GIS局部放電超聲波信號(hào)特征的實(shí)驗(yàn)研究

1、GIS局部放電超聲波信號(hào)特征的試驗(yàn)研究楊圓 李成榕 鄭書(shū)生華北電力大學(xué)摘要 GIS局部放電檢測(cè)是診斷GIS 絕緣故障的有效方法。本文利用超聲波法對(duì)GIS 中的各種典型局部放電進(jìn)行了研究。建立了GIS 局部放電模擬測(cè)試系統(tǒng),包括局部放電模擬系統(tǒng)、超聲波測(cè)量系統(tǒng)和常規(guī)局部放電測(cè)量系統(tǒng)。著重模擬研究了四種典型的局部放電信號(hào),包括GIS 內(nèi)金屬顆粒群、高電位接觸不良、地電位接觸不良、高壓尖刺。并在試驗(yàn)基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)、分析不同類(lèi)型局部放電的超聲波信號(hào)和特高頻信號(hào)發(fā)生發(fā)展規(guī)律,得出信號(hào)統(tǒng)計(jì)譜圖。包括:N-譜圖和Umax-譜圖。試驗(yàn)結(jié)果表明低頻超聲波傳感器可以監(jiān)測(cè)到這四種局部放電信號(hào),信號(hào)統(tǒng)計(jì)譜圖顯示不同模型的

2、超聲波信號(hào)表現(xiàn)出了不同特征,這些研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)局部放電的模式識(shí)別提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞 局部放電;GIS 超聲波;N-譜圖;Umax-譜圖1 引言封閉式組合電器(GIS是指將斷路器、隔離開(kāi)關(guān)及接地開(kāi)關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、引線套管或電纜終端盒等各元件的高壓帶電部位,封閉在充有SF6氣體的接地金屬外殼中1。GIS非常緊湊的結(jié)構(gòu)使整個(gè)裝置的占地面積大為縮小,且運(yùn)行時(shí)不受外界環(huán)境的影響,配置靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高,檢修周期長(zhǎng),已廣泛應(yīng)用于高壓輸變電系統(tǒng)中。隨著電力系統(tǒng)向超高壓、高可靠性和緊湊性發(fā)展,GIS 已成為今后的主要方向23。盡管GIS具有很高的安全可靠性,但在實(shí)際運(yùn)行中仍

3、不可避免的會(huì)有各種類(lèi)型的故障發(fā)生。GIS內(nèi)部由于制造時(shí)出現(xiàn)毛刺、安裝運(yùn)輸時(shí)部件松動(dòng)或接觸不良引起浮電位,運(yùn)行中出現(xiàn)絕緣老化、內(nèi)部有自由金屬顆粒等原因,有可能出現(xiàn)顯著的局部放電。長(zhǎng)期的局部放電使絕緣的劣化損傷局部擴(kuò)大,甚至可使整個(gè)絕緣擊穿或沿表面閃絡(luò)。這種故障可使運(yùn)行中的設(shè)備出現(xiàn)故障出現(xiàn)停電,而且,GIS內(nèi)部SF6氣體壓力很高,一旦發(fā)生事故,不僅對(duì)其本身,對(duì)其周邊設(shè)備也會(huì)造成損害,進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的安全和可靠運(yùn)行,直接損失和間接損失相當(dāng)嚴(yán)重。 2 GIS局部放電研究現(xiàn)狀在超聲學(xué)中,振動(dòng)是形成超聲波的主要原因。在產(chǎn)生局部放電時(shí),脈沖力將要施加到周?chē)牧仙?通常這些材料是有彈性的,將要產(chǎn)生振動(dòng),生成

4、超聲波。將超聲波傳感器安裝在電力設(shè)備外殼上檢測(cè)局部放電產(chǎn)生聲信號(hào)的方法稱為超聲波檢測(cè)法。在GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí),將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷的中和過(guò)程,相應(yīng)的會(huì)有一個(gè)較陡的電流脈沖,電流脈沖的作用使得局部放電發(fā)生的局部區(qū)域瞬間受熱而膨脹,形成一種類(lèi)似“爆炸”的效果,放電結(jié)束后原來(lái)因?yàn)槭軣岫蛎浀木植繀^(qū)域恢復(fù)到原來(lái)的體積。這種由于局部放電產(chǎn)生的一脹一縮的體積變化引起了介質(zhì)的疏密瞬間變化,形成超聲波,從局部放電點(diǎn)以球面波的方式向四周傳播,并在金屬外殼上出現(xiàn)各種聲波,如縱波、橫波和表面波等。我們可以通過(guò)分析獲取的這些超聲波信號(hào)來(lái)分析局部放電特征4-8。GIS 絕緣早期故障的主要形式是局部放電, GIS 中各

5、種缺陷所導(dǎo)致的故障在運(yùn)行中的分布情況如圖1-1所示9。局部放電既是絕緣劣化的征兆和表現(xiàn)形式,又是絕緣進(jìn)一步劣化的原因,因此局部放電檢測(cè)能夠有效地發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部早期的 圖1-1 GIS中缺陷分布情況絕緣缺陷,避免其進(jìn)一步發(fā)展。目前,有關(guān)這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用受到日益重視。國(guó)外方面,西門(mén)子公司對(duì)GIS局部放電的超聲波檢測(cè)做過(guò)一定的研究,研究結(jié)果表明GIS 局部放電會(huì)在GIS內(nèi)的SF6氣體中產(chǎn)生超聲波,并在金屬外殼上出現(xiàn)各種聲波,使用超聲波傳感器提取這些信號(hào),可以利用這些信號(hào)分析GIS 局部放電。北京交通大學(xué)的李晨焱等人詳細(xì)比較了GIS 局部放電監(jiān)測(cè)中超聲波法與特高頻法,指出特高頻法從靈敏度上高于超聲

6、波法, 可達(dá)0.5- 0.8pC, 超聲波法約小于2pC, 具有較高的可靠性, 可以進(jìn)行放電故障的精確定位10。雖然GIS超聲傳感技術(shù)的研究已有二十多年的歷史,但始終沒(méi)有達(dá)到良好的使用程度,檢測(cè)靈敏度低和檢測(cè)效率低是其重要的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)GIS超聲波檢測(cè)技術(shù)的研究,尤其對(duì)局部放電的模式識(shí)別的研究還有待深入。3 本文主要工作組建了GIS局部放電模擬系統(tǒng),模擬的故障包括:金屬顆粒群(水平絕緣子上、高電位接觸不良、低電位接觸不良和高壓尖刺。組建了GIS局部放電測(cè)試系統(tǒng)。采用超聲波方法和特高頻方法對(duì)GIS的局部放電進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析各種放電模型下采集到的局部放電信號(hào)數(shù)據(jù),總結(jié)不同放電類(lèi)型的信號(hào)特征

7、,得出各種不同形式局部放電的信號(hào)規(guī)律。其中,重點(diǎn)分析的局放信號(hào)特征包括:放電次數(shù)與放電相位譜圖(N-譜圖:每個(gè)工頻周期被平均分成100個(gè)相位段,統(tǒng)計(jì)各個(gè)相位段內(nèi)的放電次數(shù)、超聲波信號(hào)幅值與放電量關(guān)系(Umax-譜圖:每個(gè)工頻周期被平均分成100個(gè)相位段,統(tǒng)計(jì)各個(gè)相位段內(nèi)放電幅值的最大值。由于不同的局部放電源產(chǎn)生和輻射電磁信號(hào)的機(jī)理和傳播媒介不同,因此不同的局部放電源產(chǎn)生的信號(hào)就會(huì)有不同的特征表現(xiàn),通過(guò)研究不同局部放電類(lèi)型所具有的特征,就可能區(qū)分不同的放電源,以期達(dá)到局部放電檢測(cè)和模式識(shí)別的目的。(1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒏鞣N放電類(lèi)型的試驗(yàn)都是將試品放置在GIS模型中進(jìn)行的,這就要求模型真實(shí),操作方便

8、,并能夠準(zhǔn)確地測(cè)量各種試驗(yàn)結(jié)果。為此,本文設(shè)計(jì)了1:1比例的GIS實(shí)體模型,該實(shí)體模型結(jié)構(gòu)圖如圖3-1,試驗(yàn)電路圖如圖3-2 所示。圖3-1 GIS結(jié)構(gòu)圖(單位:mm 圖3-2GIS試驗(yàn)電路圖(2 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)由超聲傳感器、前置放大器、示波器、GPIB卡、計(jì)算機(jī)組成,其布置情況如圖3-3所示。1 傳感器試驗(yàn)中選用聲華科技公司研制的SR-15高頻諧振式傳感器,這種傳感器檢測(cè)頻帶比較寬,可以在寬頻帶范圍內(nèi)研究局部放電超聲波信號(hào)。SR-15高頻諧振式傳感器靈敏度-頻率特性如圖3-3所示。產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)為:共振頻率:150KHz,10dB帶寬:60 250KHz,靈敏度:>65

9、dB。2 前置放大器本檢測(cè)系統(tǒng)采用聲華公司研制的PAII 型寬帶前置放大器,頻率覆蓋了10kHz 圖3-3 SR-15型傳感器校準(zhǔn)曲線2MHz,增益達(dá)到40dB,最大輸出范圍為14V (峰峰值。SR-15型超聲波探頭的頻率范圍是 50400 KHz,因而系統(tǒng)頻帶是50400 KHz。3 信號(hào)采集裝置如圖3-3所示,經(jīng)前置放大器處理的信號(hào)被傳輸?shù)绞静ㄆ?并通過(guò)GPIB 接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,以便于進(jìn)一步分析處理。示波器采用YOKOGAWA的DL1540L型8位數(shù)字示波器。試驗(yàn)時(shí),單次采樣時(shí)間長(zhǎng)度為一個(gè)工頻周期,即20ms;采樣率為5MS/s。利用常規(guī)局放信號(hào)用以標(biāo)定模型的放電量;觸發(fā)器用以控制信號(hào)

10、采集起始時(shí)刻,使其與試驗(yàn)電壓過(guò)零上升時(shí)刻保持一致,以便于觀察放電信號(hào)的發(fā)生相位。(3 模型設(shè)置與試驗(yàn)方法根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn),最經(jīng)常出現(xiàn)的幾種缺陷是金屬尖刺放電、自由顆粒放電、接觸不良放電。本文所展開(kāi)的試驗(yàn)也是根據(jù)這幾種放電類(lèi)型來(lái)設(shè)定的。1 地電位接觸不良地電位接觸不良是GIS內(nèi)部懸浮放電的一種重要形式,它是由于GIS接地腔體的某些連接部分沒(méi)有可靠連接造成的,可能是起初安裝不完善或運(yùn)行過(guò)程中逐漸發(fā)展造成的。試驗(yàn)中該模型模擬情況如下:在實(shí)驗(yàn)室的GIS垂直腔體內(nèi)部盆式絕緣子上靠近接地金屬外殼處采用一個(gè)M14的螺母造成地電位接觸不良,螺母距GIS外壁約為0.5mm,然后在該腔體中充氣壓為0.4

11、MPa的SF6氣體,逐漸升高電壓,待產(chǎn)生明顯放電后,觸發(fā)各通道采集放電信號(hào)。加壓過(guò)程中,視在放電量約4500pC,模型如圖3-4所示。2 高壓導(dǎo)體上的金屬尖刺高壓導(dǎo)體尖刺是設(shè)備制造或現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中產(chǎn)生的。這種放電是尖板放電類(lèi)型, 屬于極不均勻電場(chǎng),是典型的電暈放電。試圖3-4(左地電位接觸不良圖3-5(右高壓導(dǎo)體上的金屬尖刺驗(yàn)中該模型模擬情況如下:在GIS垂直腔體內(nèi)部高壓導(dǎo)體上,放置具有伸出尖端金屬絲環(huán),以此模擬在施加高電壓的情況下,高壓導(dǎo)體尖刺引起局部放電的模型。高壓導(dǎo)體上的尖刺長(zhǎng)約11cm,導(dǎo)體直徑0.64mm,距離GIS壁為5cm。然后在該腔體中充氣壓為0.4MPa的SF6氣體,逐漸升高

12、電壓,待產(chǎn)生明顯放電后,觸發(fā)各通道采集放電信號(hào)。加壓過(guò)程中,視在放電量約500pC,模型如圖3-5所示。3 高電位接觸不良高電位接觸不良會(huì)產(chǎn)生浮動(dòng)電位體,是設(shè)備制造或現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中高壓導(dǎo)體部分沒(méi)有可靠連接或運(yùn)行過(guò)程中部件松動(dòng)造成的。試驗(yàn)中該模型模擬情況如下:在GIS水平腔體內(nèi)部高壓導(dǎo)體上,以普通細(xì)棉線懸掛一個(gè)M14的螺母,螺母距導(dǎo)體大約0.5mm。然后在該腔體中充氣壓為0.4MPa的SF6氣體,逐漸升高電壓,待產(chǎn)生明顯放電后,觸發(fā)各通道采集放電信號(hào)。加壓過(guò)程中,視在放電量約430 pC。,模型如圖圖3-6 所示。 圖3-6(左高電位接觸不良圖3-7(右絕緣子上的固定顆粒群4 絕緣子上的金屬顆粒

13、群金屬顆粒群是現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的故障類(lèi)型,是設(shè)備制造或現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中引入或運(yùn)行過(guò)程中部件松動(dòng)脫落造成的。試驗(yàn)中該模型模擬情況如下:在GIS垂直腔體內(nèi)部盆式絕緣子上高壓導(dǎo)體和腔體之間,散落放置12根4cm長(zhǎng)、直徑0.86mm的金屬段,金屬顆粒距腔體內(nèi)壁大約1cm。然后在該腔體中充氣壓為0.4MPa 的SF 6氣體,逐漸升高電壓,待產(chǎn)生明顯放電后,觸發(fā)各通道采集放電信號(hào)。模型如圖3-7所示。加壓過(guò)程中,估算視在放電量約360pC。設(shè)置好模型后,將手孔蓋板安裝好,保證密封效果;對(duì)GIS 腔體抽真空、充SF 6氣體,氣壓為0.4MPa。逐級(jí)升高試驗(yàn)電壓,直到局放儀與超聲波同時(shí)檢測(cè)到局放信號(hào);開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。4

14、 試驗(yàn)結(jié)論(1 地電位接觸不良地電位接觸不良引起的局部放電信號(hào)統(tǒng)計(jì)譜圖如下:1-2020406080100120140T h e n u m b e r o f d i s c h a r g e sDischarge phase圖4-1 地電位接觸不良N-譜圖10.250.300.350.400.45D i s c h a r g e a m p l i t u d eD is charge phas e圖4-2 地電位接觸不良Umax-譜圖(2 高壓導(dǎo)體尖刺高壓導(dǎo)體尖刺引起的局部放電信號(hào)統(tǒng)計(jì)譜圖如下:60120180240300360010203040T h e n u m b e r o

15、 f d i s c h a r g e sD isc harge phas e圖4-3 高壓導(dǎo)體尖刺N(yùn)-譜圖612400.020.030.040.050.060.07D s c h a r g e a m p t u d eD is ch arg e ph a s e圖4-4 高壓導(dǎo)體尖刺Umax-譜圖(3 高電位接觸不良高電位接觸不良引起的局部放電信號(hào)統(tǒng)計(jì)譜圖如下:6012018024030036005101520T h e n u m b e r o f d i s c h a r g e sD isc harge phas e圖4-5 高電位接觸不良N-譜圖60120180240300

16、3600.0150.0200.0250.0300.035D i s c h a r g e a m p l i t u d eD is charge phas e圖4-6 高電位接觸不良Umax-譜圖(4 金屬顆粒群金屬顆粒群引起的局部放電信號(hào)統(tǒng)計(jì)譜圖如下:1010203040506070T h e n u m b e r o f d i s c h a r g e sD isc harge phas e圖4-7 金屬顆粒群N-譜圖601201802403003600.0120.0140.0160.0180.020D i s c h a r g e a m p l i t u d eD isc

17、harge phase圖4-8 金屬顆粒群Umax-譜圖5 小結(jié)超聲波信號(hào)隨著超聲波探頭與放電點(diǎn)距離的增加迅速下降,當(dāng)超聲波探頭與放電源的距離大于50cm時(shí),已經(jīng)采集不到放電信號(hào)。高壓尖刺放電是尖板放電類(lèi)型,屬于極不均勻電場(chǎng),是典型的電暈放電,其放電規(guī)律和其余三種信號(hào)的波形有很大區(qū)別,體現(xiàn)在放電主要只發(fā)生在工頻信號(hào)的負(fù)半周。由超聲波測(cè)量系統(tǒng)可以得出四種不同的局部放電模型的各自典型特征,結(jié)合N-譜圖和Umax-譜圖,可知四種放電存在較明顯的區(qū)別,從而可以分辨出放電類(lèi)型,為局部放電的模式識(shí)別提供了試驗(yàn)依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 邱毓昌,GIS 裝置及其絕緣技術(shù),北京:水利電力出版社,19942 SF6 封閉組合電器局部放電檢測(cè)系統(tǒng)研制報(bào)告,河南電力試驗(yàn)研究所,20003 王昌長(zhǎng),李福棋,電力設(shè)備局部放電的在線監(jiān)測(cè),清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用,電子技術(shù)系,19964 張鳴超,王建生,邱毓昌,GIS中局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波及其測(cè)量,高電壓技術(shù),1998年第2期5 苑舜 全封閉組合電器局部放電超聲傳播特性及監(jiān)測(cè)問(wèn)題的研究 中國(guó)電力 1997年第一期 7-116 李燕青,超聲波法檢測(cè)電力變壓器局部放電的研究, 博士論文, 保定, 華北電力大學(xué), 2003 7 袁易全,局部放電超聲特性實(shí)驗(yàn)研究