GIS局部放电

发布时间:2024-05-24 13:06:48 作者:汉语成语

局部放电既是GIS绝缘劣化的征兆和表现形式,又是绝缘进一步劣化的原因。由于绝缘击穿的后果经常比较严重,因而受到国内外的关注。显然,对GIS进行局部放电检测能够有效地发现其内部早期的绝缘缺陷,以便采取措施,避免其进一步发展,提高GIS的可靠性。它还可以弥补耐压试验的不足,通过局部放电在线监测能发现GIS制造和安装的“清洁度",能发现绝缘制造工艺和安装过程中的缺陷、差错,并能确定故障位置,从而进行有效的处理,确保设备的安全运行。因此,开展GIS局部放电在线监测研究具有十分重要的现实意义。

在线监测方法

GIS局部放电在线监测方法人们随着GIS在电力系统中的重要性的提高,为保证GIS长期可靠运行,对其绝缘诊断也愈来愈得到重视。作为判断GIS绝缘状况的有效手段,GIS中局部放电的检测技术也迅速发展起来。局部放电测量的方法很多,都是根据局部放电过程中所发生的物理和化学效应,通过测量局部放电所产生的电荷交换、能量的损失、发射的电磁波、发出的声和光以及生成一些新的生成物等信息,来表征局部放电的状态。这些信息总结起来有电信息和非电信息两大类,由此局部放电测量方法可以分为电测法和非电测法两大类,其具体主要可分为以下五种方法:

(1)耦合电容法:又称为脉冲电流法,它利用贴在GIS外壳上的电容电极耦合探测局部放电在导体芯上引起的电压变化。该方法结构简单,便于实现。但是在现场测试时,无法识别与多种噪声混杂在一起的局部放电信号,因此这种方法的使用推广受到了很大限制。

(2)UHF法:英国Strathclyde大学提出的UHF法目前已经应用到GIS生产和运行中,它是一种利用超高频频率信号进行局部放电在线监测的方法。在UHF法中传感器并非起耦合的作用,而是接收UHF信号的天线,所以UHF法的原理与脉冲电流法是不同的。

GIS内部发生局部放电时,由于放电点处电荷的迅速转移,形成持续时间很短的电流脉冲(ns级),并产生频率分量极其丰富的电磁信号(高达GHz),通过传感局部放电所产生的电信号进行局部放电检测,有可能实现较高的灵敏度,并能够及时发现早期的的局部放电。局部放电电信号传感面临的关键困难是电磁干扰问题。

GIS局部放电在线检测要求在GIS运行的现场条件下进行检测,由于电晕放电等原因,现场条件下存在大量的电磁干扰信号。尤其常规局部放电检测所使用的频段(几十kI-Iz~几百kHz),干扰信号的强度有可能远远大于所要检测的局部放电信号,使得局部放电检测的电信号传感器无法实现。GIS局部放电检测的UHF传感方法正是针对抗电磁干扰问题提出的。并在UHF频段内选择合适的频段进行局部放电的电信号传感,其抗电磁干扰原理是:GIS运行现场的干扰源主要有:架空线和变电站母线上的电晕放电,导体接触不良产生的电弧放电,站内可控硅产生的强电脉冲,其他设备内部的放电,无线电波,载波通讯,系统内开关动作等。研究表明,这些干扰主要集中在300MHz以下频段。

虽然也存在超高频干扰信号,由于传播路径上衰减很快,并且很容易被屏蔽,因此一般不能到达GIS。相比之下,GIS的同轴结构是一个良好的波导,其内部的局部放电辐射出的超高频电磁波可在内部有效地传播,因此,选择超高频段的电磁信号作为检测信号,可以避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统中干扰,显着提高了局部放电检测的信噪比(S/N)。

部放电超高频传感器的特点如下:

a.UHF频段信号传感,避开了电网中主要电磁干扰的频率,具有良好的抗电磁干扰能力;

b.局部放电的电磁信号传感,能够实现良好的检测灵敏度;

c.根据电磁脉冲信号的衰减和时差,可进行故障定位;

d.根据放电脉冲的波形特征和UHF信号的频谱特征,可进行故障诊断;

e.UHF传感器的有效检测范围大,检测点少,检测效率高,适用于自动在线监测系统;鉴于超高频传感的上述特点,近年来这种方式受到了广泛的重视和研究,已成为GIS局部放电在线监测的主要传感方式,并得到了实际的应用。

UHF法最主要的优点是:高灵敏度,并能通过放电源到不同传感器的时间差对放电源进行精确定位。它对传感器的采集精度和宽带要求很高,因此造价较高。

(3)超声波监测法:由于GIS内部产生局部放电的时候,会产生冲击的振动及声音,因此可以利用腔体外壁上安装的超声波传感器来测量局部放电信号。超声波法是目前使用的除UHF方法之外最成熟的局部放电监测方法。该方法抗电磁干扰性能好,但是由于声音信号在SF6气体中的传输速率很低(约140m/s),且信号的高频部分衰减很快,信号通过不同的介质的时候传播速率不同,且在不同材料的边界处会产生反射,因此信号模式变的很复杂。

它要求操作人员必须具有丰富经验或者受过良好培训,另外长期监测的传感器比较多,现场使用很不方便。

(4)化学监测法:通过分析GIS中局部放电所引起的气体生成物含量来确定局部放电的严重程度,但是GIS中的吸附剂和干燥剂可能会影响化学方法的测量;断路器正常开断时电弧产生的气体生成物,也会产生影响;脉冲放电产生的分解物会被大量的SF6气体所稀释,因此就局部放电监测而言,化学方法的灵敏度很差:另外,该方法不能作为长期监测的方法来使用。

(5)光学监测法:光电倍增器可以监测到甚至一个光子的发射,但是由于射线被SE气体和玻璃强烈地吸收,因此有“死角”出现,该方法对于已知放电源位置的监测比较有效,但不具备对故障的定位能力。并且由于GIS内壁光滑而引起的反射带来的影响,造成灵敏度不高。

总结上述方法的特点,表所示为其优缺点及各种性能的比较和说明。通过对上面五种方法的比较,我们可以得出以下结论:在对GIS中产生的局部放电信号的监测方法中,UHF法是比较适用可行的方法,具体体现如下的优势:抗干扰能力强:UHF法的检测频率范围为300MHz.3000MHz(目前国内外GIS局部放电的现场实测中频率不超过1700MHzt321),可避开空气中电晕等低频段的干扰,所测信号能全面反映绝缘系统GIS放电的本质特征。灵敏度高:可检测到高达O.5~0.8pC的放电量,这是其他监测方法所无法比拟的,且可用于运行中的设备。故障定位精度高:可高达±0.1m,且适用于各种类型的缺陷。

产生的原因

GIS中有可能出现的主要绝缘缺陷如图所示,可以总结为以下几个方面:

(1)固定缺陷。其中包括导体和外壳内表面上的金属突起,以及固体绝缘表面上的微粒。金属突起通常是在制造不良和安装损坏擦划时造成的,导致毛刺且较尖。在稳定的工频状态下不引起击穿,但在快速电压如冲击、快速暂态过电压(Ⅵ玎o)条件下很危险;(2)GIS腔体内可以移动的自由金属微粒。金属微粒是最普遍的微粒,在制造、装配和运行中均有可能产生,它有积累电荷的能力。在交流电压场的影响下能够移动,在很大程度上运动与放电的可能性是随机的。当靠近高压导体且并未接触时,放电最可能发生,且放电可能性比同样微粒但为固定物时高10倍左右;

(3)传导部分接触不良。例如静电屏蔽和其它浮动部件。由松动或浮动部件产生的放电可能性很大,通常易于检测,放电趋向于反复,其放电电荷在nC到gC间转变。

(4)绝缘子制造时造成的内部空隙和实验闪络引起的表面痕迹,还包括或是因电极的表面粗糙或是来自制造时嵌入的金属微粒。此外因环氧树脂与金属电极的收缩系数不同,也会形成气泡或空隙。这些GIS的绝缘缺陷类型极有可能会在GIS中产生局部放电,在绝缘体中的局部放电甚至会腐蚀绝缘材料,进一步发展成为树枝,并导致绝缘击穿。

一般来说,由于各种缺陷引发的局部放电具有以下特征:在电场不均匀时,在导体周围易于发生电晕放电,由于气体中的分子是自由移动的,因此GIS设备中的电晕放电过程与空气中的电晕放电相似,在施加电压的正负峰值附近发生PD脉冲,随电压增加,PD脉冲加大,频度增加。

GIS设备中绝缘子内部的气隙放电在工频正负半周内基本相同,即正负半周放电指纹基本对称。放电脉冲一般出现在实验电压幅值值的上升部分,放电频率依赖与所加电压大小,只有在放电强烈时,才会扩展到电压值下降部分的相位上,且每次放电的大小不相等。绝缘子缺陷在出厂时可能并不出现,但在运输及安装过程中有可能造成损伤。一些缺陷最初可能无害,只是在机械振动和静电力作用下可能轻微移动,形成潜在的隐患。

绝缘子表面的缺陷(如污秽等)有助于电荷的增加,可能会形成表面放电,导致绝缘子表面的绝缘劣化,甚至击穿。其放电特征是:在电流相位过零时发生小电荷的PD脉冲,随着电压上升有不规则的脉冲出现。

自由导电微粒和固体导体上金属突起放电的相位分布有着明显不同。这个特征通常可以用来区分缺陷的类型。固体导体上金属突起放电由于导电粒子不浮动,其放电特征是:在施加电压峰值附近发生大PD脉冲,随电压上升PD电平不变,频度增加。GIS设备中自由导电微粒有积累电荷能力,在交流电压作用下,静电力可使导电微粒在GIS筒内跳动,如直立旋转、舞动运动等。

这种运动与放电的出现在很大程度上是随机的,这一过程与所加电压大小以及微粒的特性有关。如果一个跳动的微粒接近或运动至GIS设备的高场强区时,伴随产生的局放有可能形成通道,造成绝缘击穿。其放电特征:在施加电压峰值附近有较大PD的脉冲,并发生散开,随着电压上升,频度增加,电平无较大变化。相对而言,GIS设备内残留的金属碎屑或金属颗粒产生的各种效应是最为严重的,因此,金属颗粒的放电对GIS设备的危害相对较大。

在线监测中存在的问题

人们在局部放电的在线监测中,主要存在两个问题:一个是抗干扰的问题,另一个是数据的解释和绝缘故障模式识别问题。

(一)抗干扰问题由于干扰的种类是多样的,表现出的特性也不同,找出一种有效的方法来抑制所有的干扰是很难的,因此需要针对不同的干扰源,采取不同的措施,综合运用,达到抗干扰的目的。现场的干扰根据其时域特征的不同,可分为白噪声干扰、窄带周期性干扰和脉冲型干扰三类,而脉冲型干扰又可进一步分为周期型脉冲干扰和随机脉冲干扰。由于本文应用UHF方法来采集局部放电信号,因此一些频率较低的干扰信号可以直接避免,这里只给出UHF方法中有可能采集到的干扰信号源及其频率,主要有以下几种:

◆无线电广播的干扰:连续的窄带周期性干扰,频率>500kHzt

◆手机干扰:窄带周期性干扰,频率为900MHz或1.8GHz等;

◆白噪声:包括各种随机噪声,如热噪声、地网噪声、配电线路以及继电保护信号线路中由于耦合而进入的各种噪声等。以上这些干扰信号主要通过2种途径进入检测系统:一是通过电磁耦合进入检测系统,因此检测系统应有很好的屏蔽,采用隔离或光电光纤系统传输监测信号也可抑制干扰;另外检测系统本身产生的噪声,它和局部放电信号混叠在一起,用上述方法不可能抑制这种干扰通道,而需采取其它措施。

(二)数据的解释和绝缘故障模式识别实际应用中,人们不仅关注能否从局部放电信号中诊断出GIS综合绝缘状况,还希望能从中获取更为详细的信息,例如绝缘劣化原因、故障类型、严重程度以及故障点位置等等。因此必须识别出各种放电类型的特点,估算出放电强度,并进行局部放电点定位。如何从检测到的PD信号中判断局部放电类型以及GIS的绝缘状况是在线监测技术的难点之一。这方面国内外己经做了大量的研究工作,但是仍然没有很好的解决这个问题。

在线监测国内外发展状况

目前,国内和国际上GIS和变压器的局部放电在线监测技术正在蓬勃发展,不论从硬件的监测装置,还是软件的监测方法,都有很多专家和学者们做出了很好的成绩。例如:清华大学1995—1997年相继研制和开发出基于UHF法的便携式局部放电检测仪和330KVGIS和变压器局部放电在线检测系统,均采用外部传感器监测,具有较强的实用性,且便于放电源的定位。但是该设备对于采集到信号的分析处理不够完善,目前还在进一步的完善过程中。

西安交通大学的电力设备电气绝缘国家重点实验室于1998年研制一种超宽频带局部放电传感器,并经网络分析仪(HP8720C,扫频带宽20GHz)对其频率响应特性进行测量证实效果较好。英国Strathclyde大学和与NGC和ScottishPowerple联合开发了一套UHF监测系统。为防止断路器工作时产生快速暂态过电压(VFTO),对监测系统应采取相应的保护,在耦合器输出处和在UHF信号调节处安装钳位二极管。该系统采取3种工作模式:在线、事故和历史模式,便于日常的监测和出现事故之后的情况分析。该系统不是采用UHF局部放电信号进行分析,因此监测系统的精度不能加以保证。

瑞士Zurich大学的Neuhold开发出一种结合宽带和窄带的多通道、实时响应的GIS和变压器局部放电测量系统。每个测量通道包括一个低噪声宽带传感器,带有自动高压暂态保护。适宜于开发过程中的实验室测试和GIS及变压器的长期监测,装置能初步实现对故障的监测、定位和识别,但是精度不能得到保证,需要进一步的研究。2001年日本名古屋大学的Toshihil"OHoshill0提出一种新的GIS和变压器中由局部放电引起的电磁场的监测技术一相位门极控制法。它是通过分析在SF6气体中局部放电信号和空气中的外部噪声所引起的电磁波的区别,根据在空气中和SF6气体中局部放电和电压相位角之间关系的不同而作为判断依据,该方法目前还处于研究阶段。

日本大阪大学的Kawada于2000年提出一种用于宽带电磁波(E.M)动态频谱分析的小波方法。这种非接触式监测故障征兆方法使用有高斯函数产生的Gabor函数的实部作为母小波,对电磁波信号进行小波变换。文中指出经小波变换后的局部放电信号能够与其他干扰波(例如FM广播信号)清晰地分辨出来,并得出以下结论:当放电量很低时,电磁波的主要部分在高频段(120.200MHz);当放电量增加时,主要部分转换到低频段(20.80MHz).并且低频段的耐压值上升。该方法在理论上研究较多,但是实际应用时遇到了一些问题。

2002年日本Kawada又提出一种用于监测局部放电源的超宽频带UHF的无线电抗干扰系统(UwB.VURIS)。该系统根据在不同频率下提取的两个经傅立叶变换后的E.M信号之间的相位差来判断局部放电程度,并计算出局部放电源发射出来的电磁波的方向。这种方法是基于硬件条件完好和软件算法精确的基础上,目前还不能完全达到精度要求,需要进一步的研究工作。