GIS局部放電檢測中特高頻法與超聲波法靈敏度的對比研究

1、第27卷第3期2010年6月現(xiàn) 代 電 力M oder n Electr ic P ow erV ol 27 N o 3June 2010文章編號:1007 2322(201003 0031 06文獻標識碼:AGIS 局部放電檢測中特高頻法與超聲波法靈敏度的對比研究吳張建1,2,李成榕1,齊 波1,郝 震1,耿弼博1(1 華北電力大學高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室,北京 102206;2 華北電網(wǎng)有限公司,北京 100045Partial Discharge Detection for GIS:A Comparison of Sensitivity BetweenUHF and Ultras

2、onic MethodsWu Zhang jian 1,2,Li Chengrong 1,Qi Bo 1,H ao Zhen 1,Geng Bibo1(1.Beijing Key Labor ator y o f High V oltage &EM C,N orth China Electric Pow er U niv ersity ,Beijing 102206,China;2.No rth China Gr id Com pany L imited,Beijing 100045,China基金項目:北京市教委實驗室共建項目(2007摘 要:為對特高頻法和超聲波法在GIS 設備局部

3、放電檢測中的靈敏度進行對比,以實際的GIS 設備為基礎,建立了一套220kV GIS 局部放電檢測平臺,模擬了實際中較為常見的5類放電缺陷,利用特高頻法和超聲波法對5類缺陷在不同電壓下的局部放電同時進行了測量,并對兩者獲得的起始放電電壓、平均視在放電量、放電次數(shù)和放電幅值進行了比較。試驗結(jié)果表明:特高頻法對上述5類局部放電的檢測均較為靈敏;超聲波法對GIS 設備中絕緣子表面自由金屬顆粒缺陷、絕緣子表面設備外殼內(nèi)側(cè)金屬尖刺缺陷以及高壓導體接觸不良缺陷引起的局部放電的檢測較為靈敏,但與特高頻檢測法相比,靈敏度仍然略低。因此建議以特高頻作為GIS 設備內(nèi)部缺陷檢測和診斷的主要手段,超聲波法為輔助檢測

4、手段。關(guān)鍵詞:氣體絕緣變電站;局部放電;特高頻法;超聲波法Abstract:To compare sensitivity of partial discharge detec tion for GIS between UHF and ultrasonic method,a partial discharge detection platform f or 220kV GIS is built based on real GIS equipment.Five cases of partial defect (PDdis charges are simulated,and their values

5、 under diff erent volt age level are m easured by using of UHF and ultrasonic meth od.At the same time,such values as initial discharge volt age,average apparent discharge magnitude,discharge times and discharge amplitude,are com pared.It can be seen f rom results that,1U HF m ethod show higher sens

6、itivity in de tecting the five types of partial discharges;2ultrasonic method is sensitive in detecting partial discharges caused by f ree metallic particles on insulator,mental sharps on inner shell of insulator,and f loating electrode on high voltage conductors,but its sensitivity is low er than t

7、hat of U HF method.Therefore,it is suggest ed that UHF should be used as major method to detect and diagnose inner defect in GIS,and ultrasonic method as assist detect measure.Key words:gas insulated substation (GIS;partial dis charge;UH F;ultrasonic0 引 言氣體絕緣組合電器(GIS因具有占地面積小、維護工作量少、絕緣性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點被廣泛

8、應用于高壓輸電領域。隨著電網(wǎng)電壓等級和系統(tǒng)容量的不斷增加,GIS 設備的內(nèi)部故障也隨之增多1,因此尋找有效評估GIS 內(nèi)部狀態(tài)的方法尤為重要,目前國際上主要通過局部放電的檢測得以實現(xiàn)2-3。局部放電不僅是GIS 設備絕緣劣化的先兆和表現(xiàn)形式,而且能夠引起絕緣的進一步劣化,致使GIS 的電氣絕緣性能降低,最終導致絕緣擊穿或沿面閃絡4-6。常見的GIS 設備局部放電檢測方法有:常規(guī)脈沖電流法7、特高頻(U H F法8、超聲波法9等。脈沖電流法的應用時間較長,有國際標準IEC 60270來規(guī)范其檢測回路、標定方法和試驗程序等,可以獲得視在放電量,但是抗干擾性較差,信噪比低,難以實現(xiàn)在線檢測。特高頻法

9、利用局部放電輻射出的特高頻電磁波信號進行檢測,有效地避開了實際應用中常見的電磁干擾,抗干擾能力較強,檢測效率較高,并可實現(xiàn)在線監(jiān)測、模式識別及故障定位,但是放電量難以標定。超聲波法是利用安裝在GIS 設備外殼上的超聲波傳感器接收局部放電產(chǎn)生的振動信號以達到檢測內(nèi)部局部放電的目的,傳感器與待測設備的電氣回路無任何聯(lián)系,抗電磁干擾能力較強,并可實現(xiàn)局部放電的故障定位,但也存在放電量難以標定、信噪比低、抗振動干擾性較差以及檢測效率較低等不足。近年來,特高頻法和超聲波法由于良好的抗干擾性,已經(jīng)在GIS 設備局部放電的檢測中得到了廣泛應用。然而,目前大多數(shù)的研究只專注于特高頻法或超聲波法,關(guān)于兩種方法檢

10、測GIS 局部放電的對比研究較少。因此,本文以實際的GIS 設備為基礎,建立了能夠進行特高頻法和超聲波法對比的220kVGIS 局部放電檢測平臺,模擬了實際中經(jīng)常出現(xiàn)的5種GIS 放電缺陷,對這兩種GIS 設備局部放電檢測方法進行了對比試驗研究,以期為特高頻法和超聲波法在GIS 設備局部放電檢測中的實踐應用提供一定的參考。1 試驗平臺1 1 試驗裝置GIS 設備局部放電檢測方法對比的試驗研究不能脫離實際設備的運行情況。如果簡單地以同軸圓柱體進行模擬,則試驗結(jié)果與實際情況可能會有較大差別,因此本文以實際的252kV ZF-16型GIS 設備作為試驗裝置的原型。為了便于利用多種檢測手段對局部放電進

11、行檢測,本文對GIS 腔體進行了重新設計與二次加工,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。圖1 試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖試驗裝置整體呈L 型結(jié)構(gòu),三相分體式設計,包含1個高壓套管、1個非氣隔絕緣子和6個氣隔絕緣子,構(gòu)成8個大小不等的氣室,各氣室中充以0 4MPa 的SF 6氣體作為絕緣介質(zhì),以保證試驗條件與設備實際運行情況相同。其中試驗腔經(jīng)過單獨設計,裝有兩個安裝孔和一個手孔,分別用于特高頻傳感器和超聲波傳感器的安裝以及放電模型的設置。本文的所有試驗均在試驗腔內(nèi)進行。1 2 放電模型GIS 設備的局部放電是由其絕緣缺陷造成的。絕緣缺陷不同,造成局部放電類型也有所不同。本文將經(jīng)常出現(xiàn)的故障因素具體化,并考慮了試驗模

12、擬的難度,共設計了5類放電模型,分別為絕緣子表面固定金屬顆粒、絕緣子表面自由金屬顆粒、設備外殼內(nèi)側(cè)金屬尖刺、高壓電極毛刺和懸浮導體放電故障等。1 2 1 絕緣子表面固定金屬顆粒模型絕緣子表面固定金屬顆粒局部放電的試驗模型為長度5cm 、直徑0 8mm 、平行于電場方向固定放置的單根電料鋁絲,端部位于絕緣子表面3cm 處,如圖2(a所示。1 2 2 絕緣子表面自由金屬顆粒模型由于重力作用以及絕緣子的斜面結(jié)構(gòu),GIS 設備中絕緣子表面的自由金屬顆粒通常位于絕緣子靠近設備外殼的底部,位于絕緣子其它部位的可能性不大。因此絕緣子表面自由金屬顆粒局部放電的試驗模型為10顆長度為1cm 、直徑為0 8mm

13、和10顆長度為2cm 、直徑0 8mm,位于絕緣子底部雜亂放置的20顆電料鋁絲,如圖2(b所示。1 2 3 設備外殼內(nèi)側(cè)金屬尖刺模型絕緣子表面設備外殼內(nèi)側(cè)金屬尖刺故障是GIS 設備中最為常見也是最為危險的一種地電極故障,絕緣子表面設備外殼內(nèi)側(cè)金屬尖刺局部放電的試驗模型為長度2cm 、直徑0 8mm 位于絕緣子底部且末端與GIS 設備外殼相連接的1顆電料鋁絲,如圖2(c所示。1 2 4 高壓電極毛刺模型高壓電極與絕緣子以及SF 6氣體的交界面處是GIS 設備中最易發(fā)生故障的部位。不論具體故障的原因如何,最終的表現(xiàn)形式一般為交界面處的絕緣子表面出現(xiàn)絕緣性能較差的細枝狀放電通道,但此時絕緣能力尚未完

14、全喪失,沿面閃絡尚未發(fā)生。因此本文通過在絕緣子表面設置長度2cm 、直徑0 8mm,位于絕緣子頂部且端部與GIS 設備高壓導體相連接的1顆電料鋁絲,來模擬高壓電極毛刺形成的放電通道,由其引發(fā)局部放電,如圖2(d所示。1 2 5 懸浮導體放電故障模型為盡可能模擬GIS 設備故障的實際情況,本文利用試驗腔體內(nèi)部的高壓導體屏蔽罩作為懸浮體來模擬實際GIS 設備的高壓電極接觸不良故障,如32現(xiàn) 代 電 力 2010年圖2(e 所示。圖2 放電模型示意圖1 3 檢測裝置在試驗過程中,分別對視在放電量、特高頻信號、超聲波信號進行同步實時檢測與記錄。1 3 1 視在放電量局部放電的視在放電量采用DST-4型

15、局部放電檢測儀進行檢測,檢測頻帶為40kHz80kH z,采用并聯(lián)測試回路,以保證試驗過程中測量設備的安全,通過實際測試,最小可檢測的視在放電量為4pC 。1 3 2 特高頻信號特高頻(UHF信號的檢測采用特高頻傳感器,工作帶寬300MH z1500MH z,增益40dB,由于UH F 信號目前無法實現(xiàn)視在放電量的標定,因此用檢波信號的幅值來等效描述放電量的大小,單位為V 。特高頻傳感器安裝在試驗腔上安裝孔處,如圖3所示,嵌入式安裝,既提高了特高頻傳感器的靈敏度,又不會改變試驗腔體內(nèi)的電場分布,離放電模型的位置約為31cm 。通過實際測試,本文所采用特高頻傳感器最小可檢測的放電量為2pC 。1

16、 3 3 超聲波信號超聲波信號的檢測采用超聲波傳感器,主要由諧振式探頭與后置寬帶放大器組成,工作帶寬為15kH z 70kH z,諧振頻率為40kH z,增益 為圖3 傳感器安裝位置示意圖40dB 。由于超聲波信號目前也無法實現(xiàn)視在放電量的標定,因此用超聲波信號的幅值來等效描述放電量的大小,單位為V 。超聲波傳感器通過有機硅脂作為耦合劑安裝在試驗腔下安裝孔處,離放電模型的位置約為11cm ,如圖3所示。耦合劑的采用可以提高超聲波傳感器的靈敏度。經(jīng)過實際檢驗測試,本文采用的超聲波傳感器檢測到的背景噪聲有效值為0 00135V 。1 4 試驗回路試驗回路示意圖如圖4所示。C x 為相應的局部放電模

17、型;C o 為150kV 、300pF 高壓電容器,用于耦合C x 放電時產(chǎn)生的脈沖電流信號;Z m 為ZST -4型局部放電檢測儀的檢測阻抗;ICC 為數(shù)據(jù)采集記錄裝置,工頻相位信號、視在放電量、UH F 信號、超聲波信號以及光信號通過ICC 同步采集后保存, 以便進行后期數(shù)據(jù)分析。圖4 試驗回路示意圖2 試驗方法與試驗數(shù)據(jù)分析2 1 試驗方法置入相應的放電模型后將試驗腔體抽真空并充33第3期吳張建等:GIS 局部放電檢測中特高頻法與超聲波法靈敏度的對比研究入0 4M Pa的SF6氣體,試驗中首先慢速升高試驗電壓,直至出現(xiàn)較為穩(wěn)定的放電現(xiàn)象,分別記錄特高頻傳感器檢測到的起始放電電壓U iU以

18、及超聲波傳感器檢測到的起始放電電壓U iA,然后采用逐步升壓法進行局部放電試驗,根據(jù)試驗模型的不同,升壓的步長有所不同,每個電壓的持續(xù)時間均為60min。試驗過程中記錄每種放電模型的平均視在放電量Q ave、U H F傳感器檢測到的放電次數(shù)N U 和平均放電幅值U U ave、超聲波傳感器檢測到的放電次數(shù)N A和平均放電幅值U Aave,以便進行兩種局部放電檢測方法的對比。2 2 試驗結(jié)果分析和比較2 2 1 起始放電電壓此處的起始放電電壓在本文中定義為特高頻傳感器和超聲波傳感器開始檢測到穩(wěn)定的局部放電信號時的外施電壓。在5種放電模型下,特高頻傳感器和超聲波傳感器檢測到的局部放電的起始放電電壓

19、U iU和U iA以及兩者的差值U iA-U iU如表1所示。表1 5種放電模型下的放電起始電壓放電模型U iU/kV U iA/kV(U iU-U iA/kV 固定金屬顆粒61 370 99 6自由金屬顆粒21 023 32 3外殼內(nèi)側(cè)尖刺50 552 62 1高壓電極毛刺54 859 24 4懸浮導體放電18 920 01 1由表1可以看出,絕緣子表面固定金屬顆粒放電模型下兩種檢測手段檢測到的局部放電的起始放電電壓差值最大,因此兩種檢測方法靈敏度的差異最大;高壓電極毛刺次之,外殼內(nèi)側(cè)尖刺、自由金屬顆粒放電模型下起始放電電壓的差值較小;懸浮導體放電的差值最小,因此兩種檢測手段的靈敏度大致相當

20、。2 2 2 不同試驗電壓下的放電特性固定金屬顆粒絕緣子表面固定金屬顆粒放電模型下,外施電壓不同時,平均視在放電量Q ave、特高頻傳感器檢測到的放電次數(shù)N U和平均幅值U Uave、超聲波傳感器檢測到的放電次數(shù)N A和平均幅值U Aave如表2所示。表2 固定金屬顆粒放電模型下的放電特性試驗電壓/kVQ av e/pCU HF法超聲波法N U U Uav e/V N A U Aave/V 61 314 58130530 03600 00134 66 816 69459510 05100 00133 72 239 83090200 0983760 00148 77 649 287264440

21、1078910 00181 83 1139 582315730 12627640 00250 88 5199 625357520 136127320 00373由表2可以看出,視在放電量為14 581pC和16 694pC時,超聲波傳感器檢測到的基本為背景噪聲(小于背景閾值0 00135V,沒有明顯的放電信號出現(xiàn),而特高頻傳感器檢測到了大量的放電信號,這是由于盆式絕緣子表面固定金屬顆粒的放電使得SF6分子間劇烈碰撞并在宏觀上瞬間形成壓力,產(chǎn)生超聲波脈沖,但是超聲波信號在SF6氣體和固體絕緣子中的衰減較大,當所產(chǎn)生的超聲波信號在通過盆式絕緣子和SF6氣體傳輸?shù)匠暡ㄌ筋^的位置時,基本上衰減殆盡,

22、因此通過超聲波探頭檢測到的信號基本上為背景噪聲。對于特高頻信號而言,由于SF6氣體的絕緣強度較高,局部放電產(chǎn)生脈沖的持續(xù)時間很短,由此可以激發(fā)上百兆赫茲的電磁波,GIS設備的金屬同軸腔體結(jié)構(gòu)構(gòu)成良好的波導和屏蔽,非常有利于這種電磁波的傳播,并且對外界干擾信號起到較好的屏蔽作用,因此由UH F傳感器檢測局部放電信號的靈敏度均比較高。當外施電壓為72 2kV時,超聲波傳感器開始檢測到局部放電信號,但較為微弱,此時的平均視在放電量為39 830pC;外施電壓為88 5kV時,局部放電較為劇烈,超聲波傳感器檢測到的放電信號的幅值較為明顯,此時的平均視在放電量為199 652pC。因此,對于絕緣子表面固

23、定金屬顆粒引起的局部放電,超聲波法對小幅值的放電不靈敏,檢測靈敏度較低。自由金屬顆粒絕緣子自由固定金屬顆粒放電模型下,外施電壓不同時,平均視在放電量Q ave、特高頻傳感器檢測到的放電次數(shù)N U和平均幅值U U ave、超聲波傳感器檢測到的放電次數(shù)N A和平均幅值U Aave如表3所示。34現(xiàn) 代 電 力 2010年表3 自由金屬顆粒放電模型下的放電特性試驗電壓/kV Q av e/pCU HF法超聲波法N U U Uav e/V N A U Aave/V23 211 68510460 2724620 00153 34 212 29542640 24313390 00159 45 012 56

24、185080 24328010 00166 55 9175 3271847450 608645820 00293 66 8263 3532566650 8211325930 00382 77 6237 4692676350 8501397250 00517 88 5237 0642806131 010* 00588 99 4249 4903065071 0401735270 00733由表3可以看出,當平均視在放電量為11 685pC、12 295pC以及12 561pC時,超聲波傳感器已經(jīng)可以檢測到較為明顯的超聲波信號。這說明GIS設備中,超聲波檢測法對盆式絕緣子表面自由金屬顆粒所引起沿面放

25、電較為敏感,可以檢測此種類型的放電。特高頻傳感器也檢測到較為明顯的放電信號,與超聲波傳感器相比,特高頻傳感器檢測到的放電次數(shù)大大多于超聲波傳感器檢測到的放電次數(shù),因此,超聲波檢測法對GIS設備中盆式絕緣子表面自由金屬顆粒所引起局部放電較為敏感,可以檢測此種類型的放電,但靈敏度比特高頻檢測法略低。結(jié)合局部放電起始電壓的測量數(shù)據(jù),本文采用的超聲波傳感器的靈敏度仍然小于特高頻傳感器和局部放電檢測儀的靈敏度。!外殼內(nèi)側(cè)金屬尖刺外殼內(nèi)側(cè)金屬尖刺放電模型下,外施電壓不同時,平均視在放電量Q ave、特高頻傳感器檢測到的放電次數(shù)N U和平均幅值U U ave、超聲波傳感器檢測到的放電次數(shù)N A和平均幅值U

26、A ave如表4所示。表4 外殼內(nèi)側(cè)金屬尖刺放電模型下的放電特性試驗電壓/kV Q av e/pCU HF法超聲波法N U U Uav e/V N A U Aave/V52 915 390105570 04429510 00157 58 121 689130270 06456550 00166 63 525 963166180 07593830 00171 68 932 947198520 087120410 0018 74 462 381245940 103108250 00199 79 881 928280740 118155890 00236 85 3185 555313420 1291

27、06180 0029 90 7249 655346720 143115290 00374 由表4可以看出,外施電壓為52 9kV時,平均視在放電量僅為15 390pC,但此時超聲波傳感器輸出的平均有效值為0 00157V,大于超聲波傳感器的檢測閾值0 00135V,已經(jīng)檢測到較為明顯的局部放電的存在。當外施電壓為58 1kV和63 5kV時,平均視在放電量也僅有21 689pC和25 963pC,超聲波傳感器輸出的平均有效值分別為0 00166V和0 00171V,也檢測到了有效的放電信號。因此,超聲波檢測法對盆式絕緣子表面設備外殼內(nèi)側(cè)金屬尖刺故障的導致局部放電較為敏感,這是由于金屬尖刺末端與

28、GIS設備外殼相連,而伴隨金屬尖刺端部局部放電產(chǎn)生的超聲波信號在金屬中的衰減較小所致,因此超聲波檢測法可以檢測此種類型的局部放電,但靈敏度比特高頻檢測法略低。高壓電極毛刺高壓電極毛刺放電模型下,外施電壓不同時,平均視在放電量Q ave、特高頻傳感器檢測到的放電次數(shù)N U和平均幅值U U ave、超聲波傳感器檢測到的放電次數(shù)N A和平均幅值U A ave如表5所示。表5 高壓電極毛刺放電模型下的放電特性試驗電壓/kVQ av e/pCU HF法超聲波法N U U Uav e/V N A U Aave/V 55 926 38629290 15400 00128 59 224 451103360 1

29、6012450 00139 62 427 238160290 14460810 00149 65 730 245220900 127116970 00157 68 931 094236540 139132280 00165 72 243 784237210 157148210 00181由表5可以看出,當外施電壓為55 9kV時,平均視在放電量為26 386pC,此時超聲波信號的平均有效值較小,僅為0 00128V,小于超聲波傳感器的檢測閾值,因此超聲波傳感器沒有檢測到有效的放電信號,但此時特高頻傳感器仍然可以檢測到大量有效的放電信號。當外施電壓為59 2kV 時,超聲波傳感器開始檢測到局部放

30、電所產(chǎn)生的超聲波信號,但幅值較為微弱,僅為0 00139V。這是由于局部放電產(chǎn)生的超聲波信號在SF6氣體和固體絕緣子中的衰減較大所致。因此,結(jié)合表1中局部放電起始電壓的測量數(shù)據(jù),超聲波檢測法對GIS35第3期吳張建等:GIS局部放電檢測中特高頻法與超聲波法靈敏度的對比研究36 現(xiàn) 代 電 力 2010 年 設備盆式絕緣子表面高壓電極毛刺所引起局部放電 不敏感, 靈敏度比較低。 # 懸浮導體放電 懸浮導體放電模型下, 外施電壓不同時, 平均 視在放電量 Qave 、特高頻傳感器檢測到的放電次數(shù) N U 和平均幅值 U U ave 、超聲波傳感器檢測到的放電 次數(shù) N A 和平均幅值 U Aave

31、 如表 6 所示。 表 6 懸浮導體放電模型下的放電特性 試驗電 壓/ kV 20 0 36 3 52 6 68 9 85 3 U HF 法 Qav e / pC NU 4 550 283 6 478 709 13 234 66 14 997 11 15 934 06 549 2 654 1 613 2 101 2 102 2 356 UUav e / V 2 298 2 432 12 2 831 96 2 831 63 2 903 5 2 880 32 NA 539 2 606 1 608 2 082 2 099 2 347 U Aave / V 0 001 51 0 006 46 0 01

32、1 23 0 020 41 0 027 36 0 046 60 超聲波法 高壓導體接觸不良缺陷引起的局部放電的檢測較為 靈敏, 但與特高頻檢測法相比, 靈敏度仍然略低。 參 1 考 文 獻 CIG RE Wo rking G ro up 33/ 32- 12. Insulation coo r dination o f G IS: r etur n o f experience, o n site tests and diag no st ic techniques J . Electra, 1998, 176 ( 2 : 67- 95. 2 Phil Bolin, Hermann K och

33、. Introduction and applica tions of gas insulated substation ( GIS C . IEEE P ower Engineering Society General M eeting . San Fran cisco, CA , U nited States: IEEE, 2005: 920- 926. 3 李繼 勝, 趙學風, 楊景剛, 等. G IS 典 型缺陷 局部 放電測量與分 析 J . 高電壓技 術(shù), 2009, 35( 10 : 2440- 2445. 4 I EEE Substat ions Co mmittee Wo r

34、king Gr oup K 4. P artial discharg e testing of g as insulated substatio ns J . I EEE T r ans. on Po wer Deliver y, 1992, 7( 2 : 499- 506. 101 6 16 005 28 5 Baumg art ner R, F ruth B, L onz W, et al. Partial dis charge Part X: PD in g as insulated substations meas urement and practical considerations J . IEEE Electri cal Insulation, 1992, 8( 1 : 16- 27. 由表 6 可以看出, 當外施電壓為 20 0kV 時, 超聲波和特高頻傳感器都已