220kV GIS局部放电在线监测系统方案

２０１１年第１期　总第１４３期　ＭＥＴＡＵ　ＵＲＧＩＣＡＬ　ＰＯＷＥＲ　冶　金　动　力　７　２２０　ｋＶ　ＧＩＳ局部放电在线监测系统方案　周　正，郑建新，李贵珍，卢忠亮　（鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁营口　１　１５００７）　【摘要】介绍了鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司电网２２０　ｋＶ总降压变电站ＧＩＳ设备局部放电在线监测系　统的基本功能配置。针对当前变电站ＧＩＳ设备内部绝缘性故障，提出了新的检测方法和技术要求，并对变电站　ＧＩＳ设备局部放电在线监测系统在运行管理中存在的问题和经验不足进行了分析，并提出了相应的改进措施　和要求，对今后发展前景进行了分析规划。　【关键词】变电站；局部放电；在线监测；盆式绝缘子；超高频检测　【中图分类号】ＴＭ６３　【文献标识码】Ｂ　【文章编号】１００６－６７６４（２０１　１）０１—０００７—０４　Ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｎ－ｌｉｎｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　２２０　ｋＶ　ＧＩＳ　Ｐａｒｔｉａｌ　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ＺＨＯＵ　Ｚｈｅｎｇ，Ｚｈｅｎｇ　Ｊｉａｎｘｉｎ，ＬＩ　Ｇｕｉｚｈｅｎ，ＬＵ　Ｚｈｏｎｇ｜ｉａｎｇ　叼Ⅱ帆Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｕｂｃｏｍｐａｎｙ，Ａｎｓｈａｎ　Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙｉｎｇｋｏｕ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１１５００７，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｎ—ｌｉｎｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ＧＩＳ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｏｆ　２２０　ｋＶ　ｓｔｅｐ－ｄｏｗｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄ　ｏｆ　Ｂａｙｕｑｕａｎ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｕｂｃｏｍｐａｎｙ，Ａｎｓｈａｎ　Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｆａｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＧＩＳ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｔｅｓｔ—　ｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｒａｉｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔａｇｅ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｉｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ＧＩＳ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｏｆｆｅｒｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌ—　ｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ｔｒｎｓａｆｏｒｍｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ；ｐａｒｔｉｌａ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｎ－ｌｉｎｅ；ｂａｓｉｎ－ｔｙｐｅ　ｉｎｓｕｌａ－　ｔｏｒ；ｓｕｐｅｒ—．ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　１概述　近年来，随着鞍钢鲅鱼圈电网建设的发展，ＧＩＳ　变电站的数量不断增加。目前，鞍钢电网所辖区域内　研究表明，ＧＩＳ设备内部故障以绝缘性故障为　多。例如２００８年辽宁省发生的３起（其中有鞍钢　１起）ＧＩＳ设备故障均为绝缘性故障。国内其他省份　亦有类似情况。ＧＩＳ设备的局部放电往往是绝缘性　ＧＩＳ变电站已接近３０座，预计今后几年内还将继续　增加。由于ＧＩＳ设备的运行电压高、空间有限，导致　ＧＩＳ设备的工作场强很高。另一方面，ＧＩＳ设备中绝　缘裕度相对较小，在严格控制的环境条件下，ＧＩＳ设　备中ＳＦ６气体的击穿强度可望达到相当高的水平，　但实际通常只能达到期望值的一半，甚至更低。一旦　故障的先兆和表现形式。一般认为，ＧＩＳ设备中放电　使ＳＦ６气体分解，严重影响电场分布，导致电场畸　变，绝缘材料腐蚀，最终引发绝缘（盆式绝缘子）击　穿。实践证明，开展局部放电检测可以有效避免ＧＩＳ　事故的发生。　ＧＩＳ设备内部出现某种缺陷，极易发生设备故障。随　着ＧＩＳ变电站数量增多，ＧＩＳ设备发生故障几率也　在增加。由于以往我们认为ＧＩＳ设备属于免维护设　备，加之ＧＩＳ变电站数量较少，监测设备故障的手段　和措施相对有限。因此，加强和完善ＧＩＳ设备交接　２　ＧＩＳ设备局部放电检测　２．１　ＧＩＳ设备内部常见缺陷　（１）ＧＩＳ设备中固体绝缘材料内部的缺陷，如　生产工艺过程中残存在盆式绝缘子内部或与导体交　界处的气隙。　（２）ＧＩＳ设备内残留自由导电微粒，如金属碎　屑或金属颗粒这是较为普遍存在的一种缺陷，一般　试验以及ＧＩＳ设备的运行监测，对保障ＧＩＳ设备的　安全运行具有重要意义。　８　冶　金　动　力　ＭＥｒＡＩ，ＬＵＲＧＩＣＡＬ　ＰＯＷＥＲ　２０１１年第１期　是由于厂家制造、安装等原因造成的。　（３）ＧＩＳ设备中的导体表面存在尖端突出物，　如毛刺、尖角等这种缺陷易发生电晕放电，在稳定的　运行电压下一般不会引发绝缘击穿，但在冲击电压　下可能导致绝缘击穿。　（４）ＧＩＳ设备内的导体接触不良等。　上述缺陷往往可以引发ＧＩＳ设备局部放电。　２．２　ＧＩＳ设备内部缺陷产生局部放电的特征　（１）发生在导体周围的电晕放电，由于气体中　的分子是自由移动的，因此ＧＩＳ设备中的电晕放电　过程与空气中的电晕放电相似。　（２）ＧＩＳ设备中绝缘子内部的气隙放电在工频　正负两个半周内基本相同，即正负半周放电指纹基　本对称。放电脉冲一般出现在试验电压幅值绝对值　的上升部分，放电频率依赖于所加电压大小，只有在　放电强烈时，才会扩展到电压绝对值下降部分的相　位上，且每次放电的大小不相等。绝缘子缺陷在出厂　时可能并不出现，但在运输及安装过程中有可能造　成损伤。一些缺陷最初可能无害，只是在机械振动和　静电力作用下可能轻微移动，形成潜在的隐患。　（３）绝缘子表面的缺陷（如污秽等）有助于表　面电荷的增加，可能会形成表面放电，导致绝缘子表　面的绝缘劣化，甚至击穿。　（４）自由导电微粒和固体导体上金属突起放电　的相位分布有着明显不同。这个特征通常可以用来　区分缺陷的类型。ＧＩＳ设备中自由导电微粒有积累　电荷能力，在交流电压作用下，静电力可使导电微粒　在ＧＩＳ筒内跳动，如直立旋转、舞动运动等。这种运　动与放电的出现在很大程度上是随机的，这一过程　与所加电压大小以及微粒的特｝生有关。如果一个跳　动的微粒接近或运动至ＧＩＳ设备中的高场强区时，　伴随产生的局部放电有可能形成导电通道，造成绝　缘击穿。相对而言，ＧＩＳ设备内残留的金属碎屑或金　属颗粒产生的各种效应是最为严重的，因此，金属颗　粒的放电对ＧＩＳ设备的危害相对较大。　３超高频法（ＵＨＦ法）　ＧＩＳ设备中的ＳＦ６气体具有很高的绝缘强度。　研究表明，处于高气压ＳＦ６气体环境中的局部放电，　其放电信号的上升沿及持续时间极短，一般为ｎｓ　级。典型ＧＩＳ设备局部放电信号的频谱可从低频到　数百ＭＨｚ甚至１　ＧＨｚ以上。研究认为，ＧＩＳ设备中　的放电脉冲波不仅以横向电磁波（ＴＥＭ波）的形式　传播，而且还会以横向电场波（ＴＥ波）和横向磁场　波（ＴＭ波）的方式传播。对于１Ｅ波和ＴＭ波存在　总第１４３期　一个下限截止频率，一般为几百ＭＨｚ。当信号频率　小于截止频率时，其衰减很大；而信号频率大于截止　频率时，信号在传播时的损失很小。由于ＧＩＳ设备的　金属同轴结构是一个良好的波导，局部放电产生的　超高频信号可以有效地沿波导传播。　由于多处装有盆式绝缘子，这些绝缘子均为非　铁磁材料，可以透射超高频电磁波信号，当ＧＩＳ设备　局部放电产生的电磁波沿金属轴（筒）传播时，部分　信号可通过绝缘子向外辐射，通过无线检测方式即　可接收到这些从ＧＩＳ设备内部传出的放电信号。　与传统局部放电测量方法相比，检测这种超高　频放电信号的方法（即ＵＨＦ法）具有其独特的抗干　扰特性。一般来讲，局部放电测量中所遇到的干扰信　号主要是来自电网中电磁信号的干扰，如电晕干扰、　开关操作过程中产生的干扰以及各种高压电气设备　产生放电等，这些干扰均属于脉冲型干扰信号，其特　征往往与局部放电信号相近，甚至一致。因此，就局　部放电检测技术而言，解决测量过程中所遇到的干　扰问题是目前传统局部放电测量中的主要难点。研　究认为，ＧＩＳ设备以外的干扰信号，其频谱范围较　ＧＩＳ设备内的局部放电信号要窄得多，一般认为频　率在１５０　ＭＨｚ以下，信号在传播过程中衰减很快，　几乎对ＧＩＳ设备局部放电测量装置不构成影响。如　在距局部放电测量装置１０　ｍ左右（直线距离）处　的ＧＩＳ设备交流耐压试验装置，其加压装置本身及　接线均会产生明显的电晕干扰，甚至火花，但通过　ＧＩＳ设备局部放电测量装置观察基本上无反应。因　此，采用超高频检测方法可有效避开各种干扰信号，　使ＧＩＳ局部放电测量的信噪比大大提高。　４　ＧｌＳ局部放电检测原来及使用装置　４．１　电磁波（ＵＨＦ）局部放电检测　ＧＩＳ内部存在局部放电缺陷是，随着运行时间，　缺陷导致老化，直到事故的发生。绝缘老化的过程中　大部分的缺陷，伴随局部放电现象，局部放电现象会　带来高频电压和电流、噪音、光、气体分解，放射电磁　波等现象。　４．２局部放电发生时，电磁波的信号根据ＧＩＳ结构　反复进行传播，反射，折射，延迟，衰减等现象，通过　盆式绝缘子（绝缘件）放射到外界。　４．３通过ＧＩＳ绝缘子泄漏的电磁波，通过高灵敏度　内置型或外置型传感器，进行检测。传感器检测到的　信号通过同轴电缆传到局部放电信号处理装置，进　行信号处理，再利用诊断程序分析局部放电种类和　杂波，进行确认。　２０１１年第１期　总第１４３期　淹勘力　９ｒＡ１　ＭＥ　１札Ｌ　ＵＲＧＩＣＡＬ　ＰＯＷＥＲ　５　ＥＣＯＭ３０００　ＵＨＦ专家型局放在线监测　系统　５．１　３０００系统组成和原理　３０００型ＧＩＳ局部放电在线监测系统包括外置　熬据库服务器　■　篓篱　：式超高频传感器，以及现场噪声传感器，现场监测单　元，中央控制单元和局放高级在线分析软件组成。　系统总体结构如图１所示。　分折软件）　ＶＣｅｂ服务器　凰；　瞥焉誉　　．．　以太　光纤　Ｏ　　ｏ　心　９　～◇　…“　一　、　蒜　Ｏ　８佶感器　８传感器　图１　ＥＣＯＭ３０００　ＵＨＦ局放在线监测系统总体结构　５．２技术参数　表１　ＵＨＦ超高频传感器和噪声传感器技术参数表　项目　安装方式　（１）整体系统主要技术参数　输入电源：ＡＣ９０—２４０　Ｖ；　内置型传感器　外置型传感器　ＧＩＳ检测窗　绝缘子（开放式）ＧＩＳ绝缘子（金属外壳式）　＜３　ｐＣ　Ｏ．５—１．５　ＧＨｚ　＜５　ｐＣ　０．５～１．５　ＧＨｚ　＜５　ｐＣ　０．５－１．５　ＧＨｚ　最小检测信号：＜一６０　ｄＢｍ（＝０．００１　ｗ）；　过电压保护：内装Ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ浪涌保护；　输人频道：８通道传感器／每单元ＬＣＵ（同时检　测）；　灵敏度（ｐｃ）　频率范围　传感器输出　（５　ｐＣ）　Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　＞一１１　ｄＢｍ　一２２ｄＢｍ　一２４．４　ｄＢｍ　（７９　Ｗ）　５０ｎ　（６ｔＬｗ）　５０ｎ　（３．６　Ｗ）　５０ｎ　通信：ＴＣＰ／ＩＰ（ＩＥＥＥ８０２．Ｘ）；　顺序：Ｄｕａｌ　６００　ＭＨｚ　ＤＳＰ；　电缆连接　Ｎ—Ｔｙｐｅ连接　Ｎ－Ｔｙｐｅ连接　连接器　连接器　方法　Ｎ—Ｔｙｐｅ连接　连接器　Ｆｉｌｔｅｒ：使用者选项（３阶段）；　Ｇａｔｉｎｇ：Ｍｕｌｔｉ　Ｃｈａｎｎｅｌ选择功能；　ＥＭＣ：应用Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｏ　感器的数量，内置式传感器要求在ＧＩＳ出厂前事先　装好；在大多数的情况下为了方便，可以选择外置式　ＵＨＦ传感器，外置式传感器可直接安装，无需停电。　５．３．２现场检测单元ＡＫ—ＬＣＵ　（２）ＵＨＦ超高频传感器和噪声传感器技术参　数（见表１）。　（３）噪声传感器技术参数　频率范围：Ｏ．３～３　ＧＨｚ；　阻抗：５０　ｎ；　ＵＨＦ传感器和噪声传感器通过铜轴电缆与现　场检测控制单元ＬＣＵ连接，每个ＬＣＵ处理单元最　多可以连接８个传感器，ＬＣＵ将传感器提取的信　号，经过ＰＲＰＳ／ＰＲＰＤ算法进行处理后通过ＴＣＰ／ＩＰ　上传至中央控制单元。　５．３．３中央控制单元ＡＫ—ＭＣＵ　中央控制单元汇总所有监测单元的信号，组建　电缆连接方法：Ｎ—Ｔｙｐｅ连接连接器。　５．３整体系统组成和各单元功能介绍　５．３．１传感器　用户可以根据ＧＩＳ间隔的数量和结构来决定传　１０　冶　金　动　力　ＭＥＴＡＩ＿ＬＵＲＧｌＣＡＬ　ＰＯＷＥＲ　２０１１年第１期　总第１４３期　故障模式数据库，对局部放电信号进行监视、分析、　诊断和报警。包括系统异常和设定值的控制。　５．４系统软件　３０００在线监测系统软件，实现对局放信号的数　头布置技术。　滤波设计技术：无线信号工程技术（ＲＦ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｓｋｉｌ１）。　ＤＳＰ设计技术：超高速信号处理及多通道技术　（Ｄｕａｌ　ＤＳＰ　６００　ＭＨｚ）。　据采集、数据处理和存储、局部放电的频谱图显示、　诊断、报警、历史数据查询等各种功能。　５．４．１　局部放电数据的采集，可以进行数据图形化　分析。　分析应用程序：加载多种分析功能，利用Ｎ／Ｎ　方式的状态分析判断技术。　检测模式：实时，趋向，事件展开方式（Ｒｅａｌ　Ｔｉｍｅ，Ｔｒｅｎｄ，Ｅｖｅｎｔ　Ｍｏｄｅ）。　５．４．２对局部放电数据的分析，进行故障类型判断　局部放电的类型主要有悬浮电极放电、尖端放　电、自由导体放电、绝缘体异常／缺陷放电四种类　型，分析软件通过频谱图对局放的类型进行判断。　５－４．３局部放电源的位置确认　通过局放信号到不同ＵＨＦ传感器的时差，局放　的信号通过电磁波进行传递，不同传感器接收到局　放信号会有时间差，系统通过时差法来准确确定局　部放电源的位置。　５．５独特的噪声和局放识别技术　如何克服噪声的干扰，如何识别固定频段信号　和突发未知信号对系统的干扰是一套局放在线监测　装置成功与否的关键。系统的独特背景噪声去除技　术，杂波阈值去除技术，传感器安装屏蔽技术及多频　段硬件滤波技术，保证系统局放信号和噪声信号的　识别。　（１）传感器安装屏蔽技术，可以有效减低由空　间辐射进入盘式绝缘子的噪声。　（２）固定频段的噪声去除技术，免收电视信号，　移动信号和其他固定信号的干扰。　（３）软件上的阈值除噪Ｎｏｉｓｅ　ｇａｔｉｎｇ功能，可以　选择打开或关闭，也可设置阈值水平。　（４）专利的ＰＲＰＳ专利分析　系统每隔１０　Ｓ储存连续的突发信号，通过对连　续信号分析来判断是否为局放信号。　５．６整体的核心技术　传感器设计技术：根据生产单位、电压，ＧＩＳ各　种结构，设计多样的传感器。　局部放电检测技术：可检测３　ｐＣｉｌ以下。制作　检测单元（Ｃｅｌ１）。　传感器布置技术：保持根据各种信号减弱的探　５．７系统配置介绍　２５２ｋＶ／５５０　ｋＶ　ＧＩＳ，三相分相的，每个断路器　间隔安装６个ＵＨＦ传感器，ＧＩＳ厂家的盆式绝缘子　外围可以有塑料（环氧树脂）注人口。　２５２　ｋＶ／５５０　ｋＶ　ＧＩＳ，三相分相的，每个断路　器间隔安装３个内置式ＵＨＦ传感器需要事先安装　内置式传感器。　６结束语　２２０　ｋＶ及以上变电站ＧＩＳ设备实现局部放电　在线监、狈０是今后发展的一种必然趋势，其优越性在　于早期发现ＣＩＳ设备（特别是盆式绝缘子）故障隐　患，使ＧＩＳ设备故障提前消灭在萌芽之中，为变电站　ＧＩＳ设备的安全、可靠运行奠定了坚实的基础。但由　于局部放电在线监测系统运行管理我们还没有比较　成熟的经验，所以在系统运行中总会出现各种各样　的问题（例如：误报各种信息、非正常波形等）。通过　以上分析，可以看到２２０　ｋＶ及以上变电站一次设　备安装在线监测系统对于今后实现电网调度自动化　和设备运行管理现代化，提高电网的安全和经济运　行水平起到了很大的促进作用，它将大大提高鞍钢　鲅鱼圈电网一次设备系统的效能和可靠性，对保证　电网安全稳定运行具有重大的意义。　［参考文献】　【１］ＤＩＪｒ５９６—１９９６，电力设备预防性试验规程［ｓ】．　［２１　ＤＩ／ｒ６１８—１９９７，气体绝缘金属封闭开关设备现场交接实验规程　【ｓ】．　【３】杨奇逊．变电站综合自动化技术发展趋势阴．电力系统自动化，　１９９５，１９（１０）．　收稿日期：２０１０－０８－１２　作者简介：周正（１９７７一），男，１９９９年毕业于辽宁工程技术大学电气　技术专　，工程师，现从事设备技术管理工作。