（电气工程专业论文）特高频法检测gis局部放电的研究.pdf

p a r t i a ld i s c h a r g er e s e a r c ho n u h fd e t e c t i o nf o rg i s m a s t e rc a n d i d a t e ：c h a o y a n gh a o m a j o r ： e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl iq i n g q u a n c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s h a n d o n gu n i v e r s i t y o c t 2 0 l o 仙nl洲9洲8ii 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：查仑塑旦 e l期：丝7 里：! 旦：! 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：粗导师签名：凌遮整 日期：兰! 里：! ! ：2 山东大学硕士学位论文 目录 目录i 中文摘要i i i 英文摘要i v 第一章绪论1 1 1s f 6 全封闭式组合电器概述1 1 26 i s 局部放电在线监测的意义3 1 3g i s 内部缺陷种类及其放电特征4 1 4g i s 局部放电检测办法6 1 5 虚拟仪器技术的发展现状9 1 6 本文研究的主要内容1 0 第二章g i s 局部放电磁波的传播特性和u h f 监测原理1 l 2 1电磁波传播特性1 1 2 1 1 波导中t e m 波的传输特性1 2 2 1 2同轴波导中t e 横波和t m 横波的传播特性1 2 2 2g i s 内p d 电磁波传播特征1 5 2 2 1g i s 中电磁波的时间延迟1 5 2 2 2g i s 中电磁波的反射和谐振1 5 2 2 3g i s 中电磁波的衰减1 6 2 3 特高频法( u h f ) 1 8 2 3 1国内外特高频法研究1 8 2 3 2 特高频法检测g i s 局部放电的原理2 1 2 4 本章小结2 2 第三章g i s 局部放电在线监测系统的设计2 3 3 1 系统简介2 3 3 2 系统硬件2 3 3 2 1 特高频局部放电检测传感器( 天线) 2 3 3 2 2 特高频信号处理单元2 6 3 2 3 采集板卡2 7 3 2 4 其他硬件配置2 9 3 3 系统软件2 9 山东大学硕士学位论文 i i 3 3 1图形化编程语言开发工具l a b v i e w 2 9 3 3 2l a b v i e w 的数据管理和数据分析功能3 0 3 3 3 软件综述3 2 3 3 4 软件参数设置3 7 3 3 5 运行状态3 8 3 3 6 后台运算3 9 3 3 6 1 统计谱图计算3 9 3 3 6 2 放电历史趋势谱图计算3 9 3 3 ：7 分析功能3 9 3 3 7 1历史趋势谱图查看：3 9 3 3 7 2 统计谱图查看3 9 3 4 本章小结4 0 第四章金属颗粒群和夹角放电的模式识别研究4 1 4 1局部放电模式识别研究的发展状况4 1 4 2 国内g i s 典型局部放电统计谱图规律总结4 2 4 3 一金属颗粒群和夹角放电的模式识别试验研究4 7 4 3 1 试验设备及故障模型4 7 4 3 2 金属颗粒群放电试验数据及规律总结5 0 4 3 3 尖角放电试验数据及规律总结5 8 4 4 本章小结7 1 第五章结论7 2 致谢7 3 参考文献7 4 攻读硕士学位期间的研究成果7 9 山东大学硕士学位论文 摘要 目前，国家电网发布的以特高压电网为骨架网架，各级电网协调发展的坚强 电网为基础，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网概念，战略目标 为到2 0 2 0 年全面建成统一的坚强智能电网。其中，智能开关设备是智能电网的 重要组成部分，是确保“智能电网”的战略实施的重要环节。作为智能化g i s 的 主要在线监测部分g i s 的局部放电在线监测研究已成为各院校研究、电力部门、 高压电气设备生产企业争相研究的焦点。 s f 6 封闭式组合电器( g i s ) 因其占地面积小、运行可靠性高、维护工作量 小、检修周期长等优点，现已广泛应用于从6 6 k v 到5 5 0 k v 各电压等级的电网之 中。然而由于g i s 的全密封结构导致出现内部闪络等故障时难以进行故障定位和 检修，内部故障又以内部绝缘故障为多，而g i s 设备的局部放电往往是绝缘性 故障的先兆和表现形式。因此开展局部放电在线监测可以有效避免g i s 事故的 发生。 通过参阅相关文献，对当前国内外检测g i s 局部放电的主要方法进行了分 类，并概括的分析了它们各自的优缺点，其中对特高频法( u l t r a h i g hf r e q u e n c y 简称u h f ) 进行g i s 局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ，简称p d ) 在线监测的原理、 特高频电磁波的传播特性进行了阐述。 设计了一套基于u h f 检波信号的模式识别技术g i s 局部放电在线监测系统， 它是在g i s 腔体上开介质窗口并安装u h f 天线的一种检测方法，利用峰值检波技 术对u h f 信号进行调理，通过计算机进行数据采集和处理的实时在线监测系统。 本文对此系统也进行了一定的阐述。 另外，制作了导致g i s 产生局部放电的其中两种内部缺陷模型：金属颗粒群 放电模型和尖角放电模型，在g i s 试验间隔上进行多次试验，结合设计的g i s 局 部放电在线监测系统、泰克t d s 2 0 2 2 b 示波器和上海佳特局放仪，采集大量真实 可靠的试验数据，总结信号特征规律，可对波形特征参数法进行模式识别方法提 供一定的参考，同时为g i s 局部放电在线监测系统识别故障类型提供故障诊断依 据。并且对u h f 法定位进行了简单的探讨。 关键词 s f 6 封闭式组合电器( g i s ) ；局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ，简称p d ) ； 特高频( u l t r a - h i g hf r e q u e n c y 简称u h f ) ；在线监测。 i i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t a t eg r i dr e l e a s e dac o n c e p to fs t r o n g l ys m a r tp o w e rg r i d s ，w h i c h t a k e st h eu h vp o w e rg r i da st h eb a c k b o n ef o rg r i da n db a s eo nt h e c o o r d i n a t e dd e v e l o p m e n to fa l ll e v e l sg r i d s t h es m a r tp o w e rg r i d si s c h a r a c t e r i z e db yi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，a u t o m a t i o na n di n t e r a c t i v e s t r a t e g i co b j e c t i v e sf o r b u il d i n gau n i f i e ds t r o n g l y s m a r tg r i di s a c h i e v e db y2 0 2 0 a m o n gt h e m ，t h ei n t e l1i g e n ts w i t c h i n gd e v i c ei sa n i m p o r t a n tp a r to ft h es m a r tg r i d ，w h i c hi sa l s oa ni m p o r t a n tp a r tt oe n s u r e t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es t r a t e g yo f ”s m a r tg r i d ”a sa ni m p o r t a n tp a r t o fo n l i n em o n i t o r i n gf o ri n t e l l i g e n tg i s ，t h es t u d yo fp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) f o rg i si saf o c u so fa c a d e m i e s ，p o w e rs e c t o r ，h i g h v o l t a g ee l e c t r i c a l e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r is e s s f 6g a s i n s u l a t e ds u b s t a t i o n s ( g i s ) i sa p p l i e da b r o a d l yn o wf o ra 1 1 l e v e l sf r o m 6 6 k vt o5 5 0 k v ，b e c a u s eo fi t ss m a l1f o o t p r i n t ，h i g h r e l i a b i l i t y ，s m a l lm a i n t e n a n c ew o r k l o a da n dl o n gm a i n t e n a n c ec y c l e b u t b e c a u s eo fi t ss e a l i n gs t r u c t u r e ，i ti sd i f f i c u l tt ol o c a l i z a t i o na n d r e p a i r ew h e n t h ef l a s h o v e rc o m et ob e i n gi n s i d e t h e r ea r eal o to f i n s u l a t i o nf a i l u r ed u r i n gi n t e r n a lf a u l t sa n dt h ep a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) f o rg i si st h r e a t e n e da n df o r m so ft h e m s s oi ti si m p o r t a n tt om o n i t o r t h ep a r t i a ld i s c h a r g e m e t h o d so fg i sp dm o n i t o r i n gi sc l a s s i f i e di nt h i sp a p e r ，a n a l y s i s e d o ft h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h ep r i n c i p l e so fu h fa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e sa r ed e s c r i b e d d e s i g n e dag i sp a r t i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h eu h f s i g n a lp a t t e r nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y i ti si nt h eg i so p e nm e d i aw i n d o w o nt h ec h a m b e ra n di n s t a l l e dau h fa n t e n n ad e t e c t i o n ，u s i n gp e a kd e t e c t o r t e c h n o l o g y ，a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gd a t at h r o u g ht h ec o m p u t e r p r o d u c e dt w ok i n do fd i s c h a r g em o d e l ：m e t a lp a r t i c l ed i s c h a r g em o d e l a n dm e t a lc u s pd i s c h a r g em o d e l u s i n gg i sp a r t i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n g s y s t e m ，t e k t r o n i xt d s 2 0 2 2 bo s c ill o s c o p ea n ds h a n g h a ij i as p e c i a l i n s t r u m e n tp db ys e v e r a le x p e r i m e n t s ，g e tal a r g en u m b e r o fr e a la n d r e l i a b l et e s td a t a s u m m a r yt h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i cr u l e ，t h ew a v e f o r m p a r a m e t e r sc a nb ep a t t e r nr e c o g n i t i o nm e t h o dt op r o v i d ear e f e r e n c e ，a t t h es a m et i m e ，t op r o v i d ef a u l td i a g n o s i sf a u l tt y p ei d e n t i f i c a t i o nb a s i s f o rt h eg i sp a r t i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n gs y s t e m d i s c u s st h eu h fm e t h o d s f o rl o c a t i o no fp d k e y w o r d s ： s f 6g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n s ，p a r t i a ld i s c h a r g e ，u l t r a h i g h f r e q u e n c y ，o n li n em o n it o r i v 第一章绪论 1 1s f 6 全封闭式组合电器概述 s f 6 全封闭式组合电器是7 0 年代初期出现的一种先进的高压电气配电装置， 国际上叫这种设备为g a s - i n s u l a t e rs w i t c h g e a r ，简称g i s 。悔16 i s 因其占地面 积小、运行可靠性高、维护工作量小、检修周期长等优点，现已广泛应用于从 6 6 k v 到5 5 0 k v 各电压等级的电网之中。它是由断路器、母线、隔离开关、电流 互感器、电压互感器、避雷器、套管等七种电器元件组合而成。它的绝缘介质用 s f 6 气体：其绝缘性能、灭弧性能都比空气好得多。g i s 设备的电场结构是用同轴 圆柱体间隙，故为稍不均匀电场。g i s 设备具有优良的技术性能和占地面积少的 特点，特别适合于我国国情。现在全世界的电力系统都在使用g i s 设备。 图1 - 11 i o k vg i s 变电站 图卜2 是一台2 2 0 k v 双母线馈电的g i s 设备剖视图，其一次线接线图在图 卜2 的左上角。g i s 设备的所有带电部分都被金属外壳所包围，它是用铝合金、 不锈钢、无磁铸钢的材料做成。外壳用铜母线接地，内部充有一定压力的s f 6 气 体，母线多由铝合金管制成，母线两端插人到触头座里。母线可以做成三相共 筒的，也可以做成单相的。前者多半用于1 l o k v 以下的g i s 设备，后者多用于 2 2 0 k v 以上的设备。母线的表面要求光洁度高，没有毛刺和凸凹不平之处，它由 环氧树脂浇铸的盆形绝缘子或母线绝缘子支撑着。为隔离开关，切断主电路之 用。为带有手动或电动操作机构的接地隔离开关，可装于断口的一侧或两侧。 山东大学硕士学位论文 回，母唆 霍母娥皤鼻开关 0 ，谐手动噍电功撮鳇机鹣 田准护甩壤地开关 霉奋巷铲开荚 固电渡旦蓐鼍 0 壕绒隔走开笑 电压互葛嚣 疆。空气套t 9 筮馓- f 图1 - 22 2 0 k v 双母线馈电的g i s 设备剖视图 为快速接地隔离开关，它具有闭合短路电流的能力。当母线筒里的导体对外壳 短路时，要迅速将此短路引起的电弧熄火掉，否则将引起g i s 外壳发生爆炸，为 此，可用快速接地隔离开关迅速直接接地，使得断路器的保护装置迅速动作，切 断故障电流，使其电弧熄火。为断路器，断路器在开断时产生电弧，断路器内 的s f 6 气体能很快的熄弧。与此同时也分解一些低氟化物，对人体健康有害，但 它为断路器里的吸附剂所吸收。吸附剂放在断路器的过滤器里。为测量主回路 电流的电流互感器，铁芯做成环型，二次绕组绕在环型铁芯上，用环氧树脂浇铸 在一起，作为g i s 设备外壳的一部分，其一次绕组就是母线管。仍为隔离开关。 为测量主电路电压值的电压互感器。为绝缘瓷套管，瓷套管里充以s f 6 气体， 内部用盆形绝缘子分隔成两部分，与导体相连的是高压s f 6 气体，另一侧则是低 压s f 6 气体。为环氧树脂盆型绝缘子。它有两个作用，一个是支持导电元件， 另一个则是将g i s 设备内部分隔成若干个气室，互不相通。万一发生故障，可以 抽出故障气室里的s f 6 气体，解体维修，而不影响其他气室的正常运行。因此盆 型绝缘子可以做成全密封式和有孔洞的两种，后者只能支持导电体而不能隔开 s f 6 气体。此外，在g i s 设备的每个气室里，都装有测量压力的压力表，测量气 室是否漏气的密度计，防止气体压力过高的防爆膜、以及进行充气和排气的气嘴。 2 一一 山东大学硕士学位论文 g i s 设备可以安装在钢支架上面，也可以直接装在地面。在6 i s 设备的附近装有 控制柜，可以就地操作，也可以在控制室里操作。 1 2g i s 局部放电在线监测的意义 s f 6 封闭式组合电器( g i s ) 同传统敞开式高压配电装置相比具有明显的优 点：结构紧凑，整个装置的占地空间大为缩小：不受外界环境的影响，运行可靠性 高：检修周期长。现已广泛应用于从6 6 k v 到5 5 0 k v 各电压等级的电网之中，在输 变电系统中占据着重要的地位。g i s 的安全运行对整个电力系统的稳定至关重要， 一旦发生故障，必将引起所辖局部地区乃至全部地区停电。目前，对于g i s 的检 测和试验有许多方法和方案，诸如：出厂前的型式试验、安装后的现场试验、运 行后的监测方法、现场电气试验及气体质量和密度分析等，虽然g i s 设备投入运 行前的检测方法比较成熟，但是在设备运行后缺乏必要有效的监测和试验方法， 并且由于它是大型的封闭式组合结构系统，停电检修时除需要投入大量的人力物 力外，还需要较长的维修时间，这必将给国民经济造成重大的损失。所以在g i s 发生故障之前，如果能够检测并判断它的内部缺陷状况，就显得尤为重要。随着 经济的发展，社会对供电可靠性的要求越来越高，现场运行人员急需方便而实用 的在线检测方法，因此，对运行中的g i s 的绝缘状况进行在线检测研究，日益受 到国内外的关注。 图卜3 ( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 所示是发生在我国某地一个市内g i s 变电站的事 故，事故造成g i s 腔体外壳烧穿，触头损毁，和支柱绝缘子炸裂，该段母线彻底 解列。汹1 图卜3 我国某地6 i s 事故现场 ( d ) ( a ) 内导体表面烧痕：( b ) 外壳烧穿：( c ) 触头损毁：( d ) 支柱绝缘子炸裂 3 山东大学硕士学位论文 c i g r e 2 3 1 0 工作组国际调查报告的统计数据表明 5 ：1 9 8 5 年以前投入运行 的g i s5 6 2 次故障中绝缘故障占6 0 ，1 9 8 5 年以后投入运行的g i s2 4 7 次故障 中绝缘故障占5 1 ，而且，绝缘故障又多发生在较高电压等级的设备中。我国 也出现过多次大的g i s 闪络和击穿事故，如对韶关合西ll o k v 变电站的g i s 进行 耐压试验时发现长螺扮钉掉在盆式绝缘子上造成击穿；江门s o o k v 变电站的g i s 由于绝缘操作杆上的缺陷导致闪络事故：沙角电厂由十安装时留下的尖毛刺而引 起击穿：大业湾4 0 0 k vg i s 在绝缘试验后发现在变压器与母线连接处的绝缘子有 明显的漏电痕迹。这些都说明了对g i s 进行绝缘监测是十分必要的。嘟1 g i s 局部放电是g i s 设备长期运行中绝缘裂化的一个重要征兆。局部放电是 绝缘介质中由于局部缺陷而造成的非贯穿性放电现象，g i s 设备在制造和运行过 程中产生的局部缺陷( 如气泡、裂缝、悬浮金属颗粒和电极毛刺等) 会导致电气设 备在一定运行状态下发生局部放电故障。g i s 设备的绝缘结构如果长时间发生持 续的局部放电，绝缘介电性能可能会严重受损，如果局部放电故障一直未被发现 和处理最终可能导致电气设备发生灾难性的故障。因而对g i s 局部放电状态实时 监测( 在线监测) 意义重大。在线监测具备以下特点： ( 1 ) 实时性。高压设备在线监测技术对设备绝缘状态实时监测，不受设备运 行情况和时间的限制，可以随时检测设备的绝缘状态，一旦设备出现缺陷，能及 时发现并跟踪检测、处理，对保证电网安全更具意义。 ( 2 ) 真实性。由于在线监测技术在设备运行电压和状态下的绝缘参数进行检 测，检测结果符合实际情况，更加真实和全面。 ( 3 ) 针对性更强。可根据绝缘缺陷的发展和变化来确定检修项目、内容和时 间，检修目的明确，针对性更强。 ( 4 ) 提高了设备供电可靠性。由于实行在线监测指导下的状态检修，减少了 设备停电次数和时间，提高了设备供电可靠性，避免少供电损失，同时也提高了 电力部门全员劳动生产率。 总之，进行g i s 局部放电在线监测对保障g i s 设备可靠运行和电力稳定可 靠具有重要意义。 1 3g i s 内部缺陷种类及其放电特征 g i s 设备内部常见缺陷 a 微粒及异物的影响( g i s 设备内残留自由导电微粒，如金属碎屑或金属 颗粒。) 自由微粒及异物产生的原因，主要是现场安装条件不如生产工厂优越，无法 彻底清除g i s 设备内部的微粒及异物，这些微粒及异物以自由金属微粒危害最 甚。g i s 设备内部的金属微粒，具有以下几个主要特征： 4 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 自由金属微粒在电压作用下获得电荷并发生移动，当电压超过一定值 时，这些微粒就能在接地外壳和高压导体之间跳动，从而发生局部放电。 ( 2 ) 当金属微粒移动靠近而未接触高压导体时，如果距离小于某一极限值， 在强电场力作用下，容易引起局部放电。 ( 3 ) 绝缘子表面上的金属微粒，常常在设备交接试验时检测不出来，经过 一段运行，由于机械振动或操作过电压引起的静电力，使它产生轻微的移动而形 成微粒堆积，在某种程度上加大了放电发生的几率。 ( 4 ) 当金属微粒游离到绝缘子的表面，在一定条件下被固定下来时( 比如被 油脂粘住) ，这样绝缘子表面的金属微粒状似金属突出物，在高电压环境下，极 易造成尖端放电。 b 接触不良的影响( g i s 设备内的导体接触不良等) 接触不良发生的故障为内部缺陷故障发生率之首。此类故障可分为两类： ( 1 ) 主触头接触不良而产生的故障，分析其产生的原因，一方面是自由微 妻 粒在试验中不易被检测，而得不到彻底的清理。这些自由微粒附着主触头表面， 使接触电阻增大，一旦主触头处于接触状态，因电阻大而发热烧损。另一方面， 随着g i s 设备长时间地运行，在电弧的作用下主触头容易发生烧损，以上两种因 素如果得不到及时的维护，从而逐渐发展成主触头接触不良的故障。 ( 2 ) 屏蔽罩接触不良而产生的故障，常在设备运行中发生。并随着运行时 间延续而发展( 如短路电流或断路器操作的振动作用) ，最终威胁或破坏g i s 的绝 缘性能。 c 潮湿的影响 潮湿引起的故障通常对s f 6 介质性能影响最大的成分是水蒸气，如果水蒸 气过量，当温度下降时就会出现凝露，结合其他混合物，就会影响介质表面的导 电性，促使介质老化或直接引发故障。 d 高压导体尖刺的影响( g i s 设备中的导体表面存在突出物，如毛刺、尖 角等) 高压导体上的尖刺通常是加工不良、机械破坏或组装时的擦刮等因素造成 的，从而形成绝缘气体中的高场强区。这些尖刺在工频电压下电晕比较稳定，因 而在稳态工作条件下一般不会引起击穿。然而，在快速暂态条件下，譬如在雷电 波，尤其是快速暂态过电压情况下，这些缺陷就会引起故障。 隙) e 绝缘子缺陷的影响( g i s 设备中固体绝缘材料内部的缺陷如残存的气 5 山东大学硕士学位论文 绝缘子上发生的击穿故障是由于早期的绝缘子空穴问题造成的，所以固体 绝缘的缺陷常发生在固体绝缘表面或内部。绝缘表面缺陷通常是由其它类型缺陷 引起的二次效应，比如局部放电产生的分解物、金属微粒引起的破坏。 f 其它因素的影响 由其它因素造成的故障占1 1 ，例如，g i s 设备的器件体积大、重量大，在 搬运过程中，因机械振动、组件的互相碰撞等外力作用，常使紧固件松动、元件 变形和损伤。另外，g i s 设备装配工作是一个复杂的过程，组件连接和密封工艺 要求很高，稍有不慎就会造成绝缘损伤、电极错位等严重后果，对今后g i s 的运 行带来了后患。 6 i s 设备内部缺陷产生局部放电的特征 a 发生在导体周围的电晕放电，由于气体中的分子是自由移动的，因此g i s 设备中的电晕放电过程与空气中的电晕放电相似。 b g i s 设备中绝缘子内部的气隙放电在工频正负两个半周内基本相同，即正 负半周放电指纹基本对称。放电脉冲一般出现在试验电压幅值绝对值的上升部 分，放电频率依赖于所加电压大小，只有在放电强烈时，才会扩展到电压绝对值 下降部分的相位上，且每次放电的大小不相等。 c 绝缘子表面的缺陷( 如污秽等) 有助于表面电荷的增加，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。 d 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。g i s 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g i s 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。 1 46 i s 局部放电检测办法 封闭式气体绝缘组合电器( g i s ) 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、运行中绝缘老化等各种情况下都有可能出现自由金 属微粒等原因，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 逐步扩大，甚至可使整个绝缘击穿或沿表面闪络。这种情况会造成电力设备运行 时出现故障以至停电，其直接损失和间接损失相当严重。由此可见，有关g i s 局 部放电诊断方法的研究，检测g i s 的局部放电量，对确保g i s 的绝缘是非常重要 的。 1 2 1 由于g i s 本身是一个完整的封闭体，所测量的局部放电又是处在相对较强 的干扰背景环境下，且局放源本身又存在各种各样的状态，以及局放信号的随机 性，对g i s 局部放电测量，制定详细统一的规则和标准就需要做相当多的工作。 6 山东大学硕士学位论文 对局部放电研究的结果表明，在各种局部放电情况下，具有非常快的上升 前沿的局部放电脉冲激励的电磁波在g i s 气室传播，这样也会使g i s 外壳上产生 流动的电磁波，使在其使接地线上有高频放电脉冲电流流过，从而使外壳对地呈 现高频电压并向周围空间传播。同时，微小的火花和电晕放电时紧跟着有离子化 气体通道的扩展，而且还会使通道气体压力骤增，在g i s 内部气体中产生纵波或 超声波这就产生了声波，并在金属外壳上出现各种声波。另外，局部放电也可导 致s f 6 气体分解或发光，伴随着被激励的分子的发光及化学反应产物。因此，局 部放电发生时会有物理的、化学的、电的效应：原理上讲，任何一种现象都可用 来揭示局部放电现象。局部放电检测的研究手段，也就出现了电的方法和非电的 方法。目前，国内外检测g i s 局部放电的主要方法有以下几种。 ( 1 ) 光检测法 g i s 局部放电是在电场较为集中的局部使s f 6 原子发生游离，游离后的离子 又会复合，复合会以光子的形式释放能量。根据气体放电理论，在此过程中离子 的复合会激发出不同频率的光谱成分，因此，可用安装在g i s 内部的光传感器( 如 光电二极管、光电二极管或光电倍增管等) 进行光测量来检测p d 信号。由于s f 6 气体的光吸收能力随着气体密度的增大而提高，g i s 内壁光滑而引起的反射会带 来影响，以及会出现检测“死角”，所以采用这种方法的准确性较低。另外，对 实际g i s 因有许多气室，所以需要大量传感器，检测的成本高，因此这种方法不 适合对已投运的g i s 进行p d 在线监测。 ( 2 ) 化学检测法 在g i s 内部放电的作用下，部分s f 6 气体会发生分解，在分解物中s o f 2 和 f 2 为两个重要的中间分解物。通过检测装置从高压电气设备中提取一定体积的 s f 6 气体，分别通过s 0 2 、h f 检测管，这些分解物会在检测管中起化学反应，并 改变颜色。可根据变色柱的长短，测量出s f 6 气体中s 0 2 和h f 的浓度。据此可 判断g i s 内部放电状况的严重程度。 化学检测法存在的问题是：a 试验统计分析表明，对自由微粒引起的局放 灵敏性比固定微粒测量效果差得多。b g i s 中的吸附剂和干燥剂可能会严重影 响化学方法测量的准确性。c 短脉冲放电不一定产生足够的分解物。d 一次试 验需要做多种分解物的气相色谱试验和红外谱图分析。e 还有断路器动作时产生 的电弧亦会影响测量。 ( 3 ) 振动检测法 采用压电式传感器或超声波传感器接收局部放电产生的振动信号，也能达到 检测g i s 内部局部放电的目的。 g i s 局部放电会产生声波，其类型包括纵波、横波和表面波。气体和液体中只 传播纵波，固体中传播的声波除纵波外还有横波。故在g i s 中沿s f 6 气体传播的 声波和在变压器油中一样只有纵波，但其传播速度很慢，只有油的十分之一，同 时，传播衰减也较快。 由于在运行现场由于机械噪声严重，振动法的灵敏度显著降低甚至无法进行 检测。因此，总的来说利用振动法检测局部放电有一定的局限性。 7 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 电气检测法 ( a ) 外壳电极法 8 0 年代由日本研制，其结构是在g i s 外壳上敷设绝缘薄膜和金属电极，外壳 与金属电极间构成一个电容，可将高频放电信号耦合至检测阻抗上，该阻抗上的 信号可经放大最终得到g i s 局部放电水平。这种方法的原理与传统的局部放电检 测方法类似，优点是检测灵敏度高，结构简单、较为实用，但其致命缺点是易受 外界干扰，特别是电网中自然存在的各种脉冲型信号( 如电网中的电晕干扰等) 的干扰。 ( b ) 内部电极法 1 9 8 8 年在英国研制出来，该方法是在法兰内部加装金属电极，该电极与外壳 构成耦合电容，以此电容传感器提取局部放电的脉冲信号。采用多个电容传感器， 由g i s 局部放电信号到达不同位置传感器的时间差确定放电点，从而实现对局部 放电的定位。 另一种内部电极法，是在盆式绝缘子内靠近接地端预先埋设一个电极。此法 其实就是内部天线法，其信号也是超高频信号。优点是抗干扰性能好、灵敏度高， 可检测出5 p c 的局部放电。内电极只能在厂家生产过程中预先埋设，现场安装往 往不易实现。 ( c ) 外接电流传感器检测法 当g i s 内部产生局部放电时，接地线上有高频电流通过，因此可利用带有铁 淦氧等磁芯材料的罗可夫斯基线圈作为传感器，来测量此高频信号。优点是精心 制作的传感器可以在很宽的频率范围内保持很好的传输特性，但地线需穿过线 圈，给现场使用带来了不便，最小检测量为i o o p c 。 ( 5 ) 超声波法 采用超声波传感器接收局部放电产生的振动信号，也能达到检测g i s 设备内 部局部放电的目的。利用超声信号对g i s 设备局部放电进行故障诊断的方法主 要分三个步骤：( a ) 用带通滤波器除去设备自身的振动信号和周围干扰信号的低 频成分，以及电气干扰信号的高频成分：( b ) 进行输入信号的基准值判断，将某一 定数值以上的信号作为干扰信号除去：( c ) 进行与试验电源同期的脉冲调制，对波 形的绝对值进行平均化处理，调整其周期性，局放信号具有明显周期性，而干扰 信号波形是无周期的，以此将二者区分开。 超声法的优点是( a ) 传感器与g i s 设备的电气回路无任何联系，不用考虑电 气方面的干扰。( b ) 可实现局部放电的定位。由于超声波在气体内传播过程中， 衰减速度很快，超声波在传播g i s 设备腔体连接处的绝缘子时，信号几乎衰减为 0 ，因此，采用一个超声传感器，即可对局部放电进行定位。 超声法的缺点是( a ) 难以依据超声信号的幅值表征局部放电的严重程度。超 声信号与视在放电量或实际放电量之间的关系难以确定，难以依据超声信号幅值 来表征设备绝缘状况。( b ) 由于超声信号衰减快，所以超声法检测范围小，检测 点多，检测效率低。( c ) 对于高压导体附近的局部放电故障灵敏度低，一般只能 检测5 0 p c 以上的放电。4 ) 抗机械振动干扰能力差，尤其是现场自然风对超声检 测干扰很大。 8 超声法的适用范围：g i s 设备中放电量较大的局部放电信号的检测与定位。 山东大学硕士学位论文 对于g i s 设备比较密集或高度比较高的设备，操作不方便，甚至无法检测。 ( ( 6 ) 特高频法 特高频法( u l t r a - h i g hf r e q u e n c y 简称u h f ) 就是利用g i s 局部放电辐射出的 超高频电磁波信号进行检测的一种方法。 当g i s 内部发生局部放电时，能激励起i g h z 以上的特高频电磁信号。由于g i s 具有同轴谐振腔结构，使得特高频电磁波信号在g i s 内部传播时衰减较小，因此 可以方便的用特高频探头接收。由于g i s 外壳良好的屏蔽作用，外部信号很难进 入g i s 内部；由于g i s 多处装有盆式绝缘子，这些绝缘子均为非铁磁材料，可以 透射超高频电磁波信号，当g i s 设备局部放电产生的电磁波沿金属轴( 筒) 传播 时，部分信号可通过绝缘子向外辐射，通过无线检测方式即可接收到这些从g i s 设备内部传出的放电信号。 与传统局部放电测量方法相比，u h f 法具有其独特的抗干扰特性。研究认为， g i s 设备以外的干扰信号，其频谱范围较g i s 设备内的局部放电信号要窄得多，一 般认为频率在5 0 0 m h z 以下，信号在传播过程中衰减很快，几乎对g i s 设备局部放 电测量装置不构成影响。可以利用特高频传感器接收其中5 0 0 - - 3 0 0 0 m h z 的特高频 信号进行检测，利用一个加有5 0 0 m h z 的高通滤波器的特高频放大器就可解决干扰 问题，从而提高局部放电检测的信噪比。 特高频法具有以下特点：( ( a ) 传感器接收u h f 频段信号，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 ) 根据电磁脉冲信号在g i s 内部传 播具有衰减的特点，利用传感器接收信号的时差，可进行故障定位：( c ) 根据放电 脉冲的波形特征和u h f 信号的频谱特征，可进行故障类型诊断：d u h f 传感器相对 于振动检测法而言，其局部放电有效检测范围大，因此需要安装传感器的检测点 少。 总的看来，超声波检测法、光检测法、化学法以及传统的电测法均不太适合 或目前还未开展局部放电的在线监测，而u h f 法抗干扰能力强，在g i sp d 在线监 测中具有很好的应用前景。 1 5 虚拟仪器技术的发展现状 随着计算机进入测试技术领域，通用硬件平台和虚拟仪器的结合成为测量领 域一种新的发展趋势，通用硬件平台主要包括用十数据采集、信号分析处理和信 号输出显示等带有共性的硬件。1 9 8 6 年美国n i 公司首先提出v icv i r t u a l i n s t r u m e n t ) 的概念，随后虚拟仪器技术逐步形成了一个以计算机为基础，以软 件为核心的完整的仪器体系，虚拟仪器并不完全等同于计算机辅助测试，它是一 种新的工业标准，一种现代化的技术规范，一种建立在信号采集与分析理论的基 础之上，软硬件及其接口实现标准化，具有良好集成性与柔性的仪器体系。采用 这个体系，按照它的规则操作，就能充分发挥计算机在数据计算、传输、存储和 显示等方面巨大优势，投入最少的财力和人力，通过最方便快捷的途径，得到最 高的测量精度和稳定性。 虚拟仪器实际上就是具有虚拟面板的个人计算机，它是由个人计算机、仪器 硬件和应用软件组成。通过适当的仪器硬件，借助十计算机的软件及接口硬件资 源，可以实现各种传统电子仪器的功能。在此基础上，高电压测试技术也将发生 革命性的进步新一代基十虚拟仪器技术、信息技术等基础上的数字化、智能化测 量系统必将成为主流测量系统。 虚拟仪器实现的功能主要有数据的获取、数据的处理、人机界面和结果的表 9 山东大学硕士学位论文 达显示等。数据采集终端采样速率的提高，触发技术的改进以及计算机总线速度 的发展使得虚拟仪器可以实现比传统仪器更强大的数据采集功能。软件界面的设 计充分考虑了人性化的原则，外观与传统仪器相近，既有按钮，也有数字式显示 区等，数据表达和处理结果的显示可以采用多种方式灵活处理：既可以显示时域 波形，也可以有频谱分布：既可以采用波形实时显示，也可以使用统计图或者多 维显示。 一些国际著名的仪器公司如n i 公司、泰克公司、惠普公司都已经相继推出 各自的虚拟仪器软件开发平台，其中应用比较广泛的如h p 公司的h p - i t g 和 h p v e e ，n i 公司的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 。目前，国内外有许多部门和公 司都积极的开展这方面的研究和应用、工作。澳大利业c r a z 工程学院研制的激 光波长和发射功率测试系统：美国斯坦福大学的虚拟仪器教学、实验、仿真系统： 清华大学应用虚拟仪器技术构建的用于监测汽车发动机性能的出厂系统：电子部 二所的仪器自动计量控制系统：另外航天局8 0 9 所、上海8 0 3 所、上海仪器仪表 所、浙江省电力试验研究所、西安交通大学、华北电力大学、上海交通大学等单 位都在开展这一方面的研究和应用。 1 6 本文研究的主要内容 本文研究的特高频法检测g i s 局部放电在线监测是在g i s 腔体上开介质窗口 并安装u h f 天线的一种检测方法，它利用峰值检波技术对u h f 信号进行调理，实 现了基于u h f 检波信号的模式识别技术；同时进行利用计算机进行数据采集和处 理，进行实时在线监测系统