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第三章 特高频局部放电检测技术

目 录

第1节 特高频局放检测技术概述 2
1.1 发展历程 2
1.2 技术特点 4
1.2.1 技术优势 4
1.2.2 局限性 5
1.2.3 适用范围 6
1.2.4 技术难点 6
1.3 应用情况 8
1.3.1 国外应用情况 8
1.3.2 国内应用情况 8
第2节 特高频局放检测技术基本原理 10
2.1 特高频局放电磁波信号基本知识 10
2.1 GIS内部电磁波的传播特性 10
2.3 特高频局放检测技术基本原理 12
2.3 特高频局放检测装置组成及原理 13
第3节 特高频局放检测及诊断方法 16
3.1 检测方法 16
3.1.1 操作流程 16
3.1.2 注意事项 18
3.2 诊断方法 19
3.2.1 诊断流程 19
3.2.2 现场常见干扰及排除方法 20
3.2.3 放电缺陷类型识别与诊断 22
3.2.4 放电源定位 25
3.2.5 局部放电严重程度判定 26
第4节 典型案例分析 27
4.1 220kV GIS盆式绝缘子内部气隙缺陷检测 27
4.2 110kV电缆-GIS终端绝缘内部气隙缺陷检测 29
4.3 220kV GIS内部刀闸放电缺陷检测 34
参考文献 39

第1节 特高频局放检测技术概述
1.1 发展历程
电力设备内发生局部放电时的电流脉冲( 上升沿为ns级) 能在内部激励频率高达数GHz的电磁波, 特高频( Ultra High Frequency, UHF) 局部放电检测技术就是经过检测这种电磁波信号实现局部放电检测的目的。特高频法检测频段高( 一般为300M～3000MHz) , 具有抗干扰能力强、 检测灵敏度高等优点, 可用于电力设备局部放电类缺陷的检测、 定位和故障类型识别[[]覃剑. 特高频在电力设备局部放电在线监测中的应用[J]. 电网技术. 1997, 21(6): 33-36.
]。特高频法过去曾被称为”超高频法”。可是按照中华人民共和国无线电频率划分规定, 300MHz~3000MHz频带划分为特高频, 因此该检测方法的正式名称为特高频法。
特高频局部放电检测技术是20世纪80年代初期由英国中央电力局( Central Electricity Generating Board, CEGB) 首先提出来的, 该方法由Scottish Power于1986年最先引进并应用于英国的Torness 420kV的GIS设备上[[]B.M. Pryor. A review of partial discharge monitoring in gas insulated substations[C]. IEE Colloquium on Partial Discharges in Gas Insulated Substations: 1994.
]。Torness电站的多年运行经验验证了该方法的可行性, 并得到了人们的认可。随后UHF法也被用于变压器等其它电力设备的局部放电检测中。经过三十余年的发展, 该方法逐渐成熟, 相关的技术标准也相继形成。期间英国Strathclyde大学、 德国Stuttgart大学、 荷兰Delft大学和日本Nagoya大学的研究工作最为突出[[]钱勇, 黄成军, 江秀臣, 等. 基于特高频法的GIS局部放电在线监测研究现状及展望[J]. 电网技术. (1): 40-43.
]。另外, 英国的Rolls Royce工业电力集团、 QualitrolDMS, 德国的Siemens AG、 Doble-Lemke, 瑞士的ABB, 荷兰的KEMA, 法国的ALSTOM T&D, 日本的Kyushu Institute of Technology、 东京电力、 三菱、 东芝、 日立、 AEPower Systems, 韩国的Power System Diagnosis Tech、 HYOSUNGCorporation, 澳大利亚的New South Wales大学、 Powerlink Queensland Ltd作了大量的基础理论研究与技术开发工作。自20世纪90年代末以来, 国内的西安交通大学、 清华大学、 重庆大学、 华北电力大学、 上海交通大学等高校和公司也开展了大量的研究和推广工作, 取得了一定的研究成果。基本从 以来, UHF局放检测技术在国家电网公司、 南方电网公司等国内电力企业得到了广泛应用, 特别是在气体绝缘金属封闭开关设备( Gas Insulation Switchgear, GIS) 的绝缘缺陷检测中发挥了重要作用。
20世纪90年代, 由Judd和Hampton等人对局放电磁波的激励特性及其传播特性做了研究, 对电磁波的表示式进行了推导分析。另外, 还提出采用分析电磁场的有限时域差分(FDTD)方法对GIS 局放的激励特性进行仿真分析。德国Stuttgart大学的Kurrer和Feser等研究人员采用脉冲电流法、 超声波法和UHF法对GIS中局放进行检测研究, 对电磁波在GIS腔体内传播衰减情况进行了研究。日本大阪大学的Kawada和东京电力公司的Okabe等人对GIS内电磁波的激励和传播特性以及采用UHF方法对其进行检测做了很多细致的仿真和研究工作。荷兰Delft理工大学的Gulski和Meijer等学者采用并对比了脉冲电流法、 UHF窄带以及宽带法检测局放的结果, 指出能够经过分析检测到的局放信号, 对GIS设备进行风险评估。上世纪90年代以来, 以英国DMS公司为代表的特高频局放检测仪器制造企业成功研制了便携式检测装置, 并得到了广泛应用。国内的一些仪器制造企业于 以来将该技术引入国内, 开始研制、 开发特高频局放检测装置, 并投入商业运行, 但整体性能尚不及国外水平。
上海交通大学智能输配电研究所的江秀臣、 钱勇等学者系统深入地研究了GIS设备局放的基本特征, 并结合新型传感器技术和数字信号处理技术, 开发出基于UHF和超声传感器的局放在线检测、 定位和故障诊断设备。经过大量的模拟试验和现场检测, 收集了大量的现场数据, 积累了丰富的局部放电检测经验, 在局部放电定位、 局放脉冲提取、 放电类型识别以及放电量估计方面逐步形成了自己独特的经验和知识, 并取得了良好的使用效果[[]黄成军, 郁惟镛. 基于小波分解的自适应滤波算法在抑制局部放电窄带周期干扰中的应用 [J]. 中国电机工程学报, , 23(1): 107-111.
-][[]肖燕, 黄成军, 江秀臣等. 波形匹配追踪算法在多局放脉冲提取中的应用[J]. 中国电机工程学报, , 25(11): 157-162.
][[]钱勇, 黄成军, 江秀臣等. 多小波消噪算法在局部放电检测中的应用[J]. 中国电机工程学报, , 27(6): 89-95.
][[]HuijuanHou, Gehao Sheng, Xiuchen Jiang, et al. Robust Time Delay Estimation Method for Locating UHF Signals of Partial Discharge in Substation [J]. IEEE Trans. on Power Delivery, , 28(3): 1960-1968.
]。
西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室的邱毓昌和王建生等人对特高频传感器进行了研究, 并采用网络分析仪对其频率响应特性进行测量, 具有良好的频率响应特性, 实测带宽可达3GHz。研制了GIS局放特高频检测系统装置, 并在实验室GIS内模拟故障缺陷, 经过对特高频局放测量系统进行试验, 表明检测效果良好[[]王建生, 邱毓昌. 气体绝缘开关设备中局部放电的在线监测技术[J]. 电工电能新技术, , 19(4): 44-48.
]。
清华大学电机系刘卫东、 钱家骊等学者从1986年获得机械工业部七五公关项目—GIS内部故障检测开始, 进行了GIS局放监测和诊断的技术研究。1994年, 最早提出了基于体外特高频传感的GIS局放在线监测方法, 并于1995年开发出应用装置, 至今已在国内外数十家电力企业和电力设备制造企业得到应用, 多次发现了放电并进行了定位[[]刘卫东, 钱家骊, 黄瑜珑. GIS局部放电特高频(UHF)在线检测定位装置[J]. 华通技术, , (2): 18-21.
,][[]钱家骊, 刘卫东, 金立军. GIS局部放电监测诊断技术的研究[J]. 华通技术, , (1): 19-22.
]。但该装置对采集的放电信号如何进行分析处理, 进而进行模式分类判断问题, 尚无法给出定论。
华北电力大学高电压与电磁兼容实验室李成榕等学者对UHF传感器进行了研究, 在实验室设计了用于模拟GIS内部局放的各种绝缘缺陷模型并进行局放检测试验。采用FDTD法对GIS 局放传播特性进行了分析, 开发出一系列在线监测装置, 既能够对GIS进行在线监测, 也能固定安装进行长期监测, 并可实现对局部放电源的定位[[]李信, 李成榕, 李亚莎,等. 有限时域差分法对GIS局部放电传播的分析[J]. 中国电机工程学报, , 25(17): 150-155.
]。
重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室孙才新、 唐炬等学者对UHF传感器模型和性能做了大量研究, 研制了圆板和圆环两种内置传感器以及用于局放在线监测的高频微电流传感器, 分析了它们的频率响应特性以及输入输出特性。研制出一套GIS 局放在线监测装置, 已成功运行于某220kV的GIS变电站[[]唐炬, 许高峰, 孙才新,等 GIS局部放电两种内置传感器响应特性分析[J]. 高电压技术, , 29(2): 29-31.
]。
UHF局放检测技术下一步的研究与应用工作主要围绕以下几个方面展开:
( 1) 对新型UHF传感器的研究。鉴于国内大量早期设计制造的GIS无法安装内置传感器, 灵敏度高、 抗干扰性能好的外置传感器还有待深入研究。
( 2) 对UHF信号在GIS内外传播特性的研究。鉴于GIS结构及UHF信号传播模式的复杂性, 研究GIS内部和外部UHF信号的传播特性对于完善UHF监测系统具有重要意义。
( 3) 对局放源的识别和定位新方法的研究。应注意选择最优的神经网络结构, 由于局放信号的分散性, 分形分析等新技术可用于识别局放源; 鉴于常规时间差定位法对传感器及分析仪器的高要求, 研究简捷的定位技术也是当务之急。
( 4) 对UHF检测装置的的研究与开发。当前国内UHF检测方法的核心关键技术依然整体落后于国外, 特别是落后于以英国、 韩国等为代表的检测仪器制造水平。这就需要尽快集中国内技术优势, 研究和开发具有国际领先水平的UHF检测装置。
1.2 技术特点
1.2.1 技术优势
当前局部放电检测手段主要有脉冲电流法、 特高频法、 超声波法、 化学法以及光学法。脉冲电流法是局部放电最成熟可靠的检测方法, 灵敏度高, 可定量分析, 可是其缺点是不能定位, 且不能用于运行中的设备; 化学法是利用放电使绝缘介质发生分解, 经过检测这些分解产物含量来判断是否存在放电及放电量大小, 包括充油设备中成熟应用的气相色谱法, 以及SF6开关设备中的气体分解产物法。可是SF6分解产物法由于SF6气体自身复合力强, 且气室内有吸附剂存在, 以及GIS设备中往往多个气室互通等因素存在, 灵敏度较低。光学法需安装多个传感器, 不能用于设备内部放电检测。特高频法具有以下技术特点:
( 1) 检测灵敏度高。局部放电产生的特高频电磁波信号在GIS中传播时衰减较小, 如果不计绝缘子等处的影响, 1GHz的特高频电磁波信号在GIS直线筒中衰减仅为3～5dB/km。而且由于电磁波在GIS中绝缘子等不连续处反射, 还会在GIS腔体中引起谐振, 使局部放电信号振荡时间加长, 便于检测。因此, 特高频法能具有很高的灵敏度。另外, 与超声波检测法相比, 其检测有效范围要大得多, 实现在线监测需要的传感器数目较少。
( 2) 现场抗低频电晕干扰能力较强。由于电力设备运行现场存在着大量的电磁干扰, 给局部放电检测带来了一定的难度。高压线路与设备在空气中的电晕放电干扰是现场最为常见的干扰, 其放电产生的电磁波频率主要在200MHz以下。特高频法的检测频段一般为300M～3000MHz, 有效的避开了现场电晕等干扰, 因此具有较强的抗干扰能力。
( 3) 可实现局部放电源定位。局部放电产生的电磁波信号在气体中传播近似为光速, 其到达各特高频传感器的时间与其传播距离直接相关, 因此, 可根据特高频电磁波信号到达不同传感器时间的先后, 判断信号源的方向, 或利用电磁波到达气室两侧两个传感器的时间差以及两个传感器之间的距离, 计算出局部放电源的具体位置, 实现绝缘缺陷定位。为GIS等设备的维修计划制订、 提高检修工作效率提供了有力的支持。
( 4) 利于绝缘缺陷类型识别。不同类型绝缘缺陷的局部放电所产生的特高频信号的脉冲幅值、 数量、 相位分布、 频谱不同, 具有不同的谱图特征, 可根据这些特点判断绝缘缺陷类型, 实现绝缘缺陷类型诊断。
1.2.2 局限性
同时, UHF局放检测技术也具有一定的局限性, 主要体现在以下几个方面:
( 1) 容易受到环境中特高频电磁干扰的影响。由于UHF局放检测技术的检测频率范围为300M～3000MHz, 在如此宽的频带范围内可能存在手机信号、 雷达信号、 电机碳刷火花干扰等环境电磁干扰信号, 在超高压敞开式变电站内也存在着较强的电磁干扰信号。这些干扰信号可能会造成对UHF检测的干扰, 从而影响到检测的准确性。
( 2) 外置式传感器对全金属封闭的电力设备无法实施检测。对带金属法兰屏蔽环的GIS、 全金属封闭的变压器等电力设备, 内部局部放电激发的电磁波无法传播出来, 也就无法应用外置式UHF检测技术实施检测, 特别是对已经运行的该存量设备特别如此。
( 3) 尚未实现缺陷劣化程度的量化描述。当前国内外尚没有该检测技术、 检测装置的技术标准, 同时受到电磁波信号传播路径、 缺陷放电类型差异等因素的影响, 虽然其检测信号幅值与缺陷劣化程度在趋势上基本具有一致性, 但尚不能实现与脉冲电流法类似的缺陷劣化程度的准确量化描述。
1.2.3 适用范围
UHF法的适用范围主要取决于该技术方法的检测原理, 即只有电力设备内部局放激发的电磁波能够传播出来并被检测到, 该方法即可用。UHF法在各种电力设备的现场应用中, 以GIS中的局部放电检测效果最好, 当前已是国际上对GIS设备普遍采用的状态检测技术, 能够达到相当于几个pC的检测灵敏度。当前特高频法现场应用较多的有在线监测, 也有带电检测, 检测设备对象包括GIS、 变压器、 电缆附件、 开关柜等, 多数采用外置式传感器检测。而内置式传感器检测主要用于GIS、 电力变压器等关键设备。
采用预先设置的内置式传感器实现电力设备的状态检测, 可灵活进行带电检测, 也可组成在线监测系统, 必将成为一个趋势。在国家电网公司 修订的十八项电网重大反事故措施中, 明确规定了新建的220kV以上GIS设备应内置特高频传感器。
1.2.4 技术难点
UHF法本身具有检测灵敏度高、 现场抗干扰能力强、 可实现局部放电在线定位和利于绝缘缺陷类型识别等优点。与此同时, UHF法在实际应用过程中依然有一些问题未得到解决, 技术难点主要体现在以下几个方面。
( 1) UHF传感器技术。这是UHF局部放电检测技术的关键, 按其安装位置可分为内置传感器和外置传感器。外置式传感器使用和维护方便, 尺寸和机械性能要求较低, 成本低, 能用于无法或难以安装内置传感器的老式电力设备。但由于电磁信号的衰减, 以及传感器直接暴露在外界空间中受到的电磁干扰, 外置式传感器的灵敏度相对较低、 抗干扰能力相对较弱。相比较下, 内置式传感器灵敏度高、 抗干扰能力强, 可是制作和安装的成本也更高, 一般在设备生产时直接安装在内部。内置式传感器的结构不但和灵敏度有关, 还受到工作环境和安装方式的影响。合适的内置式传感器应该在不影响电力设备结构和内部场强分布的前提下, 实现带宽为300M～3000MHz的局部放电信号检测, 并具有足够的灵敏度和抗干扰能力[[] M.D. Judd, L. Yang, I. Hunter. Partial discharge monitoring for power transformers using UHF sensors Part 1: Sensors and signal interpretation[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine. , 21(2): 5-14.
]。
( 2) 抗干扰和放电源定位问题。干扰信号的排除和放电源的定位往往是同时进行的。实际检测中需要综合应用时差法、 幅值比较法、 方向性、 三维定位法、 特征谱图识别等方法进行分析, 实现抗干扰和放电源定位的目的。由于干扰的种类是多样的, 表现出的特性也不同, 找出一种有效的方法来抑制所有的干扰是很难的, 因此需要针对不同的干扰源, 采取不同的措施, 综合运用, 达到抗干扰的目的。现场的干扰根据其时域特征的不同, 可分为白噪声干扰、 窄带周期性干扰和脉冲型干扰三类, 而脉冲型干扰又可进一步分为周期型脉冲干扰和随机脉冲干扰。应用UHF方法来采集局部放电信号对一些频率较低的干扰信号能够直接避免, 有可能采集到的干扰信号源及其频率主要有以下几种[[] 胡明友, 谢恒堃, 蒋雄伟, 等. 基于小波变换抑制局部放电监测中平稳性干扰的滤波器的研究[J]. 中国电机工程学报, , 20(1): 37-40.
-][[] X. Ma, C. Zhou, I. J. Kemp. Interpretaion of Wavelet Analysis and Its Application in Partial Discharge Detection [J]. IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, , 9(3): 446-457.
][[] 黄成军, 郁惟镛. 基于小波分解的自适应滤波算法在抑制局部放电窄带周期干扰中的应用 [J]. 中国电机工程学报, , 23(1): 107-111.
]: 手机干扰: 窄带周期性干扰, 频率为900MHz或1.8GHz等; 白噪声: 包括各种随机噪声, 如热噪声、 地网噪声、 配电线路以及继电保护信号线路中由于耦合而进入的各种噪声等。
干扰的抑制一般从干扰源、 干扰途径、 信号后处理三方面来考虑。直接消除干扰源或切断相应的干扰路径是解决干扰问题最有效、 最根本的方法。例如对于因系统设计不当引起的各种噪音, 能够经过改进系统结构、 合理设计电路、 增强屏蔽等加以消除; 提供一点接地, 保证测试回路各部分良好连接, 能够消除接触不良带来的干扰; 清除现场的孤立导体, 能够消除浮动电位物体带来的干扰; 经过电源滤波能够抑制电源带来的干扰; 屏蔽测试仪器, 能够抑制因空间耦合造成干扰。但这些要求详细分析干扰源和干扰途径, 而现场一般不允许改变原有设备的运行方式, 因此在这两方面所能采取的措施总是很有限。而对于经电流传感器耦合进入监测系统的各种干扰, 则需要经过各种信号处理技术加以抑制。
( 3) 缺陷类型诊断和劣化程度评估问题。不同绝缘缺陷所表现出来的局放特征并不相同, 对GIS的损害程度也不同, 要准确了解和掌握缺陷类型性质和特征, 最有效的方法是对获得的局放信号进行模式识别研究[[]周倩, 唐炬, 唐铭, et al. GIS内4种典型缺陷的局部放电特高频数学模型构建[J]. 中国电机工程学报, , 26(8): 99-105.
-][[]成永红, 谢小军, 陈玉, et al. 气体绝缘系统中典型缺陷的超宽频带放电信号的分形分析[J]. 中国电机工程学报, , 24(8): 99-102.
][[]段大鹏. 基于UHF方法的GIS局部放电检测与仿生模式识别[D]. 博士学位论文, 上海交通大学 .
]。然而, 由于现场存在各种各样的干扰, 对采集的局放信号一方面要进行降噪工作, 另一方面局放信号自身所包含的信息与缺陷类型之间的关系尚未完全清楚。如何从检测到的局部放电信号中判断局部放电类型以及GIS的绝缘状况是该技术的难点之一。
1.3 应用情况
1.3.1 国外应用情况
UHF检测技术于20世纪80年代由英国提出, 由于其检测灵敏度高、 抗干扰能力较强的特点, 逐步被各国电网公司认可。当前已在英国、 韩国、 新加坡、 香港等30多个国家和地区广泛应用, 积累了30多年的现场应用经验。在对UHF检测技术进行大量研究工作基础之上, 国外一些研究机构和设备厂商陆续开展了基于UHF技术的局放检测设备的研制, 应用于现场检测并取得了一些现场运行经验。如: ①英国DMS公司于1993年开发出世界上第一套基于UHF检测技术的局放在线监测系统, 该系统经过计算不同检测点收到的局放信号时间差, 能够实现对局放源的定位[[]B.F. Hampton, J.S. Pearson. UHF diagnostics for gas insulated substations[J]. Monitoring Technologies for Plant Insulation, IEE Colloquium on, 1994, 3/1-3/3.

]; ②荷兰Delft理工大学的Meijer和Smit等学者开发了一套基于UHF技术的便携式多目标GIS局放在线检测系统并投入运行; ③瑞士Zurich大学的Neuhold开发出一套结合宽带和窄带的多通道、 实时响应的GIS 局放测量系统, 每个测量通道包括一个低噪声宽带传感器, 带有自动高压暂态保护, 能够用于实验室试验和现场GIS的长期监测, 装置能初步实现对故障源的监测、 定位和识别; ④韩国HYOSUNG Corporation公司开发了一套基于UHF的智能局部放电监测系统(Intelligent Partial Discharge Monitoring, iPDM), 用于监测25.8kV GIS。该系统运用时频变换进行信号降噪, 利用人工神经网络的诊断系统能够正确诊断局放原因, 给出pC-dBm标定关系以及风险评估结果; ⑤日本的AE Power System Corporation公司开发了基于UHF技术的GIS局放检测系统。该系统对比不同类型内置传感器的检测效果, 采用神经网络对故障缺陷进行模式识别, 并给出了系统现场运行经验; ⑥日本的Hitachi Engineering & Services公司开发出一套便携式GIS局放检测系统。该系统具有较高的检测灵敏度, 采用神经网络理论用于缺陷类型识别以及能够对放电源进行定位; ⑦德国Siemens AG公司的Huecker等人开发了一套基于UHF技术的GIS局放检测系统。每套系统带有3个检测单元, 每个单元可接9路UHF传感器, 单元之间采用以太网通信, 后台专家系统带有诊断功能, 能够给出缺陷类型。
1.3.2 国内应用情况
特高频法在各种电力设备的现场应用中, 以GIS中的局部放电检测效果最好, 当前已是国际上对GIS设备普遍采用的状态检测技术, 能够达到相当于几个pC的检测灵敏度。 初, UHF局放检测技术开始引入国内。 起, 经过与新加坡新能源电网公司进行同业对标, 以北京、 上海、 天津为代表的一批国内电网公司率先引进UHF局放检测技术, 开展现场检测应用, 并成功发现了多起GIS内部局部放电案例, 为该技术的推广应用积累了宝贵经验。UHF局放检测技术在 北京奥运会、 上海世博会、 广州亚运会等大型活动的保电工作中发挥了重要作用。
国际电工委员会( IEC) TC42下属工作组正在致力于相关标准IEC 62478的制订工作, 国内相应的标准制订也正在进行中。在国家电网公司 修订的十八项电网重大反事故措施中, 明确规定了新建的220kV以上GIS设备应内置特高频传感器。国家电网公司在引入、 推广UHF局放检测技术方面做了大量卓有成效的工作。 , 在充分总结部分省市电力公司试点应用经验的基础上, 结合状态检修工作的深入开展, 国网电网公司颁布了《电力设备带电检测技术规范( 试行) 》和《电力设备带电检测仪器配置原则( 试行) 》, 首次在国网电网公司范围内统一了UHF局放检测的判据、 周期和仪器配置标准, UHF局放检测技术在国网电网公司范围全面推广。 8月至 2月国家电网公司组织开展了特高频局放检测装置等带电检测仪器的性能检测工作, 首次对国内市场上25款特高频带电检测仪器进行了综合性能的检测工作, 对规范和引导国内仪器开发和制造技术领域起到了积极推动作用。 , 国网电网公司修订了《输变电设备状态检修试验规程》, 正式将UHF局放检测技术列为开关柜设备的常规带电检测试验项目之一; 同年年底, 为进一步规范仪器选型, 指导现场检测应用, 国网电网公司颁布了《特高频局部放电检测仪技术规范》和《GIS特高频局部放电带电测试技术现场应用导则》, 初步建立起完整的UHF局放检测技术标准体系。
自 以来, 国家电网公司先后举办了20余期电力设备状态检测技术及技能培训工作, 共培训技术与技能人员3000余人, 其中也包括特高频局放检测技术, 为该技术的推广应用打下了广泛的人员基础。
第2节 特高频局放检测技术基本原理
2.1 特高频局放电磁波信号基本知识
GIS中的局部放电流脉冲具有极陡的上升沿, 其上升时间为ns级, 激发起高达数GHz的电磁波, 在GIS腔体构成的同轴结构中传播。由于GIS 的同轴结构, 使得电磁波不但以横向电磁波( 即Transverse Electromagnetic-TEM 波) 传播, 而且会建立高次模波, 即横向电波( Transverse Electric-TE) 和横向磁波( Transverse Magnetic-TM) 。TEM波为非色散波, 它能够任何频率在GIS中传播, 但当频率>100MHz时, 沿传播方向衰减很快; TE和TM波则不同, 它们具有各自的截止频率。与GIS的尺寸有关, GIS截面积愈大, 愈低。若信号频率<时, 信号迅速衰减, 不能传输; 当>时, 信号则基本上可无损耗地传输。同时GIS母线连接腔在UHF波段可视为同轴谐振腔, 电磁波的谐振持续时间一般在数十us级, 最长可在10ms以上。GIS内部有高压导体、 接头、 屏蔽、 盆式绝缘子等部件, 其结构有直筒、 L型分支、 T型分支, 再加上PD发生的位置各不相同。因此, GIS中电磁波的传播与谐振模式非常复杂。
2.1 GIS内部电磁波的传播特性
UHF法检测的对象是局部放电产生的电磁波信号。但由于受GIS结构的影响, 局部放电激励的电磁波信号在GIS中传播到UHF传感器时信号的波形与幅值等参数发生变化, 从而增加了运用检测到的信号对局部放电源信号进行评估的复杂性。因此, 研究局部放电电磁波信号在GIS中的传播特性对UHF法具有非常重要的意义。GIS是同轴传输线, 信号传输特性取决于频率。对工频可用电气集中参数来等值; 瞬态信号时应视为分布参数的传输线; 而对微波则应看作同轴波导。根据分析, 局部放电信号在GIS同轴结构中不但以横向电磁波(TEM)方式传播, 而且会建立高次模波即横向电波(TE)和横向磁波(TM)。另外, 由于GIS中存在支撑绝缘子, 造成其特性阻抗及波阻抗不连续, 使高频波在其中多次折反射, 每节GIS及每个连接腔可视为微波同轴谐振腔, 使局部放电波形十分复杂。
当GIS内部存在局放现象时, 所产生的UHF电磁波能够沿着GIS的管体向远处传播。由于GIS的管体结构类似于波导, UHF电磁波在传播时的衰减比较小, 因此能够传播到较远的距离, 经过在GIS体外的盆式绝缘子处安放天线, 则能够检测到GIS设备内部的UHF局部放电信号。可是GIS波导壁为非理想导体, 电磁波在GIS内部传播过程中会有功率损耗, 因此电磁波的振幅将沿传播方向逐渐衰减。而且GIS中SF6气体将会引起波导体积中的介质损耗, 也会造成波的衰减, 这种衰减比信号在绝缘子处由于反射造成的能量损耗低得多, 一般在进行测量时可不考虑这种衰减。
GIS有许多法兰连接的盆式绝缘子、 拐弯结构和T型接头、 隔离开关及断路器等不连续点, 特高频信号在GIS内传播过程中经过这些结构时, 必然造成衰减, 研究表明, 绝缘子和接头处的反射是造成信号能量损失的主要原因, 绝缘子处衰减2~3dB, T型接头衰减约为8~10dB。
( 1) 电磁波在同轴波导中传播时, TEM波分量衰减很小, 波形基本不变, 传播速度为0.3m/ns。而高次模波的色散效应使得局部放电电磁波信号幅值降低较大且波形发生变化, 但对能量的传播影响很小。
( 2) 电磁波信号经过单个绝缘子时, 绝缘子对信号衰减较大, 信号中700MHz以下的分量衰减较小, 700MHz以上其衰减有随频率升高而增大的趋势。而由绝缘子泄露的电磁波信号衰减更为严重, 特别是1.1GHz以下的分量严重衰减, 相当于高通滤波器的作用。
( 3) 电磁波信号经过GIS各不连续部件时衰减特性的仿真分析结果如表3.1所示。
表3-1 电磁波信号经过GIS中各部件后的衰减特性
部件
参数
电磁波经过多个绝缘子的衰减
电磁波经过L分支后的衰减
电磁波经过T分支后的衰减
第一个绝缘子
第二个绝缘子
第三个绝缘子
直线部分
垂直部分
信号幅值
7.1dB
3.2dB
2.6dB
8.0dB
6.9dB
10.5dB
400MHz低通滤波信号幅值
1.5dB
1.4dB
1.6dB
0.9dB
3.9dB
4.9dB
信号能量
16.9dB
6.6dB
8.5dB
25.1dB
14.9dB
19.1dB
( 4) 多个绝缘子: 局部放电激励的电磁波信号经过第一个绝缘子时由于色散效应、 反射及泄漏等影响, 衰减较大, 达7.9dB。而后电磁波信号经过后面的绝缘子是衰减变得较小。经过6个绝缘子后的信号与发生局部放电的气室中的信号相比只有其10%, 即衰减达20dB。
2.3 特高频局放检测技术基本原理
局部放电检测特高频法的基本原理是经过特高频传感器对电力设备中局部放电时产生的特高频电磁波( 300M～3000MHz) 信号进行检测, 从而获得局部放电的相关信息, 实现局部放电监测。特高频法正是基于电磁波在GIS中的传播特点而发展起来的。它的最大优点是可有效地抑制背景噪声, 如空气电晕等产生的电磁干扰频率一般均较低, 可用宽频法UHF对其进行有效抑制; 而对特高频通信、 广播电视信号, 由于其有固定的中心频率, 因而可用窄频法UHF将其与局部放电信号加以区别。另外, 如果GIS中的传感器分布合理, 那么还可经过不同位置测到的局部放电信号的时延差来对局部放电源进行定位。

图3-1 SF6正极性放电脉冲电流波形

图3-2 特高频检测法基本原理
GIS中局部放电产生持续时间仅为ns级的脉冲电流。比如当高压导体上有针状突出物时, 因SF6气体中负离子释放电子而不需要依靠场致发射电子, 一般会发生脉冲放电, 典型波形如图3-1所示, 其等值频率可＞1GHz, 属于特高频微波波段。根据现场设备情况的不同, 能够采用内置式特高频传感器和外置式特高频传感器, 如图3-2所示为特高频检测法基本原理示意图。当电力设备内部绝缘缺陷发生局部放电时, 激发出的电磁波会透过环氧材料等非金属部件传播出来, 便可经过外置式UHF传感器进行检测。同理, 若采用内置式UHF传感器则可直接从设备内部检测局放激发出来的电磁波信号。
2.3 特高频局放检测装置组成及原理
特高频局部放电检测装置一般由特高频传感器, 信号放大器、 检测仪主机及分析诊断单元组成, 其组成框图见图3-3。特高频传感器负责接收电磁波信号, 并将其转变为电压信号, 再经过信号调理与放大, 由检测仪主机完成信号的A/D转换、 采集及数据处理工作。然后将预处理过的数据经过网线或USB数据线传送至分析诊断单元, 一般为笔记本电脑。电脑上的分析诊断软件将数据进行PRPS( Phase Resolved Pulse Sequence) 、 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 的谱图实时显示, 并可根据设定条件进行存储, 同时可利用谱图库对存储的数字信号进行分析诊断, 给出局部放电缺陷类型诊断结果。另外, 应用高速法波器还能够实现局部放电源定位的功能。

图3-3 特高频局放测试仪组成示意图
根据检测频带的不同可分又为窄带和宽带监测方式。UHF宽带监测系统利用前置的高通滤波器测取300M～3000MHz频率范围内的信号; UHF窄带监测系统则利用频谱分析仪对特定频段信号进行监测, 经过选择合适的中心频率能够有效提高系统抗干扰能力。
特高频局放检测装置一般由下列几部分组成:
( 1) 特高频传感器: 也称为耦合器, 用于传感300M～3000MHz的特高频无线电信号, 其主要由天线、 高通滤波器、 放大器、 耦合器和屏蔽外壳组成, 天线所在面为环氧树脂用于接收放电信号, 其它部分采用金属材料屏蔽, 以防止外部信号干扰。特高频传感器的检测灵敏度常见等效高度H来表征, 单位为mm, 其计算方法为H=U/E, 其中U为传感器输出电压, 单位为V; E为被测电场, 单位为V/mm。
( 2) 信号放大器( 可选) : 一般为宽带带通放大器, 用于传感器输出电压信号的处理和放大。一般信号放大器的性能用幅频特性曲线表征, 一般情况下在其通带范围内放大倍数为17dB以上。
( 3) 检测仪器主机: 接收、 处理耦合器采集到的特高频局部放电信号; 对于电压同步信号的获取方式, 一般采用主机电源同步、 外电源同步以及仪器内部自同步三种方式, 获得与被测设备所施电压同步的正弦电压信号, 用于特征谱图的显示与诊断使用。
( 4) 分析主机( 笔记本电脑) : 安装专门的局放数据处理及分析诊断软件, 对采集的数据进行处理, 识别放电类型, 判断放电强度;
( 5) 数据处理方式。由于放电类型分析一般是由局放信号的峰值和时域工频相位所决定的。为了获得特高频信号峰值, 采集装置需要很高的采样率, 而且需要记录大量的数据, 可是巨大的信息量难以实时处理, 而利用检波器能够很好的解决这个问题。它从高频载波信号中取出低频调制信号, 将特高频成分滤除, 而仅保留信号的幅值和相位信息, 这就大大减少了数据量, 实现了放电类型分析。可是检波后的波形发生了变化, 无法根据检波的信号利用时差法进行定位, 因此, 检波器一般都装在特高频局部放电分析仪主机内部, 而不装在传感器内部。而有的放大器具备两路信号输出功能, 即未经检波器处理的原始信号以及检波器输出信号。
( 6) 特征谱图表征方式。特高频信号显示除基本的时域波形信号分析外, 常见的有PRPS和PRPD两种分析谱图。PRPS即脉冲序列相位分布谱图( Phase Resolved Pulse Sequence) , 它是一种实时三维图, 一般情况下x轴表示相位, y轴表示信号周期数量, z轴表示信号强度或幅值。PRPS谱图是UHF法局部放电类型识别最主要的分析谱图, 见图3-4所示。

图3-4 PRPS分析谱图
PRPD谱图是指局部放电相位分布谱图(Phase Resolved