GIS局部放电在线监测系统及校验技术课件.ppt

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（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。,UHFcoupler,密封金属容箱,1m3,气体(freespace),柱状高压套管(r=5.5),HV导线,UHF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),-8dB,GIS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,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-Page32,aTDGroupCompany,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,DMSLtd-Page37,DMSLtd-Page38,SmartSUB,SmartSUB,2019/12/15,43,可编辑,2019/12/15,44,可编辑,Planviewoffloatingelectrode,24hrHistoryrecord,Historyarchiverecord,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，,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50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：DC2GHz；输入阻抗：典型值：502；电压驻波比：1.5；规格尺寸：不小于400021001400mm(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0100V可调的方波或双指数脉冲；上升沿(20%80%)300ps；半波时间4ns100ns;重复率宜为50200Hz。,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；Ei(f)为频率f时传感器入射电磁波的电场强度幅值；Uo(f)为频率f时传感器的输出电压幅值。,参考测量法,Vi标定源注入GTEM小室的脉冲电压信号；Hcell，Hsys分别为GTEM小室和测量系统的传递函数；EiGTEM小室内传感器所在位置处的脉冲电场；Href，Hsens分别为参考传感器和被测传感器的有效高度；Vor，Vos分别为参考传感器和被测传感器对于Ei的电压响应；VMr，VMs分别为经测量系统实测的参考传感器和被测传感器对于Ei的电压响应。,传感器等效高度曲线对比,A是最新研制的高性能天线传感器B是未经有效匹配的等角螺旋天线,传感器有效高度曲线对比,检测系统灵敏度的标定,定义：在一定的环境背景噪声条件下局部放电特高频检测所能分辨的最小脉冲电场强度峰值。,测试过程,对标定信号源在其有效输出范围内各输出电平下GTEM小室内的场强进行标定，建立标定源输出电平与GTEM小室检测点场强的映射关系，具体可通过公式由参考天线的输出来反推,调节标定源输出电平，直到检测系统能够以不小于2的信噪比可靠反映出标定信号，得出此时的入射场强，该场强即为检测系统的灵敏度,检测最大可测信号标定,检测系统最大可检测信号以其最大饱和场强峰值来表征：在一定的环境条件下，局部放电特高频检测系统所能反映的最大脉冲场强峰值，为标准信号源输出增大至某一值，检测系统检测到的信号达到饱和，此时对应的GTEM小室测试窗口处的场强峰值。,结构和外观满足以下要求：装置特高频传感器、信号处理单元、诊断分析单元等主要部分的外壳应无明显缺陷，且无锐口、尖角等。电镀、氧化层、漆层等表面处理工艺良好，不应有起层、剥落现象；装置各主要部分应有型号、编号、制造商、出厂日期等标识。,结构和外观检查,4、现场校验技术,对在线监测装置进行一次关开机操作，检查装置各部分供电电源、信号指示、输出显示、数据通讯和开机自检功能是否正常；在从传感器输出到显示监控系统的通讯链路中，任意选择25路人为断开，检查相应通讯中断报警功能是否正常；检查监测数据存储功能是否正常，监测数据应每15分钟存储1次，每次存储不少于50个工频周期的图谱数据。,基本功能检查,高速示波器。该示波器用于测量从特高频局部放电传感器输出的局部放电特高频信号，模拟带宽不小于2GHz，采样频率不小于10Gsps；标准局部放电信号发生器。该发生器能按照一定频率重复发出模拟局部放电脉冲信号，脉冲上升沿（20%-80%）不大于400ps，脉冲宽度不小于10ns，输出电压可调且最大峰值电压不宜小于200V；信号放大器。该放大器用于放大特高频信号，在300MHz3000MHz范围内增益达到40dB5dB；网络分析仪。检测频带0-3GHz。,校验用设备要求,瞬态电场强度试验接线图,瞬态电场强度法,特高频传感器有效性校验示意图,断开特高频局部放电传感器输出接口与后端信号调理单元输入接口间的连接，用标准局部放电信号发生器从一只传感器注入脉冲信号，用示波器观察相邻的所有其他传感器的输出信号波形。调节标准局部放电信号发生器输出频率为50Hz，输出幅值从最小值缓慢增大，当示波器接收到的波形能以2倍信噪比的稳定输出反映该注入信号时，记录标准局部放电信号发生器输出幅值。将记录值与装置投运后初次校验结果进行比较，当变化量不超过10%的范围，认定该项校验符合要求。,特高频传感器有效性校验,信号处理与诊断分析单元有效性校验示意图,断开特高频局部放电传感器输出接口与后端信号调理单元输入接口间的连接，用标准局部放电信号发生器从信号调理单元输入接口注入一定幅值的脉冲信号，脉冲信号的幅值为信号调理单元输入允许范围值（例如：信号调理单元输入允许范围为-55dBm-20dBm,（换算为幅值）可选择-55dBm、-40dBm、-20dBm任一值），在后台监视系统观察记录注入信号下的显示的数值和谱图。将记录值与装置投运后初次校验结果进行比较，当变化量不超过10%的范围，认定该项校验符合要求。校验示意图如图2所示。,信号处理与诊断分析单元有效性校验,装置有效性校验示意图,断开特高频局部放电传感器输出接口与后端信号调理单元输入接口间的连接，用标准局部放电信号发生器从一只传感器注入脉冲信号，观察相邻的所有其他传感器对应的后台监视系统。调节标准局部放电信号发生器输出频率为50Hz，输出幅值从最小值缓慢增大，当接收传感器对应图谱能以2倍信噪比的稳定输出反映该注入信号时，记录标准局部放电信号发生器输出幅值。将记录值与装置投运后初次校验结果进行比较，当变化量不超过10%的范围，认定该项校验符合要求。,装置有效性校验,后台校核测试方案,东芝后台系统校核结果,装置有效性现场校验测试结果,网络分析试验接线图,各组传感器间的S21参数曲线,网络分析法,GIS局部放电试验装置结构图,试验现场布置图,陡脉冲信号源与视在放电量等效性特性测试,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,1、仪器自动诊断结果与实际缺陷之间的关