GIS局部放电监测及诊断系统技术交流.ppt

1、 DMS Ltd - Page 1,概要,DMS介绍 高压设备的在线监测 高频局放监测的原理 绝缘监测概念 UHF 耦合器 PDM超高频局放监测系统局放案例,DMS介绍,Diagnostic Monitoring Systems (DMS),DMS公司(Diagnostic Monitoring Systems Ltd,UK)是由Dr.Prof Owen Farish, Dr Brian Hampton and Mr John Pearson 于1993年创立，至今已有你17年的历史； 目前DMS公司是美国Qualitrol/Danaher旗下的全资子公司； DMS公司的创始人是超高频局部放电

2、监测技术的发明者，由于他们在高压设备在线诊断及监测方面的卓越贡献，2006年他们受到英国女王的接见和嘉奖； DMS的总部和研发、生产中心在英国 Glasgow； DMS公司是第一家商业化采用UHF方法进行局部放电在线监测,是电力设备状态监测领域的先驱者； DMS公司领到了高压设备状态监测的世界潮流。 与英国的知名学府的持续合作，确保了技术开发的连续性。,Diagnostic Monitoring Systems (DMS),第一套UHF局部放电监测系统于1991年在英国电力公司投入商业运行到现在已经有20年时间； 与全球知名的GIS制造商均有长期合作的关系，如： ABB, Areva, Sie

3、mens, 西开, 平开，沈开，平高东芝，韩国现代, 三菱, 日立, 东芝，Ganz， 是全球高压设备局部放电在先监测即诊断技术推广使用的先驱者，具有遥遥领先的地位，超过180套投入商业运行的系统使得DMS公司在全球市场占有量达85%以上；,DMS公司的业务活动,DMS公司是全球唯一的可提供变电站、电厂高压设备在线监测总体解决方案的最有经验的公司； 在自行研发、生产的GIS局部放电在线监测、变压器局部放电在线监测、套管、绝缘子在线监测系统、发电机局部放电在线监测的平台上，还可以集成高压电缆局部放电在线监测、常规变电站高压设备综合局部放电在线监测和定位、发电机振动在线监测等，形成变电站高压设备在

4、线监测的总体解决方案； DMS公司还拥有丰富的GIS局部放电、SF6气体、断路器、弧光等综合监测系统地解决方案案例。 DMS公司的资深专家团队是一支可以向客户提供局部放电监测诊断专家级服务的最具有实力的团队，曾为国内外的客户提供了大量的专家级诊断服务。,DMS 服务,为客户设计和发展特别的服务 状态监测 基于超高频的局放监测系统 其他状态监测系统（非局放） 安装和运行PDM 售后服务和技术支持 专家分析局部放电并解决故障 运行状况回访 GIS设备调试期间的局放监测,高压设备的在线监测,局部放电事故现场,通过对设备运行状态的连续检测，可以对设备在运行中所产生的问题实现早期预警，延长设备的服务年限

5、。 在条件成熟时，改变现行的定期检修和维护到状态检修，以节省大量的维护、检修费用。 由于GIS较大比例的故障率来自于维护和检修工作，减少不必要的定期维护和检修,可以大大降低设备故障率。 由于得到了故障的早期预警，避免了设备故障的扩大和由与GIS击穿事故造成电力系统的事故跳闸的重大损失。 通过局放在线监测及诊断系统，运行维护人员可以随时掌握设备的运行状态，不必每时每刻都在担心会出现不可预见的事故。,为什么要安装局放在线监测及诊断系统,PDM系统应当安装关键的输电网络中，如电站和主要商业和工业负荷。 当设备处于恶劣的运行状态可能有危险发生时，例如周期性过负载。 当GIS设备到了老化期，需要延长使用

6、寿命。 当怀疑设备存在运行缺陷(系统性故障) ，需要监测的。,什么时候需要安装PDM 系统 ?,GIS 故障,主要故障原因,主要故障发生率: 1.8 CB/ 100CB-每年 主要故障原因: 绝缘性故障57.3%,GIS 主要故障 GIS 主要故障率上升（运行25年之后),GIS故障数量与服务年限的统计图,PDM在变电站安装的位置,超高频局部放电的原理,1- 导体上的毛刺放电 (固定粒子放电),2- 管壁上的毛刺放电 (固定粒子放电),3- 部件松动放电 (连接不见接触不良),4- 自由粒子引起的放电,5- 绝缘子表面污秽产生的放电,6- 绝缘子内部空穴及绝缘件与内嵌件的气泡产生的放电,GIS

7、中局部放电的起因,超高频局部放电的原理,超高频局放原理,超高频局放监测要求局部放电发生在一个封闭的金属室里。 局部放电脉冲在金属室里激发多重宽带共振 PDM系统采集这些共振超高频信号并作出分析。,超高频 耦合器,封闭金属罐 , 1 m3,空气( 自由空间),圆柱套管的轮廓(r = 5.5),超高频设备导体,超高频局部监测原理,局部放电监测的原理,超高频方法可以固有地屏蔽外部“空气电晕”噪声，因为它是以较低的频率发生。 这是因为在SF6 或油 “快速”PD脉冲产生比平常“空气电晕”频率更高的强信号。,局部脉冲宽度和频谱,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,0.5,1,0,时间 ( ns

8、 ),局放电流 ( A ),0.001,0.01,0.1,1,10,10,6,10,7,10,8,10,9,10,10,频率 ( Hz ),幅度谱,(normalized),变压器油里的局放脉冲,空气里局放脉冲,超高频局部放电原理,超高频局放监测系统,绝缘监测概念,局放监测的第一个目的,局放监测系统应能 连续的 监测 设备并能实时地检测到 设备绝缘状态的任何变化 因此，它应能长期的检测到局放信号特性开始产生变化的情况，并发出报警信号。 局放信号参数特性为：脉冲幅度 和脉冲的 活跃程度,局放监测的第二个目的,局放监测系统应能有效的采集和显示数据，将噪音/干扰丛局放信号中准确的分离出来。 局放监测

9、系统应能自动地提供故障类型的信息。 局放监视系统应能够进一步的分析或连接其它的试验设备(如TOF测量),信号的分步处理,局放监测系统的任务: 监测局放的幅度和活跃程度 滤除噪音/干扰 发出报警信号 提供进一步的局放详细信息 操作人员的任务 进一步对监测结果进行研究 决定设备报废/维修,超高频耦合器,GIS超高频耦合器类型,超高频耦合器,内置式耦合器,内置式超高频耦合器,卡式耦合器，安装在没有金属屏蔽的绝缘子。,外置式超高频耦合器,ABB ELK-3 卡式耦合器,间隔绝缘子的金属环,金属环,进入内部的绝缘口,耦合器灵敏度定义,耦合器灵敏度 = V0 (v) / E (v.mm-1) = 有效高度

10、 He (mm),耦合器 测量 Vc (t) 应用 FFT 得到 Vc (f) 除以 E(f) 得到 He(f),探测器 测量 Vp (t) 应用FFT 得到 Vp (f) 应用 探测校准 k(f) 得到 E(f),输入脉冲,探测器 (耦合器) 输出,GTEM cell,He,E,f,f,f,V,Vp,t,耦合器校正台,数字化仪,PC,定时信号,注入 信号,测试耦合器,3米长 GTEM室, DMS Ltd - Page 35,校准耦合器,在一个给定的频率范围内测量它的灵敏度 灵敏度 = 输出 (v) / UHF场 (v/mm) = 有效高度H e (mm) NGC 要求:频率范围 500-15

11、00 MHz平均高度 He 6.0 mm,超高频耦合器校准,内置耦合器灵敏度图,窗式耦合器灵敏度图,外置耦合器灵敏度图,GIS设备的PDM局放在线监测系统,PDM耦合器典型布局,PDM局放在线监测系统,传感器,PDM Equipment Cabinet,OCU, DMS Ltd - Page 44,a TDGroup Company,OCU的安装现场,双柜,PDM局放在线监测系统机柜,移动式,单柜,Typical site schematic (courtesy of NGC),PDM 局放在线监测系统系统图,深圳大运项目系统图,深圳大运项目系统图,局部放电在线监测软件SmartSUB,绝缘体

12、表面的缺陷,PDM 局放监测系统数据显示,自由金属粒子,PDM局放在线监测系统数据显示,浮动电位,PDM局放在线监测系统数据显示,灯光,手机,典型外部噪声源,雷达,PDM局放在线监测系统数据显示,局放类型非常复杂,尤其是存在噪声时。 需要专业的技能正确区分局部放电的类型。 许多设备用户不是局部放电专家，所以分析数据时需要帮助。 PDM提供给用户一个专业的软件，它可以成功地对PD信号进行分类。 这个系统是DMS的核心产品之一，它优越于所有的竞争对手。,PDM局放在线监测系统专家系统类型诊断,DMS专家系统使用各种经验验证过的软件技术来对PD进行分类。 先进的ANN运算法则，对PD进行类型鉴定。

13、运算法则移除来自移动手机，开关，光等的干扰。 ANN 具有一个19年现场和实验数据的数据库。,PDM局放在线监测系统专家系统类型诊断,局放信号,噪声,粒子,电晕放电,气室放电,浮动电位,空隙,无定义,移动电话,雷达噪声,马达噪声,无定义/ 缺省数据,无定义,光,step 1,step 2,二维和三 维放电数据,PDM 系统仿真神经网络,带有类型判断的事件窗口,局部放电类型的自动诊断,DMS 专家系统的主要信号分类算法,人造神经网络 遗传学算法库 模糊逻辑学 数据规范系统,仅使用一个分类算法的问题,根据分类器的固有特性，每一个分类器具有不同的优点和缺点。就好比每一个医学专家具有不同的强项和盲区一

14、样。 很难找到一个分类器在所有的情况下都可以提供最佳的结果。 解决方案是一智能化的方法对每一个分类器的结果进行综合，得出综合结论。就好比医学专家组对疑难病症会诊的综合结果一样。这个结果的准确度，将远高于一个专家诊断的结果的准确度。 理论上说，每一个分类器都会出现一些小比例的错误。多个小比例相乘，则错误的概率将会降到非常低的比例。（如4个3%连续相乘，其比例仅为一亿分之八十一）. 综合每个分类器的优点，形成综合的分类结论，将远优于每个分类器的结论的准确度。,多级分类器系统,局放信号数据库,数据库的采样数据是构建一个有效专家系统的重要因素之一。 数据库是用来训练可训练的分类器（如ANNs)和用来构

15、建精确完整的专家系统。 数据库必须是真正具有代表性的现实世界数据。,局放信号数据库,数据库必须足够大使得专家系统能够归纳新的没有见过的数据。特征矢量和输出矢量的关系越复杂，就越需要一个更大数量的采样数据来构建一个精确的分类器。 DMS 数据库包括超过1.8 百万的数据样本， 包括实验数据和19年有价值的现场数据。这些现场数据通过一些不同的GIS生产商生成了许多不同类型的GIS。,特征提取,对于不寻常的图形模式识别使用原始数据作为专家系统的输入是不实际，不令人满意的。 因此特征精华来自原始数据。 特征参数是站在更高的水平上来描述原始数据。 特征可以从简单的平均脉冲幅度变化到更高水平上的统计学参数

16、（如不规则的尺度）。 特征形成输入矢量到分类器。,特征提取,选取的特征提供足够的信息给分类器映射输入矢量到理想分类是很重要的。同时通过不相关信息不会引入不必要的复杂给分类器。. 在设计一个精确的分类器时，选择适当的，描述性的和补充性的特征也很重要。,特征提取,在选择适当的特征方面有许多大家都知道的统计技术。 与其他方法一起使用，DMS专家系统使用的最好的特征提取方法是遗传算法。 这个方法使用演变作为解决问题的模型。可能存在的解决办法形成一定数量的染色体。这些染色体配对，编译和死亡直到一个适当的方法出现，这个方法作为这些数量中具有支配地位的染色体。,交叉验证是一个很好的验证技术，用来衡量专家系统

17、的优劣 数据库分为两个有代表性的子集。一个训练子集和一个验证子集。 训练子集用来设计规则，演变遗传算法和训练ANNs。而验证子集用来测试专家系统的功能。,使用交叉验证验证专家系统,使用交叉验证的专家系统实例,局放数据DMS数据库（超过1.8百万实例）分为80%训练数据和20%验证数据。验证子集是整个数据样本的代表。 以下代表DMS专家系统的模块化ANN组件功能。它工作时与其它专家系统隔离。 准确度是验证子集的准确度，即没有被用来训练ANN的数据。,Note this is performance of only the ANN component in isolation,举例说明一个分类器对

18、不同信号的分析准确度,相同的验证技术用来训练和测试每一个单独的分类器。而各个分类器共同组成了混合系统。这样整个系统都被测试了。,举例说明一个分类器对不同信号的分析准确度,从原始输入数据去除噪声。 提取各种描述性的和补充性的特征。 提取的特征形成一些分类器的输入矢量。 使用一个可训练的合并函数合并分类器的输出 整个过程通过可执行控制系统被监测。这个系统可以跳过和修改前阶段。 可执行控制系统在分类器上作出最后的决定。,DMS混合专家系统概要,DMS 的混合式专家系统工作原理,总结,足够大和具有代表性的数据库。 为输入矢量选择最好的特征。 使用精心设计的训练和测试技术。 智能组合多重分类器。,设计D

19、MS混合系统和构建一个高度精确地分类器需要考虑的重要因素:,在GIS中监测到的局放信号的案例,在运行的监测系统有效的 防止了击穿事故的统计结果,注：以上统计结果截止到2005年，CIGRE委员会统计,案例 #1- 菊城110kV GIS浮动电极放电,OCU1B 2010-12-28开始的连续性 局放发展趋势图,OCU1B 2010-12-28 22：15开始的 连续性局放发展趋势图,案例 #1- 菊城110kV GIS浮动电极放电,峰值保持图,在线单周期及类型诊断,结论： 经过PDM局放在线监测系统的数据分析、专家系统判断和现场定位，在110kV GIS 1154 同城甲线间隔避雷器盆式绝缘子

20、（黄框位置）位置的GIS内部存在一个 幅值相当大的浮动电极放电信号，放电信号源的位置大约距离B 测试点0.15米左右。 建议立即停运该设备，排除设备故障带来的运行风险。,案例 #1- 菊城110kV GIS浮动电极放电,解体现场照片,案例 #2- 高新110kV 电缆终端空穴放电,秀高线 OCU1-3耦合器2011年7月27日15：15开始出现 连续局放信号。,秀高线母线OCU2-1耦合器2011年7月27日监测 到局放信号的发展趋势。,案例 #2- 高新110kV GIS空穴放电,峰值保持图,在线单周期及类型诊断,结论及建议： 经过PDM局放在线监测系统的数据分析、专家系统判断和现场定位，在

21、秀高I线 1612间隔电缆终端（黄框位置）GIS内部存在一个幅值较大的空穴或污秽类绝缘缺 陷放电信号，放电信号源的位置大约距离D 测试(内锥导管盆子)点0.3米左右。 建议立即停运该设备，检查GIS内部黄框位置的A相电缆终端的绝缘件、应力锥 等部件和GIS内部绝缘件是否存在污垢及空穴等缺陷。排除设备故障带来的运行风险。,电缆终端解体现场,更换下来的内锥导管绝缘子,解体后测量到的噪声信号,案例 #2- 高新110kV GIS空穴放电,采用Techimp电缆局放测试系统进行局放测试，在A相接地线上也测到幅值约100mV （视在局放量约380pC）的局放信号。 2011年8月3日对电缆终端进行了解体

22、，更换全部附件后，局放信号消失。 2011年8月16日对更换下来的电缆附件进行局放测试，在内锥导管绝缘子上检测到幅值较大的局放信号，通过X射线检查，发现存在一个较大的空穴和一条裂痕缺陷。,案例 #3- 德隆220kV GIS浮动电极放电,案例 #3- 德隆220kV GIS浮动电极放电,案例 #4- 110kV体育开关站 电缆终端缺陷,局放定位位置示意图,局放信号趋势图,案例 #4- 110kV体育开关站 电缆终端缺陷,局放信号PRPD图,局放信号单周期图,案例 #4- 110kV体育开关站 电缆终端缺陷,信号1局放类型,信号2局放类型,放电信号1最大幅值超过-35dBm，判断局放缺陷发生在G

23、IS电缆终端头的A相附近。 放电信号2最大幅值约-49dBm，判断局放缺陷发生在GIS电缆终端的C相附近 。,案例 #4- 110kV体育开关站 电缆终端缺陷,立体甲达线A相附件绝缘套管存在9处气孔，套管高压嵌件边缘出现若干气孔及杂质，气孔直径最大超过20mm。,信号1缺陷,案例 #4- 110kV体育开关站 电缆终端缺陷,立体甲园线C相附件绝缘套管存在3处气孔，套管高压嵌件边缘出现若干气孔及杂质，气孔直径最大超过20mm。,信号2缺陷,案例 #5- 广教110kV GIS绝缘件沿面放电,1996出厂GIS,现场测试位置示意图,案例 #5- 广教110kV GIS绝缘件沿面放电,所测试的GIS

24、内部存在一个幅值较大的绝缘缺陷放电信号， 局部放电信号源的位置大约在测试点D和E位置附近。 建议用户尽快对该区域进行开盖并检查，仔细检查该位置 的绝缘件和GIS管道内壁，以寻找缺陷。,案例 #5- 广教110kV GIS绝缘件沿面放电,放电的拉杆,案例 #6- 清河110kV GIS绝缘件气泡放电,隔接气室支持绝缘子位置,案例 #6- 清河110kV GIS绝缘件气泡放电,测试的GIS内部存在一个幅值很大的绝缘缺陷 放电信号，放电信号源的位置大约距离B3 测 试点0.30米左右。GIS的这个位置上分布有3个 支撑柱。 建议用户尽快对该区域进行开盖并检查这些支 撑柱以寻找缺陷。,缺陷的支持绝缘子,案例 #6- 清河110kV GIS绝缘件气泡放电,新东北测试现场照片,新东北测试报告,案例 #7- 梧桐110kV GIS浮动电极放电,1535梧盐线间隔线路隔离刀 浮动电极放电,案例 #7- 梧桐110kV GIS浮动电极放电,1535间隔线路隔离刀中的局放类型是“部件松动放电”。 这种局部放电可以由“部件松动”或“金属部件断裂”所