gis局部放电检测方法的改进

gis局部放电检测方法的改进

1gis的局部放电gis以结构紧凑、可靠性高为优势，逐渐成为超高压电气系统的主要设备。但由于制造、运输、现场装配等多种原因，GIS不可避免地存在绝缘缺陷而影响其长期可靠性。鉴于绝缘介质在发生击穿前都会产生局部放电，因此，对GIS进行局部放电监测可以发现绝缘的早期故障。GIS中的局部放电是一种电气现象，SF6气体的击穿导致导体中流过一个短时的电流（ns级）。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（<1ns），频带很宽（>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。伴随着局放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，原则上，它们中的任何一个都可以用来检测局放的存在。2gis局域中的检测方法2.1辐射光的检测在诊断技术中，检测放电产生的光可能是最灵敏的方法，因为光电倍增器可以检测到甚至一个光子的发射。光辐射主要在紫外（UV）带，由于玻璃和SF6对光都有很强的吸收能力，检测时需要采用石英透镜，并且要选择适当短的路径。对于检测已知点的放电，光学法很有效，但是对于GIS中诸多未知的放电源，光学法的灵敏度就大受影响。由于光学检测法需要把传感器放到GIS里面，而且只能离线测试，所以不适合用于在线监测。2.2膜相色谱分析结果化学检测法通过检测SF6被击穿分解后的生成物来间接检测局放。最常用的分析气体有SOF2和SO2F2两种，通过用气相色谱仪和质谱分析可以检测出，灵敏度可达1×10-6。化学检测方法不受电气干扰的影响，但从发生局放到由分析气体检测出来所需要的时间太长，往往几小时甚至几天也得不到结果，这严重限制了化学方法在局放检测中的使用。2.3传统超声检测法的限制GIS中局放激发的声音信号有比较宽的带宽（20～250kHz)，可在GIS外部用加速度或声发射（AE）传感器检测到。声学方法是非侵入式的，可对局放源进行定位（<10cm）且不受GIS外部噪声源影响，但是信号通过气体和绝缘子时衰减很严重，所以声学检测法仅能检测到有限的几种放电，而且在线检测时需要的传感器太多，因而限制了声学检测法的应用。目前声学检测法一般仅用于现场测试，由操作人员持传感器在GIS表面移动检测局放信号，一个GIS站的检测往往需要花费数天时间，限制了该技术的推广。2.4电气试验方法2.4.1耗的集中电容结果测量系统常规电测法又称脉冲电流法（IEC270），它是IEC于1981年正式提出并被广泛采用的局放检测方法。对外部电路而言，GIS是一个有电荷损耗的集中电容，通过在外部并列安装一个耦合电容传感器，可以测得发生局放时的电量（检测局放的频率范围为40kHz～1MHz）。常规电测法可以通过调节传感器和GIS等值电容的比值获得最佳的灵敏度，并可对测量系统进行标度，但是易于受到外部的电磁干扰，为了获得最高的测量灵敏度，需要将测试装置完全屏蔽，这对于测试整个GIS通常是不可行的。此外，常规电测法无法对局放源进行定位，因而不能用于运行中GIS局放的在线检测。2.4.2gis局放在线检测方法超高频（UHF）法于20世纪80年代初期由英国中央电力局（CEGB）实验室提出。UHF法通过安置在GIS中的传感器检测局放电磁波的UHF(300MHz～3GHz）部分。UHF法有较强的抗干扰（通常的噪声干扰频率都在500MHz以下）及局放源定位能力（理论上可以小于10cm），但随着与局放源距离的增大，信号衰减很大（约2dB/m），导致传感器间的距离较小（5～10m），因而在线检测也需要为数不少的传感器。对于GIS中局放的各种检测方法，CIGRE得出的普遍结论是：(1)声学检测法、常规电测法和UHF法都有良好的灵敏度。(2)声学和UHF法可对局放源进行定位，而常规电测法不可以。(3)常规电测法需要一个外部耦合电容，不能用于运行中的GIS。(4)目前声学检测法适宜于现场检测，而UHF法可用于局放的连续在线监测。(5)化学和光学检测法的灵敏度较低，一般不用于在线检测。3监测技术在gis中的应用3.1局放信号的提取目前对于局放的检测主要集中在采用声学传感器（加速度传感器及AE传感器）检测局放声信号及采用UHF传感器检测局放的超高频电磁波。此外，如何从检测到的信号中提取有用的局放信号也是后续比较重要的工作。在抑制干扰、提取局放信号方面，有学者提出了动态频谱的概念及相门控制方法。动态频谱的测量（采用小波变换）可以看出局放水平的变化趋势，但只限于甚高频（VHF）范围，对于UHF法检测是否有效还需要进一步的研究；相门控制方法可以分离局放信号与电晕干扰，但这种方法是基于放电相位判别技术的，它的有效性依赖于相位判别技术的进一步发展。3.2方向定位法原理鉴于GIS全封闭结构的复杂性，正确定位对于及时修复、缩短维修时间及降低维护运行成本有重要的意义。目前局放源定位主要有声定位和UHF法定位两种。受固定传感器的限制，目前在现场检测中，声测法还仅限于用手持金属探头传感器进行定位。UHF法定位方法大致可分为方向定位法和距离定位法。方向定位法是一种粗定位方式，利用电磁波的传播及干涉特性进行定位，目前在日本和德国都有大学在进行研究。而距离定位是一种较准确的定位方式，即采用时间差方法定位。常规的局放源定位都是采用距离定位，但该方法对示波器的要求很高（对于UHF法而言，为了达到10cm以内的定位准确度，需要高达0.1ns的时间分辨率）。此外，由于GIS内部复杂的谐振，要得到准确的时间差是很困难的。而且当时间差较大时，在时域内想要高准确度地处理信号都会很困难。相比之下，方向定位就显得要快得多，也容易得多。方向定位系统对UHF信号中的电波和磁波分开检测（将环形天线和杆形天线结合起来），理想情况下，两种波的形状和极性是一样的，当电磁波的传播方向发生改变时，电信号的极性不变，而磁信号的极性发生改变。根据这个原理，可以确定电磁波的传播方向，对局放源进行方向定位。但是这种定位方法只能判断放电源是在传感器的左边还是右边，无法得到具体的位置。3.3各种识别方法的对比及应用局放信号的量大致正比于放电现象的严重程度，但局放对系统的危害性主要取决于局放源的类型。因此，正确识别局放源对于评估设备的绝缘状态至关重要。对于局放源的识别主要是基于信号的统计特征和相位分析的，也是一个普通的模式识别的问题。可采用专家系统结合模糊逻辑、神经网络（NN）及分形分析等来解决这个问题。几种方法相比较而言，NN有较高的识别准确率。近年来，关于智能神经网络（ANN）和模块神经网络（MNN）的报道较多，效果也很好。但是目前所报道的高识别率都是基于一些理想情况，或是采用设计良好的局放源，或是没有干扰。考虑到复杂的现场状况、局放的统计本性及各种局放模式相似性很强等因素，NN的实际识别效果会受到较大的影响。此外，最近还出现了一种新的识别方法，即比值法。这种方法同时采用两个传感器，一个为环形对称的，一个为非对称的，通过提取两个传感器输出的比值，可以有效地消除噪声并识别出局放源。由于GIS中不同的电磁场分布，比值显示了不同局放源之间明显的差异。增加不对称指数可以使比值间的阈值增大，更便于识别判断，参见图1。相比于常规的局放识别方法，比值法不需要参考相位、先进的数字信号处理及昂贵的噪声滤波器，但需要的传感器数量要多一倍，且制造安装的要求较高。3.4cpw技术在单次击穿前正极性局放时长a正确的状态评估是制定合理的维修策略的前提。但是由于局放与绝缘寿命之间目前还没有明确的定量关系，对于状态的评估更多地是依靠工作人员的经验，这不可避免地会产生误判，造成一些损失。近年来，有学者提出基于局放电流脉冲波形分析（PD-CPWA）的方法，用以评估固体绝缘子的绝缘损坏情况。CPWA技术着重于单个局放电流波形参数的时间转换，如时域波形的上升时间、下降时间和di/dt。实验显示，在击穿前正极性局放急剧增加，且有一些间歇的无局放时间段。最后一个导致击穿的局放可以被成功地识别出来，见图2。4gis局应考虑在线监测中考虑的问题4.1电磁屏蔽功能电磁波在GIS中传播的形式不是单一的，既有横向电磁场波（TEM），又有横向电场波（TE）和横向磁场波（TM)。电磁波在GIS中谐振的模式很复杂，近似可以用传输线模型来研究GIS中的信号变化。近年来，这一方面的研究较多。有学者研究用反射和传输系数来表征每个GIS部件，最终可以计算出UHF传感器的位置，并确保在实验室的环境下5pC的检测灵敏度（对于主要的放电源）。也有学者提出在低频500MHz以下，绝缘子孔上的连接闩有电磁屏蔽的效果；高频500MHz～1.2GHz，由于连接闩的电感和绝缘子孔的电容发生并联谐振，电磁波很容易辐射出来；增加绝缘子的厚度会减弱屏蔽效果，增加电磁波的辐射；1.2GHz以上，由于连接闩的高阻抗，有和没有连接闩的频谱很相似；1.5GHz以上的电磁波主要通过外壳辐射，而不是通常认为的从绝缘子上的孔中辐射到外面。这些研究结论对于用UHF法检测局放来说都很重要。局放是一种电现象，附带产生声音信号，这使声学检测法受到一定的限制。在外壳上可测得的声音信号与原始局放之间有一个很复杂的传递函数，其中包括许多在测试时还不知道的因素。近年来在声学检测法方面的理论研究取得了若干进展，有学者研究指出，GIS中激发声波的机理可以建模为流体结构相互作用的问题。这对于进一步完善声学检测法具有重要的意义。4.2超声压力波的定位对于声学检测法，常用的传感器为加速度传感器和AE传感器。鉴于现场恶劣的工作环境（电磁干扰，腐蚀材料等）及光纤传感器的高灵敏度和高可靠性，近年来有学者研究采用光纤传感器检测GIS中的超声压力波。用于GIS系统中的局放监测时，传感器缠绕在GIS外壳上，可以对SF6中的局放进行定位，据称检测灵敏度可达20pC。这种方法不及UHF法成功，但是可以像AE传感器一样，很容易对局放源进行定位。对于UHF法，为了获得最大的灵敏度应该采用内置传感器，但是对于早期设计制造的GIS，这种方案不可行。为此需要外置的UHF传感器，见图3。可以放置在检查窗口或是连接闩上。外置传感器相比于内置传感器虽然灵敏度要低一些，但却具有更安全、检测方式更灵活的特点，在现场使用中获得了良好的效果。4.3uhf法与gis的配合对于GIS,UHF测量是一种比较灵敏的方法。但是该方法的灵敏度取决于局放源的类型及局放源和传感器之间GIS部件的数量和类型。近年来有研究显示，UHF信号在GIS中传播时的衰减与部件成线性关系，且并不是所有严重的局放源都可以用UHF法检测出来。关于UHF设备灵敏度的验证，英国Strathclyde大学近来提出了一种接触放电方法，不需要SF6气体，并且装置由低电流直流供电，电压低于1kV。试验证明，测试单元的接触放电会产生合适宽带的信号，耦合器能够获得小于5pC的灵敏度。4.4混合气体混合体由于SF6气体泄漏对环境影响严重，近年来绝缘倾向于采用SF6和N2的混合气体。但是这对于GIS中的局放检测又会产生一些新的问题。根据近年的研究，用声学检测法检测时，如果假定SF6中的灵敏