搜索

GIS局部放电检测中特高频法与超声波法灵敏度的对比研究

gecimao 发表于 2019-07-07 22:18 | 查看: | 回复:

  Electric Pow er Vol June2010 文章编号: 10072322( 2010) 03003106 文献标识码: GIS局部放电检测中特高频法与超声波法 灵敏度的对比研究 华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室,北京102206; 华北电网有限公司,北京100045) Partial Discharge Detection SensitivityBetween UHF UltrasonicMethods Wu Zhangjian LiChengrong QiBo HaoZhen GengBibo BeijingKey Labor ator HighVoltage NorthChina Electric Pow er University, Beijing 102206, China; NorthChina Gr id Company Limited, Beijing100045, China) 基金项目: 北京市教委实验室共建项目( 2007) 为对特高频法和超声波法在GIS 设备局部放电检 测中的灵敏度进行对比, 以实际的 GIS 设备为基础, 建立 了一套220kV GIS 局部放电检测平台, 模拟了实际中较为 常见的5 类放电缺陷, 利用特高频法和超声波法对5 类缺陷 在不同电压下的局部放电同时进行了测量, 并对两者获得的 起始放电电压、平均视在放电量、放电次数和放电幅值进行 了比较。试验结果表明: 特高频法对上述5 类局部放电的检 测均较为灵敏; 超声波法对 GIS 设备中绝缘子表面自由金 属颗粒缺陷、绝缘子表面设备外壳内侧金属尖刺缺陷以及高 压导体接触不良缺陷引起的局部放电的检测较为灵敏, 特高频检测法相比,灵敏度仍然略低。因此建议以特高频作 为GIS 设备内部缺陷检测和诊断的主要手段, 超声波法为 辅助检测手段。 关键词: 气体绝缘变电站; 局部放电; 特高频法; 超声波法 Abstract: comparesensitivity partial dischar ge detec tion betweenUHF ultrasonicmethod, partial discharge detection platfor 220kVGIS builtbased ealGIS equipment. Five cases partial defect PD)dis char ges valuesunder diff erent volt age level ar ultrasonicmeth od. sametime, initialdischarge volt age, average appar ent dischar ge magnitude, dischar ge times discharge amplitude, HFmethod show higher sensitivity detecting fivetypes partial dischar ges; ultrasonic method detectingpartial dischar ges caused reemetallic par ticles insulator,mental sharps innershell loatingelectr ode highvoltage conductor itssensitivity lowerthan HFmethod. Ther efore, suggested UHFshould majormethod diagnoseinner defect ultrasonicmethod assistdetect measure. Key words: gas insulated substation partial dis char ge; UHF; ultr asonic 气体绝缘组合电器(GIS) 因具有占地面积小、维 护工作量少、绝缘性能优良、可靠性高等优点被广泛 应用于高压输电领域。随着电网电压等级和系统容量 的不断增加, GIS 设备的内部故障也随之增多 此寻找有效评估GIS内部状态的方法尤为重要, 目前 国际上主要通过局部放电的检测得以实现 。局部放电不仅是GIS 设备绝缘劣化的先兆和表现形式, 且能够引起绝缘的进一步劣化,致使GIS 的电气绝缘 性能降低, 最终导致绝缘击穿或沿面闪络 常见的GIS设备局部放电检测方法有: 常规脉 冲电流法 、特高频(UHF) 脉冲电流法的应用时间较长,有国际标准 IEC 60270 来规范其检测回路、标定方法和试验程序 可以获得视在放电量,但是抗干扰性较差, 难以实现在线检测。特高频法利用局部放电辐射出的特高频电磁波信号进行检测, 有效地避 开了实际应用中常见的电磁干扰, 抗干扰能力较 检测效率较高,并可实现在线监测、模式识别 及故障定位, 但是放电量难以标定。超声波法是利 用安装在 GIS 设备外壳上的超声波传感器接收局部 放电产生的振动信号以达到检测内部局部放电的目 电磁干扰能力较强,并可实现局部放电的故障定 但也存在放电量难以标定、信噪比低、抗振动干扰性较差以及检测效率较低等不足。 近年来, 特高频法和超声波法由于良好的抗干 已经在GIS 设备局部放电的检测中得到了广 泛应用。然而, 目前大多数的研究只专注于特高频 法或超声波法, 关于两种方法检测GIS 局部放电的 对比研究较少。因此, 本文以实际的GIS 设备为基 建立了能够进行特高频法和超声波法对比的220kVGIS 局部放电检测平台, 模拟了实际中经常 出现的5 种GIS 放电缺陷, 对这两种GIS 设备局部 放电检测方法进行了对比试验研究, 以期为特高频 法和超声波法在GIS 设备局部放电检测中的实践应 用提供一定的参考。 试验装置GIS 设备局部放电检测方法对比的试验研究不 能脱离实际设备的运行情况。如果简单地以同轴圆 柱体进行模拟, 则试验结果与实际情况可能会有较 大差别, 因此本文以实际的252kV ZF- 16 型GIS 备作为试验装置的原型。为了便于利用多种检测手段对局部放电进行检测, 本文对GIS 腔体进行了重 新设计与二次加工, 结构示意图如图1 所示。 试验装置结构示意图试验装置整体呈L 型结构, 三相分体式设计, 包含1 个高压套管、1 个非气隔绝缘子和6 绝缘子,构成 4MPa的SF6 气体作为绝缘介质, 以保证试验条 件与设备实际运行情况相同。其中试验腔经过单独 设计, 装有两个安装孔和一个手孔, 分别用于特高 频传感器和超声波传感器的安装以及放电模型的设 置。本文的所有试验均在试验腔内进行。 放电模型GIS 设备的局部放电是由其绝缘缺陷造成的。 绝缘缺陷不同, 造成局部放电类型也有所不同。本 文将经常出现的故障因素具体化, 并考虑了试验模 拟的难度, 共设计了5 类放电模型, 分别为绝缘子 表面固定金属颗粒、绝缘子表面自由金属颗粒、设 备外壳内侧金属尖刺、高压电极毛刺和悬浮导体放 电故障等。 绝缘子表面固定金属颗粒模型绝缘子表面固定金属颗粒局部放电的试验模型 为长度 5cm、直径 8mm、平行于电场方向固定放置的单根电料铝丝, 端部位于绝缘子表面 3cm 绝缘子表面自由金属颗粒模型由于重力作用以及绝缘子的斜面结构, GIS 备中绝缘子表面的自由金属颗粒通常位于绝缘子靠近设备外壳的底部, 位于绝缘子其它部位的可能性 不大。因此绝缘子表面自由金属颗粒局部放电的试 验模型为 10 颗长度为 1cm、直径为 8mm和10 颗长度为 2cm、直径 8mm,位于绝缘子底部杂 乱放置的 20 颗电料铝丝, 如图2( 设备外壳内侧金属尖刺模型绝缘子表面设备外壳内侧金属尖刺故障是GIS 备中最为常见也是最为危险的一种地电极故障,绝缘 子表面设备外壳内侧金属尖刺局部放电的试验模型为 长度2cm、直径08mm 位于绝缘子底部且末端与GIS 设备外壳相连接的1 颗电料铝丝, 如图2( 高压电极毛刺模型高压电极与绝缘子以及 SF6 气体的交界面处是 GIS 设备中最易发生故障的部位。不论具体故障的 原因如何, 最终的表现形式一般为交界面处的绝缘 子表面出现绝缘性能较差的细枝状放电通道, 时绝缘能力尚未完全丧失,沿面闪络尚未发生。因 此本文通过在绝缘子表面设置长度 2cm、直径 8mm,位于绝缘子顶部且端部与 GIS 设备高压导 体相连接的1 颗电料铝丝, 来模拟高压电极毛刺形 成的放电通道, 由其引发局部放电, 如图2( 悬浮导体放电故障模型为尽可能模拟 GIS 设备故障的实际情况, 本文 利用试验腔体内部的高压导体屏蔽罩作为悬浮体来 模拟实际 GIS 设备的高压电极接触不良故障, 检测装置在试验过程中, 分别对视在放电量、特高频信 号、超声波信号进行同步实时检测与记录。 视在放电量局部放电的视在放电量采用DST- 型局部放电检测仪进行检测, 检测频带为40kHz~ 80kHz, 采用 并联测试回路, 以保证试验过程中测量设备的安全, 通过实际测试, 最小可检测的视在放电量为4pC。 特高频信号特高频( UHF) 信号的检测采用特高频传感器, 工作带宽 300MHz~ 500MHz,增益 40dB, 由于 UHF 信号目前无法实现视在放电量的标定, 因此用 检波信号的幅值来等效描述放电量的大小, 单位为V。 特高频传感器安装在试验腔上安装孔处, 图3所示,嵌入式安装, 既提高了特高频传感器的 灵敏度, 又不会改变试验腔体内的电场分布, 电模型的位置约为31cm。通过实际测试, 本文所 采用特高频传感器最小可检测的放电量为2pC。 超声波信号超声波信号的检测采用超声波传感器, 主要由 谐振式探头与后置宽带放大器组成, 工作带宽为 15kHz 70kHz,谐振频率为 40kHz, 增益为 3传感器安装位置示意图40dB。由于超声波信号目前也无法实现视在放电量 的标定, 因此用超声波信号的幅值来等效描述放电 量的大小, 单位为V。 超声波传感器通过有机硅脂作为耦合剂安装在 试验腔下安装孔处, 离放电模型的位置约为11cm, 如图3 所示。耦合剂的采用可以提高超声波传感器 的灵敏度。经过实际检验测试, 本文采用的超声波 传感器检测到的背景噪声有效值为0 001 35V。 试验回路试验回路示意图如图 所示。Cx为相应的局 部放电模型; Co 150kV、300pF高压电容器, 用于耦合 Cx 放电时产生的脉冲电流信号; Zm 型局部放电检测仪的检测阻抗;ICC 据采集记录装置,工频相位信号、视在放电量、 UH 信号、超声波信号以及光信号通过ICC同步 采集后保存, 以便进行后期数据分析。 试验方法置入相应的放电模型后将试验腔体抽线 GIS局部放电检测中特高频法与超声波法灵敏度的对比研究 4MPa的SF6 气体, 试验中首先慢速升高试验 电压, 直至出现较为稳定的放电现象, 分别记录特 高频传感器检测到的起始放电电压 UiU 以及超声波 传感器检测到的起始放电电压 UiA, 然后采用逐步 升压法进行局部放电试验, 根据试验模型的不同, 升压的步长有所不同, 每个电压的持续时间均为 60min。试验过程中记录每种放电模型的平均视在 放电量 Qave、UHF 传感器检测到的放电次数 NU 和平均放电幅值 UUave 、超声波传感器检测到的放 电次数NA 和平均放电幅值UAave, 以便进行两种局 部放电检测方法的对比。 起始放电电压此处的起始放电电压在本文中定义为特高频传 感器和超声波传感器开始检测到稳定的局部放电信 种放电模型下,特高频传感 器和超声波传感器检测到的局部放电的起始放电电 压UiU 和UiA 以及两者的差值UiA UiU如表1 所示。 种放电模型下的放电起始电压放电模型 UiU kVUiA kV固定金属颗粒 61 自由金属颗粒21 外壳内侧尖刺50 高压电极毛刺54 悬浮导体放电18 可以看出,绝缘子表面固定金属颗粒放 电模型下两种检测手段检测到的局部放电的起始放 电电压差值最大, 因此两种检测方法灵敏度的差异 最大; 高压电极毛刺次之, 外壳内侧尖刺、自由金 属颗粒放电模型下起始放电电压的差值较小; 悬浮 导体放电的差值最小, 因此两种检测手段的灵敏度 大致相当。 固定金属颗粒绝缘子表面固定金属颗粒放电模型下, 压不同时,平均视在放电量 Qave 、特高频传感器检 测到的放电次数NU 和平均幅值UUave 、超声波传感 器检测到的放电次数NA 和平均幅值UAave如表2 2固定金属颗粒放电模型下的放电特性试验电 kVQave/ pC UHF 超声波法NU UUave/ NAUAave 14581 00134 66 16694 00133 72 39830 098376 00148 77 49287 26 444 107891 00181 83 139582 31 573 00250 88 199625 35 752 13612 732 00373 可以看出,视在放电量为 14 581pC 16694pC 超声波传感器检测到的基本为背景噪声( 小于背景阈值 00135V) 没有明显的放电信号出现, 而特高频传感器检测到了大量的放电信 这是由于盆式绝缘子表面固定金属颗粒的放电使得 SF6 分子间剧烈碰撞并在宏观上瞬间形成压 产生超声波脉冲,但是超声波信号在 SF6 气体 和固体绝缘子中的衰减较大, 当所产生的超声波信 号在通过盆式绝缘子和 SF6 气体传输到超声波探头 的位置时, 基本上衰减殆尽, 因此通过超声波探头 检测到的信号基本上为背景噪声。对于特高频信号 而言, 由于 SF6 气体的绝缘强度较高, 局部放电 产生脉冲的持续时间很短, 由此可以激发上百兆 赫兹的电磁波, GIS 设备的金属同轴腔体结构构 成良好的波导和屏蔽, 非常有利于这种电磁波的 传播, 并且对外界干扰信号起到较好的屏蔽作用, 因此由UHF 传感器检测局部放电信号的灵敏度 均比较高。 当外施电压为 72 2kV 超声波传感器开始检测到局部放电信号, 但较为微弱, 此时的平均视 在放电量为39 830pC; 外施电压为88 5kV 部放电较为剧烈,超声波传感器检测到的放电信号 的幅值较为明显, 此时的平均视在放电量为 199 652pC。因此, 对于绝缘子表面固定金属颗粒 引起的局部放电, 超声波法对小幅值的放电不灵 自由金属颗粒绝缘子自由固定金属颗粒放电模型下, 压不同时,平均视在放电量 Qave 、特高频传感器检 测到的放电次数NU 和平均幅值UUave 、超声波传感 器检测到的放电次数NA 和平均幅值UAave如表3 3自由金属颗粒放电模型下的放电特性试验电 kVQave/ pC UHF 超声波法NU UUave/ NAUAave 11685 272462 00153 34 12295 00159 45 12561 00166 55 175327 184 745 60864 582 00293 66 263353 256 665 821132 593 00382 77 237469 267 635 850139 725 00517 88 237064 280 613 010148 279 00588 99 249490 306 507 040173 527 00733 可以看出,当平均视在放电量为 11 685pC、12 295pC 以及 12 561pC 超声波传感器已经可以检测到较为明显的超声波信号。这 说明GIS 设备中, 超声波检测法对盆式绝缘子表面 自由金属颗粒所引起沿面放电较为敏感, 可以检测 此种类型的放电。特高频传感器也检测到较为明显 的放电信号, 与超声波传感器相比, 特高频传感器 检测到的放电次数大大多于超声波传感器检测到的 放电次数, 因此, 超声波检测法对GIS 设备中盆式 绝缘子表面自由金属颗粒所引起局部放电较为敏 可以检测此种类型的放电,但灵敏度比特高频 检测法略低。结合局部放电起始电压的测量数据, 本文采用的超声波传感器的灵敏度仍然小于特高频 传感器和局部放电检测仪的灵敏度。 外壳内侧金属尖刺外壳内侧金属尖刺放电模型下, 外施电压不同 平均视在放电量Qave、特高频传感器检测到的 放电次数NU 和平均幅值UUave 、超声波传感器检测 到的放电次数 NA 和平均幅值UAave 如表4 所示。 4外壳内侧金属尖刺放电模型下的放电特性试验电 kVQave/ pC UHF 超声波法NU UUave/ NAUAave 15390 10 557 00157 58 21689 13 027 00166 63 25963 16 618 00171 68 32947 19 852 08712 041 62381 24 594 10310 825 00199 79 81928 28 074 11815 589 00236 85 185555 31 342 12910 618 249655 34 672 14311 529 00374 可以看出,外施电压为52 9kV 均视在放电量仅为15390pC, 但此时超声波传感 器输出的平均有效值为 00157V, 大于超声波传 感器的检测阈值0 001 35V, 已经检测到较为明显 的局部放电的存在。当外施电压为 58 1kV 635kV 平均视在放电量也仅有21 689pC 25963pC, 超声波传感器输出的平均有效值分别 00166V 00171V, 也检测到了有效的放 电信号。因此, 超声波检测法对盆式绝缘子表面设 备外壳内侧金属尖刺故障的导致局部放电较为敏 这是由于金属尖刺末端与GIS 设备外壳相连, 而伴随金属尖刺端部局部放电产生的超声波信号在 金属中的衰减较小所致, 因此超声波检测法可以检 测此种类型的局部放电, 但灵敏度比特高频检测法 略低。 高压电极毛刺 高压电极毛刺放电模型下, 外施电压不同时, 平均视在放电量Qave、特高频传感器检测到的放电 次数NU 和平均幅值UUave 、超声波传感器检测到的 放电次数 NA 和平均幅值UAave 如表5 所示。 5高压电极毛刺放电模型下的放电特性试验电 kVQave/ pC UHF 超声波法NU UUave/ NAUAave 26386 00128 59 24451 10 336 00139 62 27238 16 029 00149 65 30245 22 090 12711 697 00157 68 31094 23 654 13913 228 00165 72 43784 23 721 15714 821 00181 可以看出,当外施电压为 55 9kV 平均视在放电量为26386pC, 此时超声波信号的 平均有效值较小, 仅为 00128V, 小于超声波传 感器的检测阈值, 因此超声波传感器没有检测到有 效的放电信号, 但此时特高频传感器仍然可以检测 到大量有效的放电信号。当外施电压为 59 2kV 超声波传感器开始检测到局部放电所产生的超声波信号, 但幅值较为微弱, 仅为 00139V。这 是由于局部放电产生的超声波信号在SF6 气体和固 体绝缘子中的衰减较大所致。因此, 结合表 中局部放电起始电压的测量数据, 超声波检测法对 GIS 35 GIS局部放电检测中特高频法与超声波法灵敏度的对比研究 设备盆式绝缘子表面高压电极毛刺所引起局部放电 不敏感, 灵敏度比较低。 悬浮导体放电悬浮导体放电模型下, 外施电压不同时, 平均 视在放电量Qave、特高频传感器检测到的放电次数 NU 和平均幅值UUave 、超声波传感器检测到的放电 次数NA 和平均幅值UAave 如表6 所示。 6悬浮导体放电模型下的放电特性试验电 kVQave/ pC UHF 超声波法NU UUave/ NAUAave 550283 549 298539 00151 36 478709 43212 00646 52 13234 66 83196 01123 68 14997 11 83163 02041 85 15934 06 02736 101 16005 28 88032 04660 可以看出,当外施电压为 20 0kV 超声波和特高频传感器都已检测到较为明显的放电信号, 且随着外施电压的升高, 两种检测手段获得 的放电次数差异不大, 这说明两种检测方法对悬浮 放电所引起局部放电均较为敏感, 都可以实现此故 障类型的检测。这与表1 所示的放电起始电压的测 量数据是一致的。这是由于放电量较大, 由局部放 电产生的超声波信号较强, 并且悬浮体本身也会产 生振动所致。但由于在同一外施电压下, 特高频检 测到的放电次数略多, 且特高频检测法首先检测到 局部放电信号, 因此, 对于悬浮放电所导致的局部 放电的检测, 超声波法的灵敏度仍然小于特高频法 的灵敏度。 特高频法对绝缘子表面固定金属颗粒、绝缘子表面自由金属颗粒、设备外壳内侧金属尖刺、 高压电极毛刺和悬浮导体放电等绝缘故障导致的局 部放电检测较为灵敏, 建议以特高频检测法作为 GIS 设备绝缘状态和放电严重程度诊断的主要检测 手段, 其它检测手段作为辅助检测手段。 超声波法对GIS设备中绝缘子表面自由金属 颗粒缺陷、绝缘子表面设备外壳内侧金属尖刺以及 高压导体接触不良缺陷引起的局部放电的检测较为 灵敏, 但与特高频检测法相比, 灵敏度仍然略低。 CIGREWorking Group 33/ 32- 12. Insulation coor dination sitetests diagnostic techniques Electra,1998, 176 67-95. PhilBolin, Hermann Koch. Introduction applications gasinsulated substation IEEEPower Engineering Society General Meeting. San Fran cisco, CA, United States: IEEE, 2005: 920- 926. GIS典型缺陷局部 放电测量与分析 高电压技术,2009, 35( 10) 2440-2445. EEESubstat ions Committee Working Gr oup K4. Partial discharge testing gasinsulated substations EEETr ans. PowerDeliver 499-506. Baumgartner etal. Partial dis charge Part gasinsulatedsubstationsmeas urement practicalconsiderations IEEEElectri cal Insulation, 1992, 16-27. GIS中局部放电在线监测研究的现 状与展望 高电压技术,2005, 31( 47-50. EC60270 Highvoltage Test Techniques Partialdischarge measurements GIS中局部放电测量用超高频方法 的研究 高电压技术,2004, 30( 10) 19-20. etal. cousticdiagnoses GIS:field experience development ransactions Power Deliver 287-294. 收稿日期: 20100302 作者简介: 高级工程师,硕士, 目前主要从事 电网运行管理以及电气设备绝缘在线监测与故障诊断等方 面的工作; 博士,教授, 博士生导师, 主要研 究方向为气体放电及脉冲功率技术、电气设备绝缘在线监 测与故障诊断、电介质材料介电特性; 博士,主要研究方向为电气设备绝 缘在线监测与故障诊断。

  GIS局部放电检测中特高频法与超声波法灵敏度的对比研究,毛中特,文鼎中特广告体,中特网,中特物流,中特促进会,迷你简中特广告,中特广告,中特养,香港中特网

本文链接:http://ticatfans.com/duibilingmindu/508.html
随机为您推荐歌词

联系我们 | 关于我们 | 网友投稿 | 版权声明 | 广告服务 | 站点统计 | 网站地图

版权声明:本站资源均来自互联网,如果侵犯了您的权益请与我们联系,我们将在24小时内删除。

Copyright @ 2012-2013 织梦猫 版权所有  Powered by Dedecms 5.7
渝ICP备10013703号  

回顶部