针对GIS／GIL的局放检测方式的对比及分析(翻译件)

1 针对针对GIS/GIL的局放检测方式的对比及分析的局放检测方式的对比及分析 第十二届亚太地区无损检测研讨会，第十二届亚太地区无损检测研讨会，2006年年11月月5日至日至10日，新西兰奥克兰日，新西兰奥克兰 台湾台湾 台南市台南市 国立成功大学国立成功大学 电气工程系电气工程系 摘要：摘要：在这篇文章中我们对声发射技术(AE)，高频电流互感器(HF- CT)以及电容耦合传感器(CC)在对GIS 进行局放监测时所用的检测方式进行了比较及分析。我们运用AE方式来检测局放产生的位置，用HF- CT来 检测泄漏电流，用CC传感器来检测电场。然而运用电气方式所检测到的局放信号往往很难就此确定出局放 的精确位置，但是运用AE方式却有很好的定位功能。因为在特定位置内用AE方式检测到的局放信号的频率 往往小于100kHz，我们可以使用频率响应范围为2380kHz的AE传感器来对GIS的局放进行现场及长期的监 测。 1、说明、说明 随着台湾工业的飞速发展， 民众对于电力行业的要求也与日俱增， 因为大家的生活条件都得到了极大的改 善。除了开发更多元化的电力资源，台湾电力公司还建造了许多不同规模、占地巨大的变电站。然而要想获 得建造变电站所需的土地资源却越来越难，这时图1中所示的GIS全封闭组合电器逐渐崭露头角，因为此类 设备占地面积与传统设备相比大大减少。GIS内部充满六氟化硫气体，所有部件包括断路器、母线、接地开 关、电压互感器及电流互感器。 它的优点是更长的维护周期，运行更安全，操作更可靠，适应各种环境类 型。此外没有外露的导体，所有部件全部封装在充满六氟化硫气体的GIS壳体内。而六氟化硫气体有着稳定 的化学成分以及良好的绝缘性能，提高了电力输送的效能。另外所有变压器及GIS设备所用到的绝缘材料必 须有较好的性能，因为一旦绝缘材料损坏，变压器就有可能出现故障甚至爆炸，这将导致电力中断，电厂出 现混乱，所以对于电力设备故障信号的维护及监测变得越来越重要。 在操作系统设备期间，或多或少会有细小的粒子产生，在起初这些粒子聚集在内部气室中，随着GIS设备 长时间的运作，这些粒子就会越来越多，最后会导致局放的产生，绝缘强度的降低。在电力系统故障发生之 前，我们就需要找到这些局放或粒子信号，这样就能避免GIS产生击穿现象，保证无事故发生。而AE测试 方式有着很好的位置监测功能，可以精确地指出故障位置，但是它的不足之处就是监测距离过短。然而AE 测试方式也有着许多优势，比如低成本，无需占用过大空间，便携式以及精确度高。在这篇文章中，我们运 用AE测试方式以及其他一些电气测试方法对GIS设备进行局放检测以此进行类比。 2 图图1 GIS全封闭组合电器全封闭组合电器 2、测试方式、测试方式 从GIS产生的局放信号可通过侵入式或非侵入式方法获得，在文章中我们使用三种非侵入式传感器。运用 非侵入式测试方式来监测电力设备的局放情况大致有两种模式： 电气式和非电气式。 首先电气式传感器被用 来测试GIS的电场情况，如果有疑似局放的情况，会有更细致的检验方式来确定局放是否会发生。我们运用 两种类型的电气式传感器来进行测试，一种是高频电流互感器(HF- CT)。HF- CT被放置在GIS接地导体上， 测试位置见图2。当GIS内部气室产生局放，电脉冲会沿着接地导体传到接地位置，这时信号就会被HF- CT 监测到。 图图2 运用运用HF- CT监测局放情况监测局放情况 第二种电气式传感器是电容耦合器(CC)，见图3。它安装在GIS气室上，当局放产生时，电场强度会受到 局放的影响，而局放能量的释放会被CC传感器监测到，此外由于局放产生的冲击电流信号也会被监测到。 由于局放信号的频率普遍大于5MHz，而电容耦合器的频率也较高，因此这种方式普遍使用在有较高保证的 电力设备上。 3 图图3 使用使用CC传感器进行监测传感器进行监测 第三种测试方式是非电气式测试方式，运用AE传感器来监测局放信号，见图4。此类方法运用的原理是声 信号比电气方式来的更低频。 在设备内发生的局放现象就如同脉冲一样会在媒介中产生机械压力， 而这一现 象会被AE传感器通过捕捉声波的方式监测到。 图图4 AE传感器测试位置传感器测试位置 运用AE方法时，将AE传感器固定在设备壳体表面，然后机械压力波会通过AE传感器内的一个压电材料 转变成电气信号， 再通过前置放大器AE信号会被进一步放大。 在这种方法中， 声波信号的频率范围为20kHz 到80kHz，这比用上面说到的前两种测试方式频率更低，成本也更少。由于AE信号普遍小于100kHz，所以 它能从模拟信号转换为数字信号，也可很轻易地传输到微控制器或电脑上。AE传感器有着更平缓的频率响 应范围从23kHz到80kHz，频率响应的模式见图5。 图图5 频率响应频率响应 4 3、试验、试验 3.1 实验室中的样机测试 为了确定局放信号的正确特性以及验证检测传感器的实用性， 我们开始通过试验来论证。 局放信号从一个 试验变压器获得，测试信号被用来分析进而找到用于局放测试的现场方法。通道1代表声发射信号，通道2 代表从高频传感器来的输出信号，通道3代表电容耦合器的输出信号。我们发现当在实验室测试时会有来自 外部环境的干扰，但是这种噪声可以通过带通或高通滤波器过滤掉。在测试之后，我们发现运用HF- CT方 式得到的信号频率为9.6 MHz，运用CC方式得到的信号频率为9.8 MHz，而运用AE方式得到的信号频率为 50kHz。 3.2 GIS在线测试 我们这次主要针对161kV GIS进行在线测试，通过三种传感器来获取信号，图7显示的是AE传感器，图8 显示的是HF- CT传感器，图9显示的是CC传感器。如图所示，AE传感器的信号比其他两种传感器更明显， 而HF- CT传感器得到的局放信号受到噪音很大的影响。 因为GIS上有很多接地点以至于测试信号被噪音所影 响， 此外来自外部环境的电磁干扰也会干扰到测试信号甚至把测试信号覆盖掉， 所以噪音问题对于现场测试 来说是一个很严峻的问题。在进行对比之前，信号必须经带通或高通滤波器处理，为的是要判断局放情况是 否产生过。而对于通过CC方式和HF- CT方式获得的信号。由于受到噪音的干扰如果没有经过信号处理的话 是很难进行分析的，局放信号的区分在这两种方式中是十分困难的。 图图7 使用使用AE传感器获得的测试信号传感器获得的测试信号 图图8 使用使用HF- CT传感器获得的测试信号传感器获得的测试信号 5 图图9 使用使用CC传感器获得的测试信号传感器获得的测试信号 3.3 运用AE传感器对GIL进行在线监测 在GIL壳体上固定三个AE传感器，两两之间相隔3米，第一及第三个传感器距离盘式绝缘子1.5米。在图10 中我们可看到由通道1放大的测试信号具有最大值，而且这一通道获得局放信号也比其他通道来的简便，所 以就能快捷地确定出局放的位置。 图图10 运用运用AE传感器对传感器对GIL的在线监测的在线监测 4、测试结果及讨论、测试结果及讨论 4.1 GIS的测试结果及信号对比分析 运用HF- CT测试方式得到的数据由图11所示， 一个有1MHz到15MHz通频带的带通滤波器被用来摘取局放 信号。从测试结果中我们看到噪音被很大程度上消除了，60Hz的波段干扰也被很好的抑制了。同样的处理 方式也能用在CC传感器测试方式上，如图12所示。一个有2MHz到15MHz通频带的带通滤波器被用来摘取 局放信号。当我们对比由HF- CT方式和CC方式获得的测试数据时，他们两者之间的关联显而易见，两者的 6 波形十分相似，而CC传感器比HF- CT传感器来的更敏感。由于信号获取的时间对于这三个传感器来说是相 同的，所以我们就能更进一步比较AE信号以及HF- CT信号和CC信号。我们发现与其他两种测试信号相比， AE信号有一个明显的延时现象，这是因为声速比电信号慢很多，如图13所示。通过三种不同测试数据的对 比，我们就能很简便地认识局放信号及其一些规律。 图图11 处理后的处理后的HF- CT传感器测试数据传感器测试数据 图图12 处理后的处理后的CC传感器测试数据传感器测试数据 图图13 AE传感器测试数据传感器测试数据 这三种方法都能监测到GIS内部发出的信号，不过运用HF- CT方法和CC方法却很难将局放信号从其他电 磁干扰信号中区分出来， 电晕以及外部环境的噪音也会让运用以上两种方法获得的信号更加难以区别。 相同 的困扰也有可能发生在运用AE方法测试的情况下，声发射信号与机械信号如果相同就会产生混淆，难以区 分。但是通过比较AE信号、HF- CT信号以及CC信号后，我们就有了足够的信心来区分哪些测试数据是由局 放所引起的。 4.2 GIS及GIL的AE测试方法以及局放位置的定位 GIS及GIL中产生的AE信号很可能是由于局放或运动粒子造成的，在GIL试验中我们发现AE测试数据可 7 以分成两种模式，一种可见图7，另一种可见图13。两种模式的最大不同之处在于后者有反复的回跳，此外 两种模式都会随着时间增加而衰减。当声源靠近AE传感器时，我们发现AE信号相当的明显。由于GIL用的 是铝制外壳，声音传播比较复杂，所以这些AE信号很可能就是由局放或运动粒子冲击产生的。运用声发射 技术来确定局放的位置比其他一些无损检测方法更有优势，我们上面提到过用三个AE传感器来测试GIL的 局放情况，通过这些传感器的信号特征比如振幅，波长等等就能确定出局放或运动粒子冲击的发生位置。声 波波形的大小取决于AE测试的位置与局放产生点之间的距离，如果能找到声波波形在何处达到最大值这就 对找到放电位置起到了极大的帮助。 HF- CT传感器和CC传感器与AE传感器三种测试方法的对比情况见表1，三者的优缺点一目了然。通常来 说测试获得的数据必须经带通滤波器处理后才可用来进行分析。 HF- CT传感器和CC传感器比AE传感器更敏 感，这是因为这两种传感器更易受到外部环境的电磁干扰。从HF- CT传感器和CC传感器获得的测试数据的 频率明显比AE传感器获得的数据频率高出很多。 HF- CT传感器和CC传感器获得的测试数据频率大致在几个 MHz，而AE传感器获得的数据频率只有4060kHz，此外运用AE测试方法进行试验有着比其他两种方法更 好的局放位置定位能力。 表表1 HF- CT和和CC与与AE三种测试方法的对比三种测试方法的对比 传感器传感器 AE HF- CT CC 局放监测能力 好 好 好 噪音 小 大 中等 信号频率 低 高 高 灵敏度 中等 高 高 位置定位能力 强 弱 弱 5、结论