GIS局部放电在线监测系统及校验技术

GIS局部放电在线监测系统及校验技术北京电力科学研究院陶诗洋2015年11月上海主要内容一、电力设备局部放电简介二、特高频局放在线监测系统介绍三、特高频局放在线监测系统校验技术四、几点经验与体会一、电力设备局部放电简介1、什么是局部放电？由于绝缘介质中电场分布的不均匀，在绝缘介质局部放引起的电荷不断积累与释放的现象。引起局部电场集中的原因包括电极形状尖锐、不同介电常数的绝缘介质交界面等。

一、电力设备局部放电简介一、电力设备局部放电简介一、电力设备局部放电简介2、典型图谱：气隙放电

一、电力设备局部放电简介2、典型图谱：沿面放电

一、电力设备局部放电简介2、典型图谱：电晕放电

一、电力设备局部放电简介3、局部放电的检测方法脉冲电流法（可用视在放电量量化描述）；特高频法；超声波法；高频电流法（罗氏线圈法）；

SF6气体组解体组分法；光检测法等。（光电倍增技术）一、电力设备局部放电简介4、局部放电的相关标准：IEC标准IEC-60270-2000：High-voltagetesttechniques-Partialdischargemeasurements(高电压试验技术.局部放电测量)IEC/TR361294-1993：Insulatingliquids;determinationofthepartialdischargeinceptionvoltage(PDIV);testprocedure(绝缘液体局放起始电压(PDIV)测定)IEC/TS60034-18-42:Rotatingelectricalmachines-Part18-42:Qualificationandacceptancetestsforpartialdischargeresistantelectricalinsulationsystems(TypeII)usedinrotatingelectricalmachinesfedfromvoltageconverters(电压转换器馈电的旋转电机用抗局部放电电气绝缘系统(II型)的鉴定和验收试验)IEC-60885-2-1987：Electricaltestmethodsforelectriccables.Part2:Partialdischargetests(电缆的电气试验方法第2部分:局部放电试验)IEC-60885-3-1988：Electricaltestmethodsforelectriccables.Part3:Testmethodsforpartialdischargemeasurementsonlengthsofextrudedpowercables(电缆的电气试验方法第3部分:测量挤压电力电缆段局部放电的试验方法)IEC-TS60034-27-2006：Rotatingelectricalmachines-Part27:Off-linepartialdischargemeasurementsonthestatorwindinginsulationofrotatingelectricalmachines(旋转电机.第27部分:在旋转电机绝缘子绕组上的局部离线放电测量)IEC-TS61934-2006：Electricalinsulatingmaterialsandsystems-Electricalmeasurementofpartialdischarges(PD)undershortrisetimeandrepetitivevoltageimpulses(电绝缘材料和系统.在短上升时间和反复电压脉冲下局部放电的电测量)一、电力设备局部放电简介4、局部放电的相关标准：IEEE标准C57.127-2007IEEEGuidefortheDetectionandLocationofAcousticEmissionsFromPARTIALDISCHARGEsinOil-ImmersedPowerTransformersandReactors（充油变压器和电抗）

C57.124-1991IEEERecommendedPracticefortheDetectionofPARTIALDISCHARGEandtheMeasurementofApparentChargeinDry-TypeTransformers（干式变压器）

C57.113-IEEEGuideforPARTIALDISCHARGEMeasurementinLiquid-FilledPowerTransformersandShuntReactors（油浸变压器和反应堆）

C37.301-IEEEStandardforHigh-VoltageSwitchgear(Above1000V)TestTechniques-PARTIALDISCHARGEMeasurements（高压开关）

1434-IEEETrial-UseGuidetotheMeasurementofPARTIALDISCHARGEsinRotatingMachinery（旋转电机）

1291-IEEEGuideforPARTIALDISCHARGEMeasurementinPowerSwitchgear（电力开关）

400.3-2006IEEEGuideforPARTIALDISCHARGETestingofShieldedPowerCableSystemsinaFieldEnvironment（电力电缆）一、电力设备局部放电简介4、局部放电的相关标准：国内国标或行标GB/T7354-2003《局部放电测量》GB/T3048.12-2007《电线电缆电性能试验方法局放试验》GB/T20833-2007《旋转电机定子线棒及绕组局部放电的测量方法及评定导则》GB/T17648-1998《绝缘液体局部放电起始电压测定试验程序》

DL417-2006《电力设备局部放电现场测量导则》DL/T846.4一2004《高电压测试设备通用技术条件第4部分:局部放电测量仪》一、电力设备局部放电简介主要内容一、电力设备局部放电简介二、特高频局放在线监测系统介绍三、特高频局放在线监测系统校验技术四、几点经验与体会GIS有如下特点第一，设备整体金属封装，发生故障时定位非常困难；第二，封装屏蔽性高，运行时不易掌握其内部状况；第三，结构紧凑，元件多，一个设备的故障容易波及邻近设备，使故障扩大；第四，结构复杂，检修条件高，一旦出现故障维护困难。GIS的这些特点极为可能增大故障影响范围和延长停电维修时间，进而影响整个电力系统的正常运行。因此对GIS故障的早期预测，预报，预防就显得非常重要。而导致GIS绝缘事故的原因主要有：由于制造、运输、现场装配等多种原因造成的，异物残存，绝缘破坏，设备器件脱落，这些事故的发生在初期均会出现局部放电现象,。因此，对GIS进行局部放电监测可以发现绝缘的早期故障。采用GIS局放在线监测的目的是采用有效的在线检测手段和分析诊断技术，监测和追踪发生在GIS设备中的局部放电(局放，局放)，及时预报该局放的发展趋势和预测相关设备的绝缘劣化程度，防止突发性的电气事故，为设备的状态检修和维护提供有效的数据依据。从而做到早期诊断，早期预报，避免突发性故障的发生，提高GIS运行的安全可靠性，确保GIS的安全可靠运行。特高频在线监测的价值能进行早期预警的系统防止早期故障动作可观降低成本减少检查和维修成本预防昂贵的灾难性故障提高质量和供电可靠性延长设备寿命GIS局放原理GIS中的局部放电属于绝缘气体电气击穿，SF6气体的击穿导致导体中流过一个短时（ns级）的电流。电流流过GIS的特征阻抗，在导体上产生一个脉冲电压，从局放源传播开来。由于局放信号的上升时间很短（<1ns）、频带很宽（>1GHz），传播过程中在GIS腔体内引起电谐振，激发电磁波。发生局放后，离子气体通道急速膨胀，产生声音压力波，伴随产生的还有受激原子产生的光发射和化学击穿产物。因而，局放的影响是多方面的，有物理的、化学的和电气的。UHFcoupleroutputwaveform100ns密封金属

容箱,1m3气体(freespace)柱状高压套管

(

r=5.5)HV导线

E+E-PDpulse0.5nsUHF判断局部放电要求局部放电发生在密封的金属仓室PD脉冲信号包含的复杂的频率共振态UHF信号被PDM系统收集分析一个局放信号的传输Propagation

Coupling

超高频原理来自缺陷激励共振的电流脉冲UHFsignal传播过程0dB(-2dB)(-6dB)-8dBGIS局放在线监测的种类

（1）电测法

（a）耦合电容法，又称脉冲电流法，该法结构简单，便于实现。但现场测试时，外壳上的电容电极耦合探测局放无法识别，该信号与多种噪声混杂在一起，因此此方法的使用推广受到限制。（b）超高频法，其主要优点是灵敏度高，并通过放电源到不同传感器的时间差对放电源精确定位。但对传感器的要求很高，此法成本昂贵。（2）非电测法非电测法监测GIS局放信号的优势为可避免电气干扰，但实用方面也有不足。（a）超声波监测法。由于GIS内部产生局放时会产生冲击振动及声音，因此可用腔体外壁上安装的超声波传感器测量局放量Q。它是目前除UHF法外最成熟的PD监测方法,抗电磁干扰性能好,但由于声音信号在SF6气体中的传输速率很低（约140m/s），信号通过不同物质时传播速率不同，不同材料的边界处还会产生反射,因此信号模式很复杂，且其高频部分衰减很快。它要求操作人员须有丰富经验或受过良好的培训，另外，长期监测时需要的传感器较多，现场使用很不方便。（b）化学监测法。通过分析GIS中局放所引起的气体生成物的含量变化来确定局放的程度，但GIS中的吸附剂和干燥剂会影响化学方法的测量；断路器正常开断时产生的电弧的气体生成物也会产生影响；脉冲放电产生的分解物被大量SF6气体稀释，因此用化学方法监测PD的灵敏度很差。另外，该方法不能作为长期监测的方法来使用。（c）光学监测法。内置的光电倍增器可监测到甚至一个光子的发射，但由于射线被SF6气体和玻璃强烈地吸收，因此可能有“死角”出现。该法监测已知位置的放电源较有效，不具备完全定位故障能力，且由于GIS内壁光滑而引起反射带来的影响使灵敏度不高。GIS中局放5中监测方法性能比较监测方法耦合电容法超高频法超声波法化学法光学法一般优点简单；灵敏度高灵敏度高；可用于运行中的设备灵敏度高；抗电磁干扰能力强不受电磁干扰不受电磁干扰一般缺点运行设备不能使用；信噪比低造价较高结构复杂；需有经验的人员操作灵敏度差；不能长期监测灵敏度差；需多个传感器可达精度5pC0.5~0.8pC<2pC不能定量不能定量适用监测的放电源固定微粒；悬浮物；气隙和裂纹各种缺陷类型都适用自由移动的微粒；悬浮物放电情况严重时的缺陷固定微粒；针状突出物能否故障定位不能精确定位

0.1m苛刻条件；需传感器多能判断放电气室能粗略定位故障类型判断能能能不能不能应用情况早期较多广泛广泛未应用未应用1-导线上的突出物(fixedparticle)2-外壳上的突出物(fixedparticle)3-漂浮物(badgalvaniccontact)4-绝缘子上的自由部分5-在屏和绝缘子之间的孔洞(离层)6-绝缘体上的孔洞和不规则金属淀积导致GIS局部放电的原因UHF能够固有的排除外部的空气放电干扰(HFandVHF)这是因为SF6

或者Oil局部放电产生的强烈信号的频率比通常的空气放电干扰要高局部放电在线诊断监测系统广泛地用于需要进行实时监测和分析局放，并报警的重要超高压GIS、变压器或其他设备（从220kV到1000kV）。因为辐射型局部放电诊断分析系统有强大的诊断分析软件。辐射型局部放电在线诊断监测系统一般用于永久性地安装在设备上，对设备内部局部放电现象进行持续的监测。如果发现可能会引起击穿的缺陷，即给出早期的预警。由于它具有很强大的专家分析系统，不但能监测到局放的位置、数量，还能诊断局放的故障类型。局部放电在线诊断监测系统

©DMSLtd-Page32a

TDGroup

Company

该耦合器输出取决于：在GIS内超高频电场强度端口的大小和形状（或窗口，绝缘）耦合器设计超高频耦合器的类型windowcouplerinternalcouplerbarriercoupler©DMSLtd-Page37©DMSLtd-Page38SmartSUBSmartSUBPlanviewoffloatingelectrode24hrHistoryrecordHistoryarchiverecord模拟数据

事件窗口与分析主要内容一、电力设备局部放电简介二、特高频局放在线监测系统介绍三、特高频局放在线监测系统校验技术四、几点经验与体会缺乏统一的标准和科学有效的手段对UHF装置进行评价众多的局放设备厂商提供的产品各异，质量参差不齐检测效果不佳出现错误报警威胁整个在线监测产业的健康发展1、工作背景三、特高频局放在线监测系统校验技术2、检测项目常规的对传感器测试的方法是扫频法，主要存在以下问题：1、扫频测试无法准确反映传感器和检测系统对于瞬态局部放电UHF信号的接收能力。2、扫频测量系统所必需的扫频信号源等设备极其昂贵目前采用瞬态电场强度法对传感器及系统进行灵敏度标定，与真实局放信号具有良好的等效性。3、实验室校验技术

基于GTEM小室的脉冲时域参考测量标定系统由标定标定脉冲信号源、GTEM小室、单极标准探针、高速数字示波器、测控计算机、测控分析软件及各种线缆附件等构成，标准脉冲源测控计算机高速示波器同步脉冲被测天线参考天线GTEM小室特高频局部放电传器时域脉冲标定系统构成GTEM小室的全称是吉赫兹横电磁波室，它是根据同轴及非对称矩形传输线原理设计，其输入端多采用N型同轴接头，同轴接头内导体展平成为一块扇形板，称为芯板。在GTEM室内芯板和底板之间形成矩形均匀场区。GTEM小室终端采用50Ω无感电阻进行匹配，同时装有尖劈状的吸波材料以进一步消除终端反射。GTEM小室频率范围：DC～2GHz；输入阻抗：典型值：50Ω±2Ω；电压驻波比：≤1.5；规格尺寸：不小于4000×2100×1400mm(长×宽×高)；GTEM上传感器测试窗口位于顶部后三分之一场强较均匀的区域，开孔直径≥150mm。标准脉冲信号源输出幅值0～100V可调的方波或双指数脉冲；上升沿(20%～80%)≤300ps；半波时间4ns～100ns;重复率宜为50～200Hz。参考天线单极探针理论与实测传感器频响曲线对比常规的对传感器测试的方法是扫频法，主要存在以下问题：1、扫频测试无法准确反映传感器和检测系统对于瞬态局部放电UHF信号的接收能力。2、扫频测量系统所必需的扫频信号源等设备极其昂贵对于检测系统性能方面，国内外更是缺乏一致和有效的评价方法传感器灵敏度的标定

传感器频域有效高度反映了天线对不同频率的电磁场耦合的性能。为了比较方便起见，这里以被测传感器在有效接收频带（或标称设计频带）平均有效高度来评价传感器性能的优劣。有效高度：表征特高频局部放电传感器将局部放电辐射的电磁波能量转换为电压信号的能力，量纲为mm。其定义为：式中：f——为信号频率；