GIS全称气体绝缘组合电器,是电力系统的重要设备.局部放电是其绝缘性能的重要参数,是绝缘劣化的征兆和表现形式。检测GIS局放能发现其内部早期的绝缘缺陷。常用的监测方法是电测法和非电测法,非电测法主要有超声波法和超高频法。 本文介绍超声波法和超高频法。
局部放电产生的原因: GIS中局部放电是一种电气现象。产生局放的主要原因有: ①绝缘体内部存在自由移动的金属颗粒; ②绝缘体内或高压导体存在针装突出物; ③制造原因在绝缘表面可能存在地固定微粒; ④附近存在悬浮电位体或到体健连接点接触不好; ⑤绝缘体内部或者表面存在的气隙,裂纹等 。
超高频法测量原理:在GIS发生局部放电时,伴随着一个很陡地电流脉冲并向周围辐射电磁波。电磁波传播时,不仅以横向电磁波(TEM)形式传波,而且还会建立高次横向电场波(TE)和横向磁场波(TM)。TEM波为非色散波,频率越快衰减越快。TE和TM则只有当信号频率高于截止频率时,电磁波才能传播。GIS的同轴结构相当于一个良好的波导,信号在其内部传播时衰减很小,有利于局放检测。超高频法就是利用传感器接受局部放电所激发的电磁波,并对电磁波进行分析的一种方法。
超声波法测量原理:GIS发生局放时分子间剧烈碰撞并在宏观赏瞬间形成一种压力,产生超声波脉冲,类型包括纵波,横波和表面波。不同的电气设备,环境条件和绝缘状况产生的声波频谱都不相同。GIS中沿SF6气体传播的只有纵波,这种超声纵波以某种速度以球面波的形式向四面传播。由于超声波的波长较短,因此它的方向性较强,从而它的能量较为集中,可以通过设置在外壁的压敏传感器收集超声放电信号并对信号进行分析。 GIS局放超高频信号波头时间仅几个ns,频段在0.3-3GHz,而运行现场主要电磁干扰集中在300MHz以下频段。超高频法使用的传感器有装在GIS内部的电容式探头和外部天线两类。外部天线具有不改变内部电场分布的和不影响密封系统的优点,在国内GIS局放设备中被广泛使。外部天线有双臂平面等角螺旋天线,超宽频带振子天线等。GIS上有很多盆式绝缘子置于法兰之间,使连接法兰之间有宽度几厘米的绝缘缝隙,天线可置于盆式绝缘子处进行测量。 为了避免干扰,滤波器一般选用使用无源高通滤波器。常用的滤波器主要振幅特性较好的切比雪夫高通无源滤波器 。超高频信号的能量集中在频率1GHz左右,根据采样定理需要至少2GHz以上的采样频率。高速数据采集设备价格昂贵是此方法的一大缺点。
GIS发生局放时,其声发射频谱集中在40-200KHz,而设备中电磁噪声和机械震动噪声在45kHz一下,刚好可以避开。因此通常选取超生定位系统通带45-200kHz。根据信号频率大小,确定ADC采样频率在2MHz。 声音信号在SF6气体中的传输速度很低(约140 m/s),信号通过不同物质时传播速率不同,不同的边界材料处还会产生反射,因此信号模式复杂,且高频部分衰减很快。它要求操作人员须有丰富经验或者受过很好的训练,并且长期监测时需要的传感器较多。超声波法常用的传感器为加速度传感器和AE传感器。也有学者研究使用光线传感器检测超声波信号。局放接收装置安放在设备外壳上,声波从方电源传到测量点。由于超声波信号定向型强,当入射角超过26°时信号将发生全反射,传感器不能接受到信号,因此安放传感器要注意角度,让可接受范围覆盖当前监测的对象。
超高频法采集信号和信号分析一般有宽带法和窄带法,前者采集宽频带的数据,观察局部放电发生的频带和幅值判断局放以及产生的原因;后者在局放频带范围内选定某个频率后用频谱分析ZeroSpan模式观察该频率下的时域信号,从而判断局放产生原因。 超高频法进行局放定位大致分为方向定位法和距离定位法。距离定位法对示波器的要求很高(为达到10cm以内的定位准确度,需要高达0.1ns的时间分辨率)。方向定位法简单,但是无法得到具体的位置,只能判断方电源在传感器的左边还是右边。 20世纪90年代以来,模式识别方法开始使用于局放识别,来替代放电图谱的目测法。UHF法进行局放源的识别主要是基于信号的同济特征和相位分析,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)及分行分析来进行。
声学方法是非入侵式的,可对局放源进行定位( 声发射信号的模式识别也使用基于人工神经网络的模式识别方法,重点是特征提取(即放电指纹的获取),将提取得特征作为网络输入,利用已知的放电样本来改变网络中各层神经元的权重来完成,{zh1}固定权重,进行放电识别,常用的有BP网络、自组织特征映射网络、LVQ网络和ART网络等。
一般而言,超高频法从精度上高于超声波法,可达0.5-0.8pc,超声波法约小于2pc,具有较高的可靠性,可以进行放电故障的xx定位。 超声波法的优点是能适应各种放电类型,灵敏度高,应用情况广泛,结构复杂,需要有经验的人员进行操作,如果需要对故障xx定位时,所需要的传感器过多。