采集到的局部放电信号数据,总结不同放电类型的信号特征

7、,得出各种不同形式局部放电的信号规律。其中,重点分析的局放信号特征包括:放电次数与放电相位谱图(N-谱图:每个工频周期被平均分成100个相位段,统计各个相位段内的放电次数、超声波信号幅值与放电量关系(Umax-谱图:每个工频周期被平均分成100个相位段,统计各个相位段内放电幅值的最大值。由于不同的局部放电源产生和辐射电磁信号的机理和传播媒介不同,因此不同的局部放电源产生的信号就会有不同的特征表现,通过研究不同局部放电类型所具有的特征,就可能区分不同的放电源,以期达到局部放电检测和模式识别的目的。(1 试验模型的建立各种放电类型的试验都是将试品放置在GIS模型中进行的,这就要求模型真实,操作方便

8、,并能够准确地测量各种试验结果。为此,本文设计了1:1比例的GIS实体模型,该实体模型结构图如图3-1,试验电路图如图3-2 所示。图3-1 GIS结构图(单位:mm 图3-2GIS试验电路图(2 超声波检测系统超声检测系统由超声传感器、前置放大器、示波器、GPIB卡、计算机组成,其布置情况如图3-3所示。1 传感器试验中选用声华科技公司研制的SR-15高频谐振式传感器,这种传感器检测频带比较宽,可以在宽频带范围内研究局部放电超声波信号。SR-15高频谐振式传感器灵敏度-频率特性如图3-3所示。产品主要技术参数为:共振频率:150KHz,10dB带宽:60 250KHz,灵敏度:>65

9、dB。2 前置放大器本检测系统采用声华公司研制的PAII 型宽带前置放大器,频率覆盖了10kHz 图3-3 SR-15型传感器校准曲线2MHz,增益达到40dB,最大输出范围为14V (峰峰值。SR-15型超声波探头的频率范围是 50400 KHz,因而系统频带是50400 KHz。3 信号采集装置如图3-3所示,经前置放大器处理的信号被传输到示波器,并通过GPIB 接口传输到计算机中,以便于进一步分析处理。示波器采用YOKOGAWA的DL1540L型8位数字示波器。试验时,单次采样时间长度为一个工频周期,即20ms;采样率为5MS/s。利用常规局放信号用以标定模型的放电量;触发器用以控制信号

10、采集起始时刻,使其与试验电压过零上升时刻保持一致,以便于观察放电信号的发生相位。(3 模型设置与试验方法根据大量现场实际运行的经验,最经常出现的几种缺陷是金属尖刺放电、自由颗粒放电、接触不良放电。本文所展开的试验也是根据这几种放电类型来设定的。1 地电位接触不良地电位接触不良是GIS内部悬浮放电的一种重要形式,它是由于GIS接地腔体的某些连接部分没有可靠连接造成的,可能是起初安装不完善或运行过程中逐渐发展造成的。试验中该模型模拟情况如下:在实验室的GIS垂直腔体内部盆式绝缘子上靠近接地金属外壳处采用一个M14的螺母造成地电位接触不良,螺母距GIS外壁约为0.5mm,然后在该腔体中充气压为0.4

11、MPa的SF6气体,逐渐升高电压,待产生明显放电后,触发各通道采集放电信号。加压过程中,视在放电量约4500pC,模型如图3-4所示。2 高压导体上的金属尖刺高压导体尖刺是设备制造或现场安装过程中产生的。这种放电是尖板放电类型, 属于极不均匀电场,是典型的电晕放电。试图3-4(左地电位接触不良图3-5(右高压导体上的金属尖刺验中该模型模拟情况如下:在GIS垂直腔体内部高压导体上,放置具有伸出尖端金属丝环,以此模拟在施加高电压的情况下,高压导体尖刺引起局部放电的模型。高压导体上的尖刺长约11cm,导体直径0.64mm,距离GIS壁为5cm。然后在该腔体中充气压为0.4MPa的SF6气体,逐渐升高

12、电压,待产生明显放电后,触发各通道采集放电信号。加压过程中,视在放电量约500pC,模型如图3-5所示。3 高电位接触不良高电位接触不良会产生浮动电位体,是设备制造或现场安装过程中高压导体部分没有可靠连接或运行过程中部件松动造成的。试验中该模型模拟情况如下:在GIS水平腔体内部高压导体上,以普通细棉线悬挂一个M14的螺母,螺母距导体大约0.5mm。然后在该腔体中充气压为0.4MPa的SF6气体,逐渐升高电压,待产生明显放电后,触发各通道采集放电信号。加压过程中,视在放电量约430 pC。,模型如图图3-6 所示。 图3-6(左高电位接触不良图3-7(右绝缘子上的固定颗粒群4 绝缘子上的金属颗粒

13、群金属颗粒群是现场最常见的故障类型,是设备制造或现场安装过程中引入或运行过程中部件松动脱落造成的。试验中该模型模拟情况如下:在GIS垂直腔体内部盆式绝缘子上高压导体和腔体之间,散落放置12根4cm长、直径0.86mm的金属段,金属颗粒距腔体内壁大约1cm。然后在该腔体中充气压为0.4MPa 的SF 6气体,逐渐升高电压,待产生明显放电后,触发各通道采集放电信号。模型如图3-7所示。加压过程中,估算视在放电量约360pC。设置好模型后,将手孔盖板安装好,保证密封效果;对GIS 腔体抽真空、充SF 6气体,气压为0.4MPa。逐级升高试验电压,直到局放仪与超声波同时检测到局放信号;开始采集数据。4

14、 试验结论(1 地电位接触不良地电位接触不良引起的局部放电信号统计谱图如下:1-2020406080100120140T h e n u m b e r o f d i s c h a r g e sDischarge phase图4-1 地电位接触不良N-谱图10.250.300.350.400.45D i s c h a r g e a m p l i t u d eD is charge phas e图4-2 地电位接触不良Umax-谱图(2 高压导体尖刺高压导体尖刺引起的局部放电信号统计谱图如下:60120180240300360010203040T h e n u m b e r o

15、 f d i s c h a r g e sD isc harge phas e图4-3 高压导体尖刺N-谱图612400.020.030.040.050.060.07D s c h a r g e a m p t u d eD is ch arg e ph a s e图4-4 高压导体尖刺Umax-谱图(3 高电位接触不良高电位接触不良引起的局部放电信号统计谱图如下:6012018024030036005101520T h e n u m b e r o f d i s c h a r g e sD isc harge phas e图4-5 高电位接触不良N-谱图60120180240300

16、3600.0150.0200.0250.0300.035D i s c h a r g e a m p l i t u d eD is charge phas e图4-6 高电位接触不良Umax-谱图(4 金属颗粒群金属颗粒群引起的局部放电信号统计谱图如下:1010203040506070T h e n u m b e r o f d i s c h a r g e sD isc harge phas e图4-7 金属颗粒群N-谱图601201802403003600.0120.0140.0160.0180.020D i s c h a r g e a m p l i t u d eD isc

17、harge phase图4-8 金属颗粒群Umax-谱图5 小结超声波信号随着超声波探头与放电点距离的增加迅速下降,当超声波探头与放电源的距离大于50cm时,已经采集不到放电信号。高压尖刺放电是尖板放电类型,属于极不均匀电场,是典型的电晕放电,其放电规律和其余三种信号的波形有很大区别,体现在放电主要只发生在工频信号的负半周。由超声波测量系统可以得出四种不同的局部放电模型的各自典型特征,结合N-谱图和Umax-谱图,可知四种放电存在较明显的区别,从而可以分辨出放电类型,为局部放电的模式识别提供了试验依据。参考文献1 邱毓昌,GIS 装置及其绝缘技术,北京:水利电力出版社,19942 SF6 封闭组合电器局部放电检测系统研制报告,河南电力试验研究所,20003 王昌长,李福棋,电力设备局部放电的在线监测,清华大学电机工程与应用,电子技术系,19964 张鸣超,王建生,邱毓昌,GIS中局部放电产生的特高频电磁波及其测量,高电压技术,1998年第2期5 苑舜 全封闭组合电器局部放电超声传播特性及监测问题的研究 中国电力 1997年第一期 7-116 李燕青,超声波法检测电力变压器局部放电的研究, 博士论文, 保定, 华北电力大学, 2003 7 袁易全,局部放电超声特性实验研究