一种GIS 绝缘子预埋天线式超高频局部放电传感器的研究与应用.doc

一种GIS绝缘子预埋天线式超高频局部放电传感器的研究与应用潘瑞琼(华北电力大学 102206,ABB中国有限公司厦门分公司361006)The sensitivity and application of a non-conventional UHF PD sensorPAN Ruiqiong(North China Electric Power University Beijing 102206; ABB China limited Xiamen branch 361006) 4摘要：本文介绍了一种用GIS绝缘子预埋天线式UHF局部放电传感器的研究及其应用方案。关键词：GIS 局部放电 预埋天线 UHF传感器 灵敏度 寿命评估 现场校验中图分类号：TM561.3文献标识码：BAbstract: Study and application of a kind of UHF PD sensor which is antenna inside GIS spacer. Key words: GIS; Partial discharge; UHF PD sensor; sensitivity; life estimation; on site calibration.1 引言气体绝缘全封闭组合电器(以下简称GIS)由于其结构紧凑、尺寸小、重量轻、可靠性高、配置灵活、安装方便、操作安全性强、环境适应能力强、维护工作量很小、运行费用低以及抗电磁干扰强等优点，得到越来越广泛的应用。然而，由于GIS的封闭式结构，一旦发生故障，停电检修时需要投入大量的人力物力，且需要较长的维修时间，对电力系统的稳定可靠运行产生严重的影响；同时，将给国民经济造成重大的损失。目前，很多早期投运的GIS渐渐进入设备服务周期末期。据CIGRE联合工作组的国际调查结果表明，截止1995年，年前投入的GIS发生了次故障，其中绝缘故障占；年后投运的GIS发生了247次故障，其中绝缘故障占51%1。绝缘缺陷在引起击穿等重大故障之前，通常有局部放电现象发生，所以，局部放电在线监测成为评估GIS生命周期的有效途径之一。在GIS 局部放电的检测方法中，超高频法已经被证明具有和传统脉冲电流方法一样的灵敏度，且由于其抗干扰能力强而广泛适用于现场局部放电监测2和在线监测。其中内置式超高频传感器的灵敏度和抗干扰性高于外置传感器。目前，内置超高频局部放电传感器通常采用的是盘式传感器。2 一种利用GIS盆式绝缘子预埋天线作为UHF局部放电传感器的结构ABB公司的ELK-04型 和EXK-0型GIS在国内已有20多年的运行时间，最早的项目是1987年的湖北武汉钢铁厂项目和广东佛山供电局的项目。同多数早期的GIS一样，都没有自带局部放电传感器；且因为盆式绝缘子带有金属铝环,没有可供外置式UHF传感器检测局部放电的窗口。但是,ELK-04型 和EXK-0型GIS的每一个盆式绝缘子上,都有一个浇注在环氧树脂内的辅助电极（弹簧），通过螺栓连接到接地壳体上。（该弹簧的作用是补偿或均匀静电分布以及消除环氧材料和铝环之间的可能的气穴的影响3。）而且即使有一个螺栓松开了，辅助电极（弹簧）仍然是零电位。因此，可以取辅助电极（弹簧）的中间接头作为UHF天线的连接点，并与同轴电缆连接，作为一种非常规的UHF局部放电传感器来监测局部放电，如图1，2所示。图1 绝缘子预埋内部传感器示意图图2 传感器的带标准N接头与同轴电缆连接。经试验室试验表明，该类型传感器的灵敏度与内置盘式传感器的灵敏度是相当的3。3 UHF传感器的灵敏度校验要求由于局部放电的UHF信号幅值受GIS的布置、故障地点和传感器的位置影响很大，因而无法通过GB 7354（IEC 60270）中的校验方法对该种非常规UHF传感器进行验证。为弥补这个缺点，CIGRE 15/33.03.05 建议采用两个步骤来实现灵敏度校验4。步骤1.试验室试验。首先，模拟一种故障（比如毛刺尖端，放置在某一传感器附近，施加电压，使其产生局部放电）；通过IEC 60270的方法检测局部放电，直到检测到的局部放电为某一设定值，如5pC。同时，通过UHF测量设备测量其相邻UHF传感器上的局部放电信号，根据测量到UHF信号，模拟校验用的脉冲信号。模拟校验用的脉冲信号的上升时间，脉冲电压幅值，脉冲宽度以及后续脉冲的间隔时间应与测量到的实际脉冲保持一致。步骤2.现场校验为保证有效的现场校验，需使用与试验室试验的同一型号的GIS，相同的试验设备。将步骤1得到的模拟脉冲注入到某一传感器上，如果相邻的传感器可以检测到局部放电，则灵敏度校验成功。4 项目的实际应用以及可选方案4.1 项目应用的可选方案采用这种早期预埋在ELK-04型 和EXK-0型GIS内部的辅助电极（弹簧）作为UHF局部放电传感器，如图1，每个隔离绝缘子上均有三个可用的传感器。同时，对于每个项目的需要，可以选用手动（仅通过一个便携式的局部放电检测装置定期监测），半自动（每两个气室通过公用的一个绝缘子上的一个传感器接头连接局部放电装置来实时监测）和全自动（至少在每个气室的一个绝缘子上连接一个监测装置）在线监测三种局部放电监测方案。其中全自动在线监测方案实时监测效果最好，但成本最高。4.2 应用项目现场校验的流程基于同一产品设计的一致性，同一厂家不同项目的GIS设备无需都在试验室进行重复校验，仅需使用与试验一样的试验设备以及校验过的UHF脉冲发生仪，按照如下步骤在设备投运前进行校验。本文以全自动在线监测方案为例，简要说明ABB公司ELK-04型 和EXK-0型GIS现场校验的步骤。步骤1：传感器编号根据项目气隔图，对所有绝缘子上的传感器按间隔进行编号，编号规则可自行确定，如图3所示：图3 带传感器编号的GIS气隔图步骤2：功能检查对每一个传感器注入试验室已试验过的模拟高频脉冲信号，(例如通过CAL2B 注入20V电压，CAL2B为与GIS在试验室试验一致的模拟脉冲)，检查显示装置的功能是否正常（是否显示测量到的信号），记录如表1（只显示一部分）所示。E01A1正常E02A1正常E01A2正常E02A2正常E01B1正常E02B1正常E01B2正常EO2B2正常E01L1正常E02L1正常E01L2正常E02L2正常E01L3正常E02L3正常表1 传感器单元检验记录示例步骤3：灵敏度校验通过对每个传感器上注入在试验室试验的脉冲能量（比如 10V），记录相邻绝缘子上传感器的局部放电量，如表2所示，并记录校验模式图如图4所示。背景水平 46.1dBV校验传感器位置检测到脉冲幅值dBV注入10V脉冲电压的传感器E01A1E02A155.1E01B1E02B156.5E01L1E01A148.3E01L2EO1L356.1E02A1E02A149.4E02L1E02L358.4表2 现场校验记录示例图4 现场UHF校验局部放电模式示例步骤4 传递系数记录例如，某个含有6个间隔的项目，在中间间隔的E4A1上注入50伏的能量，记录测量到的数据表，用于判断衰减情况：测量数据E01A164.9E02A169.7E03A170.1E04A273.1E04A363.1E05A153.8E06A149.6表3 传递系数测量记录示例步骤5 保存局部放电参考模式对应于各个传感器的位置以及编号，保存投运时的局放模式（如图5）作为参考模式，以作为将来识别背景水平和局部放电水平的依据。图5 局部放电参考模式示例根据以上步骤1-6，即可进行有效的校验，且为将来的在线监测或带电检测保存了参考数据。5 结束语自早期设备在中国投入运行至今，已有三四十年的时间了。如何有效地评估仍在运行的早期GIS的寿命状态成为当前急需解决的问题。对于早期已经投运的ABB公司GIS设备，本文介绍了利用一种非常规的UHF传感器来进行监测的方法。这种监测不需要拆卸设备，也不需要停电。这种非常规的传感器已经在欧洲一个投运了30年的GIS项目中得到了运用，并有效地证明了这种方法能够进行开关的寿命预估和减少维护工作量3。这对于评估现有ABB GIS产品寿命运行状态，减少停电检修工作量都有很大的意义。同时，试验室的试验表明，这种非常规传感器（绝缘子预埋天线）灵敏度和传统式传感器不相上下，检测绝缘子本身的缺陷灵敏度更高，故也可以应用于新设计的GIS项目。参考文献：1 T.M. Chan, F.Heil, D. Kopejtkova, P.OConnell, J.-P. Taillebois, I. Welch CIGRE 23-102 1998 Session Report on the second international survey on high voltage gas insulated subastations (GIS) service expperience2 GB 7674-2008 (IEC 62271-203:2003 MOD)3 C.Neumann*;B.Krampe, R.Feger,K.Feser,M.Knapp A.Breuer, V.Rees, CIGRE 15-305, Session 2000 PD measurements on GIS of different designs by non-conventional UHF sensors4 Joint CIGRE TF 15/33.03.05, 1998, “Sensiti