GIS超高频局部放电带电监测技术

GIS超高频局部放电带电监测技术 河南电力试验研究院高压所黄兴泉 GIS超高频局部放电带电监测技术 河南电力试验研究院高压所黄兴泉 第一部分局部放电基本概念第二部分GIS超高频局部放电带电监测技术 第一部分局部放电基本概念 局部放电既是绝缘劣化的原因 又是绝缘劣化的先兆和表现形式 与其它绝缘试验相比 局部放电的检测能够提前反映电气设备的绝缘状况 及时有效地发现设备内部的绝缘缺陷 预防潜伏性和突发性事故的发生 这种观点已经得到了人们的普遍认可 IEC和我国有关绝缘试验标准均将局部放电试验提到重要地位 作为部分设备投运前必须进行的试验项目 对及时有效地发现设备绝缘中存在的事故隐患 保障电气设备乃至电力系统的安全运行具有十分重要的意义 一 定义在电场作用下 绝缘中的部分区域发生放电 但未贯穿加压之间的导体 局部放电可发生在导体边缘 绝缘体内部或表面 二 产生的原因 绝缘体内部存在缺陷 如 气泡 裂缝等 绝缘体含导电性杂质 其边缘电场集中 存在强电场或局部电场集中 三 机理 气体放电理论为基础 气隙局部放电可分为三类 汤逊放电 流注放电和热电离放电 汤逊放电以电子碰撞电离为主 电子崩中电子数目小于10e 8个 电子碰撞电离放电机理认为 受外界因素的作用 在气体间隙中存在自由电子 这些自由电子在电场中被加速 并在运动过程中不断与气体原子或分子发生碰撞 当电子获得电场提供的足够动能时 就会使气体原子产生碰撞电离 形成新的自由电子和正离子 这些新产生的电子和原有电子又从电场中获得能量 并继续碰撞其它气体原子 又可能激发出新的自由电子 这样 自由电子数将会成指数倍地增长 形成电子雪崩 由于电子的质量比离子小得多 因此 电子移动的速度比离子快许多 形成的电子崩的头部不断向前扩展 最终形成自持性气体放电 汤逊放电对绝缘的劣化有一定作用 但不会造成突发性故障 流注放电在气体放电过程中 除了电子碰撞电离之外 光电离对放电的发展起主要作用 在电子崩形成之后 电子集中在电子崩的头部 使其场强得到加强 正离子集中在电子崩的尾部 加强了崩尾的场强 而电子崩的中部区域内场强很弱 有助于发生复合过程而产生光子 这些光子又可因光电离而引发新的电子崩 即形成二次电子崩 二次电子崩与初始电子崩汇合并继续发展 最终导致间隙的击穿 形成气体放电 流注放电过程的特点是 放电发展速度快 放电量较大 因此 流注放电是局部放电检测的主要对象 热电离放电以热电离为主 当温度大于1000K以上时发生 根据放电的表现形式 局部放电可分为两种类型 脉冲型放电 火花放电 和非脉冲型放电 辉光放电 脉冲型放电 火花放电 持续时间0 01 1 s 包括低幅度 上升时间较缓慢的汤逊型脉冲放电和大幅度 快上升时间的似流注脉冲放电 在一定的外加电压相位上可以观察到单个放电脉冲 一般情况下 局部放电都属于脉冲型放电 非脉冲型放电 辉光放电 放电时观察不到单个分离脉冲 但可以观察到放电时产生的辉光 占据半个工频周期的大部分区域 辉光放电是汤逊放电的进一步发展 它们之间的主要差别是辉光放电具有较大的放电电流密度 而且空间电荷在放电过程中具有重要作用 因为它的存在决定着放电空间的电场 亚辉光放电 或群放电 介于辉光放电和火花放电之间放电是由一群小幅度的离散脉冲组成 脉冲的上升时间很慢 辉光放电或亚辉光放电多发生在小气隙 气泡 和低过电压情况下 而当存在大气隙和高过电压时 电子崩可以充分发展 容易发生火花脉冲放电 在短气隙局部放电中 三种形式的放电均以电子崩碰撞电离为主 属于汤逊放电 可以较明显地分辨电子电流和离子电流 而在大气隙中 放电脉冲多属于流注型 幅值大 上升沿陡 放电量较大 1 视在放电电荷Q绝缘中发生局部放电现象时外加电压的绝缘体两端出现的脉动电荷 简称放电量 单位 pC 四 表征局部放电的参数 视在放电电荷的大小是这样测定的 将模拟实际放电的瞬变已知电荷 注入试品两端 施加电压的两端 在此两端出现的脉冲电压与局部放电时 产生的脉冲电压相同 则注入的电荷量即为视在放电量 2 放电重复率放电次数 单位 次 秒 在测量时间内 每秒钟出现放电次数的平均值称作放电重复率 实际测得的放电次数 只能是视在放电电荷大于一定值 放电间隔时间足够大的放电脉冲 3 起始电压和熄灭电压当外施电压逐渐上升 达到能观察到局部放电时的最低电压 即为局部放电起始电压 当外施电压逐渐降低到观察不到局部放电时 外施电压的最高值即为局部放电熄灭电压 在实际测量中 为了避免因测试系统的灵敏度不同而造成的测试结果的不可对比 一般规定一个放电量标准 当放电量达到或超过这个标准时 外施电压的有效值就作为局部放电起始电压 当放电低于这个标准时的外施电压的最高值作为局部放电熄灭电压 五 局部放电检测方法 局部放电检测是以发生局部放电时产生的电 光 声等现象为依据 来判断局部放电的状态 包括定位和放电的程度 因此 其检测方法有脉冲电流法 超声波检测法 光测法 化学检测法 超高频 UHF 等多种检测方法 其中脉冲电流法 超高频 气相色谱分析和超声波检测法应用最为广泛 脉冲电流法 电荷法 脉冲电流法是研究最早 应用最广泛的一种检测方法 IEC 60270为IEC正式公布的局部放电测量标准 脉冲电流法测量系统实际测量的结果是外部电路因感应电荷重新分布而形成的脉冲电流 又称电荷法 脉冲电流法经检测阻抗或电流传感器 检测试品回路中出现的脉冲电流 脉冲电压 并通过注入的标准电荷标定得出试品视在放电量 电荷 如图 如 注入的标准电荷为10pC 如图 经检测阻抗的测量电压为10mV 即视在放电量与测量的比值为1pC mV 若施加试验电压后的测量电压为200mV 则试品视在放电量为200pC 测量原理 三电容原理 脉冲电流法应用 变压器局部放电测量 脉冲电流法通常被用于变压器出厂试验以及其他离线测试中 其离线测量灵敏度高 而且可以测量视在放电量 变压器局部放电测量通过套管末屏接地线 外壳接地线 中性点接地线 铁心接地线 绕组等获得脉冲电流 按频带可分为窄带和宽带两种 窄带带宽一般在10kHz左右 中心频率在20 30kHz之间或更高 宽带传感器带宽为100kHz左右 中心频率在200 400kHz之间 第二部分GIS超高频局部放电带电 在线监测技术 一 气体绝缘金属封闭开关设备 GIS 概况 气体绝缘金属封闭开关设备 GasInsulatedSwitchgear 简称GIS 将断路器 隔离开关 接地开关 母线 HGIS除外 互感器 避雷器 套管 电缆终端 油气套管等主要元件均装入密封的金属容器 内充以绝缘气体 故具有体积小 占地面积少 不受外界环境影响 运行安全可靠 维护简单和检修周期长等优点 HGIS GIS与敞开式高压电器的组合 国内外的运行经验表明 GIS的运行可靠性至少不低于同样规模的敞开式变电站 CB 断路器DS 隔离开关ES FES 检修 故障关合接地开关BUS 母线CT 电流互感器VT 电压互感器LA 避雷器LCP 就地控制柜终端元件 SF6 airBsg SF6 oilBsgCSE电缆终端 机构 盆式绝缘子 母线支柱绝缘子 二 GIS局部放电带电监测的意义 GIS内的空间极为有限 其中的工作场强往往很高 GIS内部绝缘缺陷 如杂质 尖端等 易导致局部电场集中 SF6气体击穿电压下降 均匀电场下SF6击穿电压约为空气的3倍 不均匀时最严重情况下接近空气 极易发生设备故障 而且后果严重 据不完全统计 国外GIS设备故障的平均故障率为0 1 0 5次 年 台 即一个GIS设备10年内发生故障的次数平均为1 5次 而且 近50 的故障发生在GIS设备交付日期后的一年之内 近年来国内也有多起GIS设备故障的报道 实践证明 GIS设备内部故障以绝缘性故障为多 而GIS局部放电往往是绝缘性故障的先兆和表现形式 一般认为 GIS设备中放电使SF6气体分解 严重影响电场分布 导致电场畸变 腐蚀绝缘材料 最终引发绝缘击穿 支撑绝缘子表面闪络 盆式绝缘子表面闪络 三 典型GIS局部放电机理及特征 1 SF6中的气体放电机理 GIS以SF6气体为绝缘介质 除绝缘子中的气隙缺陷以外 局部放电均发生在SF6气体当中 气体介质中带电质点的产生和消失决定了气体中的放电现象 是电场强度增大到一定程度以后 能量释放的一种方式 GIS内部电场的分布为典型的同轴圆柱电极或双圆柱电极 在绝缘状态良好的情况下 GIS内部应为稍不均匀电场 当GIS内部存在绝缘缺陷时 电场会产生畸变 局部电场过于集中 便会产生极不均匀电场 极不均匀电场中的放电过程大致可分为电晕放电 先导放电和主放电三个阶段 一般遵循流注 先导 击穿的分级发展机理 当施加在SF6气体间隙上的电压足够高时 在场强集中处的电场强度会超过临界场强 对应GIS中0 4 0 8MPa的气体压力 场强临界场强E的范围为35 6 71 2kV mm以上 在SF6中放电的发展过程中 如果外加电压 局部场强 局部气体压力等因素不能满足先导继续发展至击穿的条件 放电现象便不再发展或停止 虽然没有发生电极间的贯通性击穿 但局部放电却在内部绝缘缺陷发生 存在 发展 2 GIS绝缘缺陷类型GIS绝缘故障的缺陷类型及故障的平均分布统计如图 表所示 1 微粒及异物 自由微粒及异物故障占总故障的20 主要是现场安装条件不如生产工厂 无法彻底清除GIS设备内部的微粒及异物 这些微粒及异物中以自由金属微粒危害最甚 GIS腔体中的金属微粒在外电场作用下会释放电子 成为带有正电荷的金属粒子 反过来又影响了GIS腔体内局部电场的分布 引起电场畸变 当电场畸变到一定程度时 电子进一步从金属电极表面逸出 使SF6气体发生碰撞电离 热电离以及光致电离 在两电极间 相间或相对地 形成间歇或连续的局部放电通道 带有正电荷的粒子在强电场环境中受到洛沦兹力 库仑力以及电场梯度力的作用而向负极性电极移动 如果电场足够强 自由金属微粒获得的能量足够大 就完全有可能越过外壳与高压导体之间的间隙或移动到有损绝缘的地方 当金属微粒接近而未接触到高压导体时 更容易产生局部放电 自由金属微粒的另一影响是 当运动到绝缘子上而附着于绝缘子表面时 可能引发绝缘子沿面闪络 造成击穿 GIS设备内部的金属微粒 具有以下几个主要特征 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 这些微粒就能在气体间隔间移动 跳跃 从而引发局部放电 2 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 也容易引起局部放电 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 这样导致绝缘子表面电荷聚集 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 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 5 绝缘子上的金属微粒放电 会引起绝缘子表面损伤 在工频电场下产生表面树痕 最终发生绝缘故障 2 接触不良 接触不良发生的故障达到29 占所有故障发生率之首 此类故障可分为两类 1 由主触头接触不良而产生的故障占11 分析其产生的原因 一方面是存在自由微粒 这些微粒附着主触头表面 使接触电阻增大 自由微粒在试验中不易被检测和彻底清理 另一方面 随着GIS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 由屏蔽罩 悬浮电极 接触不良而产生的故障占18 屏蔽罩作用相当于空气绝缘中的均压环 均压罩 正常状态下 屏蔽罩与高压导体或接地外壳间的接触良好 随着操作产生机械振动 以及随时间推移带来的热应力 使一些在最初安装时接触良好的屏蔽体接触不良 从而形成悬浮电 SF6气体中的屏蔽罩在外电场作用下 会释放出电子 在其表面积聚正电荷 当接触电阻较小时 悬浮电极会从高压导体上捕获电子 使电场能得到释放 若接触电阻较大 电荷会越积累越多 进而导致电极附近的电场集中 电场强度增大 直至发生局部放电 若接触电阻很大 则可能引起直接击穿 因此 屏蔽罩局部放电的幅值 频次主要取决于接触电阻的大小 3 潮湿的影响由于潮湿引起的故障占7 通常对SF6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 4 高压导体尖刺的影响高压导体上的尖刺占故障总体的5 这些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 当电场强度达到SF6气体的击穿场强则发生近似尖板电极的电晕放电 电晕放电在一定程度上改善了间隙中的电场分布 使电场的不均匀程度得到削弱 因此在稳定的电晕放电状态下 不易引发电极间的贯通性击穿 因而在稳态工作条件下一般不会引起击穿 但操作过电压 雷电过电压或快速暂态过电压 VeryFastTransientOvervoltage VFTO 作用下 不但电场强度增大 而且电压变化梯度很大 放电通道可能会发展为贯通性击穿故障 金属突起在GIS内导体和外壳内壁均有可能出现 但由于GIS外壳的曲率半径比高压导体大 高压导体上的突起物更容易引发局部放电 突出物在高压导体上时 局部放电主要发生在工频电压的负半周峰值附近 突出物在接地外壳上时 局部放电则主要发生在工频电压的正半周峰值附近 5 绝缘子缺陷绝缘子上发生的击穿故障占10 因为大多数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 金属微粒或者绝缘气体中过多的水汽引起的破坏 另外 现场测试时闪络产生的树痕在某种情况下也可以形成缺陷 危害最大的是金属微粒 在电场作用下运动并附着于绝缘子表面 导致大量表面电荷的形成 改变了表面电场分布 导致局部放电 局部放电及金属微粒在固体绝缘子与气体界面上产生的法向分量上的电场 都会造成绝缘子表面电荷的进一步积聚 在外加电压与绝缘子积聚的表面电荷极性相反时 绝缘表面电场分布会严重畸变 使沿面闪络电压明显降低 在过电压及VFTO作用下 绝缘子附着金属微粒不会在导致闪络击穿前出现局部放电等预兆现象 而是直接击穿 气隙或间隙处会积聚大量电荷 使此处的电场强度变为原来的 倍 为绝缘子的相对介电常数 其数值约为3 5 6 从而可能引起局部放电 同时 积聚的电荷以及局部放电形成的正负电荷会在电场的作用下漂移到绝缘子表面 使绝缘子的沿面闪络电压下降 6 其它因素由其它因素造成的故障占11 这也是一个不可忽视的问题 例如 GIS设备的器件体积大 重量大 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 GIS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GIS的运行带来了后患 四 GIS局部放电带电检测技术现状 传统的局部放电测量法 脉冲电流法 可以在比较低的工频电压下测出缺陷 使设备免受破坏性放电所带来的损伤 因此该测量法是最有效的方法之一 但是 对GIS进行试验时 如果使用非封闭试验变压器或谐振试验电源 这时传统的局放测量法就会受到严重干扰 为了保证测量的准确性 就需要采用高压滤波器 自适应滤波器等一系列措施排除来自电源等多种干扰 即使这样在现场条件下要测量到10pC及以下局放水平是相当困难的 这就使传统的局放测量法受到了极大的限制 目前 传统的局放测量法只适宜在试验室进行GIS局放测量 如出厂试验等 因此 变电站的GIS局放检测与试验室进行GIS局放测量具有很大的不同 GIS局部放电过程产生的物理 化学现象 GIS中的局部放电会在其外壳上产生流动的电磁波 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 局部放电使通道气体压力骤增 在GIS内部 气室 气体中产生纵波或超声波 并使金属外壳上出现各种声波 局部放电导致SF6气体分解 局部放电产生发光 上述物理和化学变化特征 都可作为局部放电检测信号的传感对象 目前 国内外检测GIS局部放电的主要方法有以下几种 1 化学检测法在GIS内部放电的作用下 部分SF6气体会发生分解 在分解物中SOF2 氟化亚硫酰 和F2等中间分解物 GIS中的吸附剂和干燥剂会影响化学方法的测量 断路器正常开断时的电弧导致的气体生成物也会产生影响测量结果 另外 局部放电分解物往往被大量的SF6气体所稀释 SF6分解物易复合 不稳定 化学检测法的特点是方便 可带电进行 适宜故障后分析 该方法是今后研究方向 类似于油色谱分析 2 振动检测法GIS局部放电过程产生声波 其类型包括纵波 横波和表面波 局部放电产生的声波和金属屑末撞击外壳引起机械振动的频率 在数kHz和数十kHz之间 为去除其他的声源的干扰 传感器的检测频率一般选为1 20kHz 由于测量频率比较低 传感器采用加速度传感器 如常用的自振频率为30kHz左右的压电式加速度传感器 3 电气检测法 1 外壳电极法八十年代 日本人提出了外壳电极法 其结构是在GIS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GIS局部放电水平 这种方法的优点是结构简单 较为实用 最小检测量约为300pC 缺点是易受外界干扰 2 内部电极法1988年 英国研制出内部电极法 该方法是在法兰内部加装金属电极 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 利用GIS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5pC的局部放电 3 外接电流传感器检测法当GIS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 最小检测量为100pC 外接电流传感器检测法的优点是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 4 超高频法超高频法 ultra highfrequency简称UHF 利用GIS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 20世纪80年代初 由英国中央电力局提出检测GIS中的局部放电的UHF法 1986年 ScottishPower应用于英国的Torness电站的420kVGIS设备局放检测 Torness电站的多年运行经验验证了该方法的可行性 使UHF法得到了行业的认可 并成为近20年以来GIS绝缘检测的研究热点之一 英国Strathclyde大学 日本Nagoya大学 德国Stuttgart大学 荷兰Delft大学 韩国HanyangUniversity大学的研究工作最为突出 一些大型电力设备制造公司 如英国的RollsRoyceLtd DMS 德国的SiemensAG 瑞士的ABB 法国的ALSTOMT D和日本的Mitsubishi Toshiba TokyoElectricPowerCompany AEPowerSystemsCorporation 韩国的PowerSystemDiagnosisTech HYOSUNGCorporation 澳大利亚的PowerlinkQueenslandLtd 等公司开展了UHF法的研究和推广 加速了该技术的发展与应用 国内大学和研究所于20世纪90年代初期开始对UHF法进行研究 如西安交通大学 清华大学 重庆大学 华北电力大学 上海交通大学等 五 超高频法原理 当GIS中出现绝缘缺陷时 在外加的高压电场作用下 电子将被剥离 原子 并在外电场的作用下做加速和减速运动 形成局部放电脉冲 由于电子运动的速度的变化 放电通道对外要发射电磁波 电磁波向GIS腔体两侧传播 如图中箭头 绿色 所示 在传播的过程中电磁波将在GIS的不连续处 绝缘子 交叉接头 弯角 CT PT等 经历反射和透射 信号能量会随传播距离的增加而衰减 当电磁波传播到局部放电传感器 接收天线 处 通过耦合从传感器中将输出一个电压信号 并被存储和分析 如FFT和相关分析 GIS中电磁波的传播特性 1 超高频信号在GIS腔体中传播会发生谐振 谐振使得超高频信号的衰减变慢 2 超高频信号在GIS中传播时的衰减主要是由于GIS中的不连续点造成 信号通过绝缘子时平均衰减3dB 信号通过T型接头时最严重的支路信号平均衰减10dB 如果不存在盆式绝缘子 隔离开关及断路器等不连续点 1GHz的电磁波在直径为0 5m的GIS内传播所产生的衰减约3 5dB km 根据GIS中电磁波的传播特点 利用超高频传感器接收其中300 3000MHz甚至更高的超高频信号进行检测 以避开常规电磁脉冲的干扰 从而提高局部放电检测的信噪比 这是因为空气中的电晕放电等电磁干扰频率一般在300MHz以下 超高频传感器安装类型 a 内置式 在GIS内部或通过绝缘安装 一般在母线与分支交接处 b 外置式 绝缘子外沿处 便携式 内置式 GIS内部直接安装方式 半内置式 介质窗 通过绝缘件 介质窗 安装方式 介质窗与气室相通 可有效穿透电磁波 介质窗方式即可保证有效接收超高频信号 又可保证传感器与气室隔离 内置式特点 1 传感器被屏蔽 抗干扰能力提高 2 传感器接触面增大 灵敏度提高 3 多点安装有利于故障定位 外置式 绝缘子外沿处安装方式 便携式 超高频传感器 螺旋天线 等角螺旋天线 阿基米德平面螺旋天线 放大器频率响应曲线 超高频带电检测技术特点 1 传感器接收UHF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 2 可在GIS运行状况监测 3 根据电磁脉冲信号在GIS内部传播特点 利用传感器接收信号的时差可进行故障定位 4 UHF传感器的有效检测范围大 检测点少 效率高 适用于自动在线监测系统 2 传感器接触面增大 灵敏度提高 3 多点安装有利于故障定位 超高频法有关问题讨论 1 外置式传感器放置在现场GIS设备外部 没有金属腔体的屏蔽 接收到的信号势必会受到外界电磁干扰的影响 因此 区分干扰信号和有效信号是顺利测量的保证 2 现场测量中需要判断缺陷的类型 由于缺陷存在于GIS不同的位置 会产生不同类型的放电 其放电量也有很大差别 例如 在断路器的动触头处多会发生悬浮类型的放电 在腔体的底部多会发生自由微粒类型的放电 而在高压导体上经常出现尖刺类型的放电 因此 能否利用超高频法对内部的放电类型进行识别 也是准确判断故障发生部位的关键 3 GIS的故障的准确定位 4 对于检测设备的局部放电而言 视在放电量的大小是现场比较关心的物理量 也是确定设备绝缘状况严重程度的依据 但研究表明 超高频法无法确定设备内部故障的视在放电量 即 超高频法无法与脉