基于超高频和常规脉冲电流的GIS局部放电检测应用比较.pdf

李德军 沈威 基于超高频和常规脉冲电流的G I S 局部放电检测应用比较 基于超高频和常规脉冲电流的G I S 局部放电 检测应用比较 李德军1 沈威1 1 上海西门子高压开关有限公司 上海2 0 0 2 4 5 摘要 介绍G I S 中几种典型的绝缘故障缺陷和目前几种常用的G I S 局部放电检测技术 应用常规脉冲电流 检测法和超高频检测法对模拟的几种典型缺陷 包括高压导体上尖端 壳体内壁上尖端 自由金属颗粒 悬浮 电位 绝缘件内气泡以及黏附在绝缘件表面的金属颗粒等进行了检测 利用超高频局部放电相位分布图谱 P R P D 和常规放电脉冲相位分布图谱进行比较 来更加深入了解G I S 的各种绝缘缺陷局部放电特征进而对 其绝缘状态进行评估和判断 关键词 G I S 局部放电 常规脉冲电流检测法 超高频检测法 P R P D 中图分类号 T M 5 9 5 A p p l i c a t i o nC o m p a r i s o nb e t w e e nC o n v e n t i o n a lP u l s eC u r r e n ta n dU l t r a h i g h F r e q u e n c yD e t e c t i o nf o rG I SP a r t i a lD i s c h a r g e 班D e 每n S H E NW e i S i e m e n sH i s hV o l t a g eS w i t c h g e a rC o L t d S h a n g h a i2 0 0 0 7 2 C h i n a A b s t r a c t S o m et y p i c a li n s u l a t i n gd e f e c t sa n ds o 眦t e c h n i q u e sc o m m o n l yu s e df o rd e t e c t i n gp a n i a ld i s c h a r g e fP D i n G I Sa 弛b r i e f l yd e s c r i b e di nt h ep a p e r W h i l et h et y p i c a ld e f e c t sh a v e b e e ns i m u l a t e d s u c ha 8c o r o l l ao nH Vc o n d u c t o r c o r o l M io 1i n s i d es u r f a c eo fh o u s i n g f r e em o v a b l ep a r t i c l e f l o a t i n ge l e c t r o d e i n s u l a t o rv o i da n dm e t a lp a r t i c l es t u c ko n i n s u l a t o r 蚰也c ee t c T h e s ed e f e c t sh a v eb e e nd e t e c t e db y 籼o fc o n v e m i o n a l 叫s ec u r r e n td e t e c t i o na n d 证hh i 曲 f r e q u e n c yd e t e c t i o na p p r o a c h e s B yt h ep a t t e r no g m p 盯i s o nb e t w e e np h a s ed i s t r i b u t i o n so fd i s c h a r g ep u l s e sa n dU H F P h a s eR e s o l v e dP a r t i a lD i h a q 萨 P R P D i n d e p t hk n o w l e d g eo ft h ep a r t i a ld i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so fG I Si n s u l a t i n g d e f e c t sc a nb eo b t a i n e da n df u r t h e re v a l u a t i o na n dj u d g m e n tt B t l nb ei i l 矗d es h o u tt h ei n s u l a t i o ns t a t eo fG I S K e yw o r d s G I Sp B r t i a ld i 眈h a r g e P D c o n v e n t i o n a lp u l s ec u r r e n td e t e c t i o n u l t r a h i g hf r e q u e n c yd e t e c t i o n P R P D 随着G I S 技术的日益成熟 电网中高压G I S 的应用越来越广泛 为了保证其安全可靠运行 需要对 G I S 的绝缘状态做出精确判断 交流电压下的局部放电检测是一种重要的检测G I S 绝缘状态的手段 研究表明 G I S 中不同的缺陷故障会产生不同的局部放电相位特征图谱 而研究并利用这些特征图谱 来评估和判断G I S 中存在的缺陷及其类型对G I S 的安全运行具有重要的意义 本文基于这一背景 通过运用超高频局部放电检测和常规脉冲电流局部放电检测两种方法 分别检 测得出所模拟的或生产过程中实际遇到的各种缺陷故障的局部放电相位特征图谱 然后再对这些特征 图谱进行对比研究 来更加深入了解G I S 的局部放电特性进而对其绝缘状态进行评估和判断 同时通 过这种比较 为超高频局部放电检测技术在G I S 例行出厂试验 现场交流耐压试验和运行阶段的有效应 用积累一些经验 1G I S 局部放电检测技术 局部放电发生时伴随有各种物理的 化学的 光的 电的效应 从原理上讲 任何一种现象都可以 用来揭示局部放电现象 因此局部放电检测的技术手段包括电和非电的方法 1 1 常规脉冲电流法 由于局部放电会产生脉冲电流 通过测量这些脉冲电流可以检测到局部放电的发生及确定局部放 一1 2 5 2 茔主菜摹塞第十一月学 年 t 某 高t 委 电的强弱程度 具体测定出局部放电的些基本量 如视在放电量q 局部放电脉冲太小 数量与相 位 根据标准I E C 5 0 2 7 0 局部放电应在3 0k H z 到1M H z 范嗣内测量2 这种方法结构简单易于实 现 但是蒋易受电碰于扰 无法对局部放电源进行定位 且不能用于运行巾的G S 因而主要应用G I S 的 出厂试验时的局部放电测量 1 2 超高频检测法fU H F 局部放电脉冲上升时间和持续时间都极短仅为几个n s 该脉冲信号在G I S 腔体中传播时会引起电 谐振 激发出频率高达3 0 0 M I I z 一3G H z 的电磁渡 这些超高频电磁波在G I S 内部能有效传播 且不受 其他较低频段信号干扰 超高频检测法不影响G I S 的正常运行 且灵敏度较高 抗十扰能力强 可识别 故障类型井对故障进行定位 故应用较广 目前国内外对高电压等级的G I S 进行在线监测时 使用最 多的就是超高频检测法 1 3 超声波检副法 G I S 发生局部放电时会产生超声波脉冲 通过安置在外壳上的超声波传感器町以接收到这些脉冲信 号 进行局部放电检测 这种方法的优点是传感器不需要安放在G I S 设备的电气回路中 更加安全可靠 而且可以用于故障定位 不过由于信号在传递过程中衰减严重 所需传感器鞍多 所以比较适用于现场检 测 便携式超声波检测设备 比如挪威生产的A I A 被越来越多的用于运行中的G I S 局部放电检测 I 4 化学检测法 G I S 内部发生局部放电时 放电释放的能量会引起s R 气体分解 产生s F s 0 和s o B 等气体 通 过化学分析检查这毡分解物的含量就能评估出设备是否有局部放电或判断局部放电的严重程度 这种 方法的优点是检测时不受电气和噪声干扰 不会对G I S 的正常运行产生影响 但是C I S 中的吸附剂和 干燥剂i r 能会影响化学方法的测量 断路器正常开断时产生的电弧产生的气体生成物 也会对测量结果 产牛影响 因此就局部放电检测而言 化学方法的灵敏度较差 此外检测时闻较长 也限制r 该方法的 使用 比较适合用作辅助方法分析G I S 的绝缘故障o 2G I S 绝缘缺陷的分类 根据调矗丹析 G I S 中出现的绝缘缺陷主要包括 金属尖端突出物 自由金屉微粒 悬浮电位 绝 缘件表面污染物 绝缘件气泡等 如罔J 所示 2 1 金曩尖端突出物缺陷 主要是指位于G I S 高压导体上和外壳内壁表面 上的较尖的金属突出物 尖端毛刺 它们通常是南 G I S 制造和安装过程中的原材料工艺不良或安装损 坏 机械擦刮 碰撞等 所造成的 金属突起物导致绝 缘气体中的高场强K 在雷电过电压或操作过电压条 件下可能导致绝缘山穿 图2 显示的一个由于生产装配不当 异物碰撞高压导体表面彤成的金属突m 物 目2 自 目女 m 一1 2 6 砖 m 啦 十 M 十 M 镕一十t m f H 自 自 n m m 22 自由金属微粒 r IE l l 仑心微札足 L 休绝缘装K 圳 址的缺陷 E 址甘敛I I s 绝缘敞障的虽卡嚣砸 目 先 沧址n f l 的IJ m 造和耻场发驶州试阶段 蚯是n J I 盖世备i E 常运 r 他川阶段 盒届郎件的碰J 盟庠擦 和j F 艾机构的动作均会产乍粉术或鞘籼状帕n I l l 金腻微丰 选口 颗粒枉电场m 川F 能够移动蚪I i 有可 能越过引先机岛雎砷怫之川的 J 隙接近成到逃带l b 目H 或者移动刮绝缘件采l 从m 造成闲络放电 产 小绝缘放障蚓3 娃小的址组兑I 机械试骑衍 在c I s 腔体内部发脱的r m 金埘徽章4 的降I 片 2 的 J J 彤 导 2 4 绝缘件内部缺陷 n f s 绝缘什制造过程c h 时常金产生衅曲部缺陷 如 内部7 隙 嵌 的杂质颗粒等 其中绝 缘什f 内辫7L 泡缺陷最为常址 E 土要足 于枉绝缘什生产过程巾真空度不怛或环氧树脂n 化过程中 的收缩f m 胱的内部l 隙所造成的 此外I 4 环辄树脂 o 金属电饭的收 l i 系数水同 也会彤成气泡和夺 9 f l 时拒绝缘什的运输 r 储和装配i 上捌中也可能发生刮伤 碰甘j 和受潮等M 题对其绝缘性能产生 影口自 闰5 址组c l s 绝缘什缺陷引起的闪络放电的嘲片 其r 左侧姓内部有杂质和气泡的支撑绝缘 件 冉删足冉 L 隙或受潮m l 山穿的支撑绝缘筒 2 5 绝缘件衰面污染物 绝缘f 1 A 缺酌l l f 能足I j I 拍祁艘l U 产牛的分解物金膳微粒或并绝缘 L 怍c f l 过多的水5 t t jJ 起破 坷 时敢的J C t l 绝缘什表 A I 啦附的 体r IE l 金属微札 n 簟砦情况F 水平卧式安装的盐式绝缘件 会 I2 燃翻孰麓照 圭耋 茔主案 叁 十一 学术年 i 集 高t 垂 长期停滞 图6 是一 6 女 日I 3 常规电流脉冲检测法和超高频检测法的比较试验 3 I 试验电路 G I S 高压试验系统如图7 它由一套3 8 0V 7 5 0k VT 频试验变压器和I C M C o m p a c t 常规脉冲电流局 部放电检测系统 一套西门子开发的P D M 超高频局部放电监测 系统以及实际2 5 2k VG I S 产品的通管 模块构成 其中G I S 谭管模块由一根对接在试验变压器试验母线上的外壳直径m 为2 4 8 m m 中央导体 直径 为8 0m m 长约3m 的通管和一个盘式绝缘件组成 目7 t t 3 2 试验结果分析和比较 在G I S 内分别模拟了高压导体上尖端 壳体内壁上尖端 自由金属颗粒 悬浮电位 绝缘件内气泡以 1 2 8 车 t B f 自 M 镕 t m f H t d m m 灶甜1 1 N I 绝缘仆表E C t j I J 盒 恤粗坼 1 种帆 战雌缺陷试骑过槔巾榆洲到的 6 邪放l U 衄离频价叶教曲 mJ P I Mn qU I I I 检测系统转搀成 朴r 礼化的H 形P I I m 彤 E 攫供rJ 放f n 搬 胜 U 艟牛 牢慢 E 州似分柑 f f 肼破肿冲的发电婀l f 川蝴也椿浅的币 求灰 i im 墟J 陵P l l P I l 俐J e 和 M 圳 l mc I 常耻J 啪 U 漉驯 糸缱 的艘 U 脉冲的H I 他分佰H 彤j ir l t 较 总结分析i 此择验削 州米J m 利川遗岫种榆洲让川 hJ 0 部欣U 类 j 上 f 综合U l 别 32 1 高压导体上尖端 闱8 所 J i 址I2 7k r 撇的I I J f 以卉 火刺放电脉冲分巾柑 1 密雄 1 负巾J 目分布极 小埘称 仉 r 放f U 咻冲个数叫啦多r i I i 州 坩强度也比止 周剧烈情譬Ih 多十连缱的渡峰组 成 正规 状 艘i 1 2 l 眯巾之川打川 E 碡的脱象 9I J 能地J6 m 放I U 仪分圳n5 5k V 和1 2 7k V 试骑电城r 测得的放电脉冲丰 I 他分布和放电世 九小们h I M 故r 删咒 始 现肺放 i f i J i I F 蜊没有 8 f f 嚣电J i i i 9 高 f t3 F 周也 F 始 现局放 越在负 心址巾础I n 的伙散和强攫都I q 矬人F i I F 胤 成小时称分柑 最太放l U 量发 E 侄外加电压渡峰附近 肝鼬柠H 电 f 增加而变凡 州种榆删 法f f 坫聚 q 滑j l 打一定的相似性 最大放r 世发唪在参幸电压波峰附近且负半周局放 信o j 夫J i I1 川的f i 号 一m 7 一 lj 一 j I 薹茎兰 薹警茹釜 Z 骜 k 量 i 羔 童兰 3 2 2 壳体内壁上的尖端 尉I I 所4 址3 8 0k vF 局放的P R P D 罔谱 壳体l 瑚尖刺放咀脉冲分批血足棚 街啦 I I 砸 周分 布小时徘 1 1 分巾情况i I 和带f n 导体l 尖端相反 J l i 半用放电脉冲个数叫挂多下m F 刷 坩强度也 比负牛周剧烈 放电剌化较浆r hI 甜1 2 13 是常规局郎放电仪甜圳在2 9 4k V 和3 8 0k V 试验电J l F 测得 的放电脉冲相位分布和放电量太小的情况 正半周已经发生了比较剧烈的局部放电 负半阃才刚刚开 始m 艇放电 在正半周发生放电的次数和强度部叫硅太f 砸半周 成小对称分布 同时放电世髓着外加 电 K 的增加而变犬 两种榆删方法的结粜l 皤J 订定的棚似十 舶夫放电h 均垃 L n 磬母 b m 波峰附近 r 巾删 12 9 霉辜 茔矗辈 娄第十一 学术年套 t 集 女t 妻 放信号明显太于负半周的信号 二 I 二 叠 主 一二i 一 箜 三 二 丑L A 7 3 2 3 自由金属颗粒 图1 4 所示尾9 k v 下自由金属颗粒的局放P R P D 图谱 该缺陷放电时局部放电脉冲分布在正 负半周 的上升沿和下降沿 与下降沿的放电脉冲相比 上升i 的放电脉冲人而且稀疏一些 脉冲波形比较规则 一个周期内放电次数约为8 1 2 次 幅值稍有差别 且下降梧信号幅值比上升措的稍微小一些 放电量较 小 放电相位宽泛 罔1 5 1 6 是常规局部放电仪分别在6 8k V 和9 0k V 试验电压下测得的放电脉冲相位分 布和放电量大小的情况 在外加电压正负2 个半周内的放电次数基本相同井成对称分布 最大放电罱发生 在参考电压正负波峰附近且大小相等 随着试验电压的升高 在各个相位都有放电发牛 两种检测方法的结果图谱具有一定的相似性 最大放电量均发生在参考电压峰值附近且放电相位 宽泛 3 24 悬浮电位 阿1 7 所示是1 4 3k v 下恳浮电位的局故P R P D 罔谱 可以看m 这种故障局放脉冲振幅非常大 超 m 了U H F 传感器的测量转换范围 值得注意的是 这种缺陷在参考电压峰值处没有局放脉冲分布 局 放脉冲主要分布在电位零点周围 局放脉冲振幅的分布也有很大区别 振幅有时非常分散 有时很集 中 放电的特征是局都放电脉冲分布在正 负半周的上升沿 且正 负半周位置基本对称 尤其是局部放 电脉冲之间的间距基本固定 这是悬浮电位放电的一个娃著特征 一个丁额周期内放电次数为1 2 1 5 次 放电量非常大 罔1 8 1 9 是常规局部放电仪分别在1 0 4k V 和1 4 3k V 试验电压下测得的放电脉冲相 位分布和放电量太小的情况随著外加电压的升高正负2 个半周郭有比较明显的放电现象 并且放电 量随电压升高而快速增长 但最大放电量发生在参考电压波峰附近 3 2 5 绝肇件上固定颗粒 图2 0 所示是2 9 4k V 下绝缘件L 同定颗粒的局救P R P B 罔谱 该缺陷产生的局部放电脉冲信号 在T 频正 负半周的上升沿和下降沿都有可能叶 现 但大部分在正半周 幅值近似 渡形规则 在统计数据中 绝缘件表面异物放电一个周期内放电次数为2 4 次 琦放主要发生在参考电压峰值或稍微超前一定相 位处 但在电压零点也会有部分局放脉冲产生 图2 l0 2 是常规局部放电仪分9 4 在1 7 4k V 和2 9 4k V 试验 m o 型竺竺 兰竺 竖 55J j 1 日l25 目I7 1 4 3k v 自H TP R P D 目m 一 u P4 目1 91 k v 自mF l 乜 电压下测得的放电脉冲相位分布和放电量大小的情况在外加电压波形上升段发生的放电次数明显高于 下降段 同时随着外加电压的升高 局放脉冲相位产生 向左 偏移 两种幢测方法的结果周i 昔具有一定的相似性随着外加电传的升高 局放相他向电压零点方向产 生偏移 选使得最 放电世并没有m 现在参考电压峰值址 n 0 qa d o o口 EE 圭霉害 茔主菜 娄 十一 学 年 女i 高t 专委套 E E 1 日r r I 色 荔 矗 3 2 6 绝缘件中气泡 罔2 3 所示是2 9 4k v 下绝缘件中气泡的局放P R P I 阿谱 该缺陷产生的局部放电脉冲信号为规则的 波形 方位通常在L 频正 负半周的上升沿 脉冲振幅在正负半周相同二一个周期内放电次敷为3 5 次 同时局放相位会出现偏移 图2 4 2 5 是常规局部放电仪分别在1 7 4 k V 和2 9 4 k V 试验电压F 测得的放电脉 冲相位分布和放电量大小的情况 具有很大的放电强度 并且放电相位与参考电压相位出现一定的偏移 西 一1 1 李德军 沈威 基于超高频和常规脉冲电流的G I S 局部放电检测应用比较 两种检测方法的结果图谱具有一定的相似性 局放相位向电压零点方向偏移使得最大放电量出现 在参考电压波峰前 4 结论 通过常规电测法与超高频检测法对比试验证明 1 超高频检测法对所有六种缺陷都具有较高灵敏性 并且抗干扰能力强 2 对于各种缺陷来说 这两种检测法的检测结果在相位分布图谱上具有较大的相似性 在G I S 出厂试验阶段将两者结合起来应用 可以更好的对缺陷类型进行判断 迸一步提高产品的出厂质量 此 外对于超高频检测法在出厂试验的应用 除了可以检验G I S 设备上预装U H F 传感器灵敏度之外 其检 测结果还可以用于对现场交接试验阶段的局部放电测量结果进行评估和判断 3 对比试验的分析结果可以作为G I S 现场离线或在线局部放电测量的判据 用于评估运行中的 G I S 故障缺陷 掌握G I S 设备绝缘性能状况 参考文献 P h i lS o oY u m F i s h e rC a m p b e l l A h m e dH E l t o m T h ed i a g n o m i ca n a l y s i so fp a r t i a ld i s c h a r g ew i t h 删s t i cm o n i t o r i n gi nG I S e q u i p m e n t c P r o c e e d i n g so f1 9 9 8I n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u m O nE l e c t r i c a lI n s u l a t i n gM a t e r i a l s T o y o h a s h i J a p a n s e p l 2 7 3 0 1 9 9 8 1 9 6 2 0 0 I n t e r n a t i o n a lE l e c t r o t e c h n i c a lC o m m i s s i o n I E 0 5 0 2 7 0 2 0 0 0H i 曲 v o l t a g et e s tt e c h n i q u e s P a r t i a ld i h 丑r 铲m 翻嘲 e 嗽n 协 S 2 0 0 0 K u n e r R K l u n z i n g e r K F e s e r K d 曩1 S e n s i t i v i t yo ft h eU H F m e t h o df o rd e f e c t si nG I Sw