GIS 與容性設(shè)備帶電檢測(cè)與停電試驗(yàn)對(duì)比分析研究

劉瀟

（國網(wǎng)天津市電力公司檢修公司，天津300232）

1 研究的目的和意義

本項(xiàng)目以超聲波、超高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)為手段，研究組合電器和容性設(shè)備的局部放電抗干擾技術(shù)、典型絕緣缺陷的局部放電發(fā)展過程及放電機(jī)理，尋求能夠表征不同放電故障類型局部放電發(fā)展過程及危險(xiǎn)程度的局部放電特征參量，并針對(duì)典型絕緣缺陷建立變電設(shè)備帶電檢測(cè)和停電試驗(yàn)2 種情況下的相位圖譜庫，將二者進(jìn)行比較。同時(shí)，針對(duì)2 種測(cè)試情況下各參數(shù)測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性進(jìn)行研究，提出可行性替代方案，為GIS 與容性設(shè)備故障診斷提供快速準(zhǔn)確的測(cè)試方法。

2 國內(nèi)外研究水平現(xiàn)狀

2.1 國外研究機(jī)構(gòu)對(duì)本項(xiàng)目的研究情況

國際上很多著名公司和科研機(jī)構(gòu)，如英國DMS，德國的西門子公司，瑞士的ABB 公司和荷蘭的KEMA 實(shí)驗(yàn)室等都已經(jīng)競(jìng)相研制并推出局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。瑞士某大學(xué)曾開發(fā)過一種同時(shí)支持寬帶和窄帶多通道、實(shí)時(shí)響應(yīng)的組合電器局部放電檢測(cè)裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)放電源的定位和測(cè)量，但是精度不夠，需要進(jìn)一步改進(jìn)。對(duì)于局部放電數(shù)據(jù)的分析，意大利Techimp 的PDProcessing II 軟件能夠繪制多種放電圖譜，并且可以給出一個(gè)初步的故障診斷結(jié)果，但由于理論性比較突出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用性不強(qiáng)[1]。

2.2 國內(nèi)其他研究單位對(duì)本項(xiàng)目的研究情況

國內(nèi)某些從事電力設(shè)備局部放電試驗(yàn)研究的科研院所以及一些知名高校，如中國電科院、華北電力大學(xué)、天津大學(xué)等都相繼研發(fā)出自己的成果。不僅在局部放電理論研究上取得了突破，還對(duì)改進(jìn)相關(guān)傳感器等設(shè)備的研制取得了成果。例如，清華大學(xué)曾研制出基于超高頻法的局部放電檢測(cè)儀，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)故障源的定位，但是對(duì)于信號(hào)的分析處理有待加強(qiáng)。

3 項(xiàng)目的理論和實(shí)踐依據(jù)

3.1 項(xiàng)目研究內(nèi)容的原理簡述

局部放電的原理是由于絕緣介質(zhì)內(nèi)部存在氣泡、水分等雜質(zhì)，在電場(chǎng)作用下導(dǎo)致各部分承受電場(chǎng)強(qiáng)度不一致，使某些區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了擊穿強(qiáng)度，從而發(fā)生放電，其他部分仍然保持絕緣狀態(tài)。局部放電發(fā)生后，放電粒子會(huì)破壞絕緣介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其發(fā)熱分解逐步失效。同時(shí)，放電發(fā)生后會(huì)使絕緣油分解，降低其絕緣性能。

3.2 項(xiàng)目研究內(nèi)容的理論依據(jù)

通過對(duì)國內(nèi)外變電設(shè)備絕緣缺陷帶電檢測(cè)以及模式識(shí)別方法的調(diào)研，提出建立以超聲波和超高頻局部放電檢測(cè)為主體的多參數(shù)GIS 和容性設(shè)備絕緣缺陷局部放電檢測(cè)系統(tǒng)。通過大量的試驗(yàn)研究規(guī)范各系統(tǒng)使用的硬件設(shè)施、軟件平臺(tái)和評(píng)價(jià)閾值，為運(yùn)行單位提供可供參考的帶電檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)則[2]。

3.2.1 超聲波檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)法是利用聲學(xué)技術(shù)檢測(cè)局部放電的一種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。該技術(shù)利用壓電晶體作為傳感器，可以捕獲60～300kHz 的放電頻率。當(dāng)前，超聲波檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于GIS、開關(guān)柜等一次設(shè)備的局放檢測(cè)中，并取得了良好的效果。

3.2.2 高頻電流檢測(cè)法

高頻電流檢測(cè)法采用Rogowski 線圈高頻電流傳感器，局部放電產(chǎn)生的高頻電流會(huì)以電磁波的形式向周圍傳播能量，此時(shí)，Rogowski 線圈傳感器利用電磁耦合原理來獲取放電信號(hào)。其原理如圖1 所示。

圖1 高頻電流檢測(cè)法原理圖

圖1 中，M為電流傳感器的互感；C0、R0分別為線圈取樣阻抗；Ls為線圈的自感；Rs為線圈等效電阻；Cs為線圈雜散電容；r1為線圈內(nèi)徑；r2為線圈外徑；s為界面厚度；h為截面高度；D1為線圈內(nèi)直徑；D2為線圈外直徑；i（t）為傳感器繞線流過電流；i1（t）為被測(cè)電流；U0（t）為終端電阻的端電壓；Ui（t）為羅氏線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。實(shí)踐表明，該線圈可以在10kHz～40MHz 頻帶內(nèi)捕獲放電信號(hào)，同時(shí)具有較高的靈敏度。高頻電流檢測(cè)法傳感器正是利用羅氏線圈的原理，目前開發(fā)為內(nèi)置式和外置式2 種傳感器。

3.2.3 超高頻檢測(cè)法

超高頻檢測(cè)法是20 世紀(jì)發(fā)展起來的一種較為實(shí)用的局部放電檢測(cè)方法。該技術(shù)通過利用耦合器和傳感器獲取設(shè)備內(nèi)部發(fā)出的局部放電信號(hào)，通常頻帶可達(dá)到300～1 500MHz。由于GIS 設(shè)備內(nèi)部相當(dāng)于一個(gè)同軸波導(dǎo)，所以，便于電磁波的順利傳播，利用超高頻檢測(cè)技術(shù)的高靈敏度和抗干擾的特點(diǎn)，可以將局部放電源精確定位。目前，該技術(shù)已在電力系統(tǒng)內(nèi)廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。

3.3 項(xiàng)目研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)

項(xiàng)目研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)包括：（1）超聲波傳感器的響應(yīng)值與局部放電量的關(guān)系；超聲波信號(hào)在典型結(jié)構(gòu)類型的電纜終端或接頭中衰減情況；（2）建立傳感器系統(tǒng)最優(yōu)的生產(chǎn)、安裝及運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)局放準(zhǔn)確測(cè)量的前提；（3）在組合電器及容性設(shè)備的樣品上制作典型缺陷模型，提取其放電特征，建立典型缺陷局部放電相位圖譜庫，分析各類缺陷在時(shí)域及頻域下的相關(guān)特性；（4）針對(duì)主要設(shè)備典型絕緣缺陷，結(jié)合停電絕緣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，提出具體帶電檢測(cè)技術(shù)手段可代替停電試驗(yàn)的項(xiàng)目，并提出可行性意見。

4 項(xiàng)目研究內(nèi)容

4.1 帶電檢測(cè)與停電試驗(yàn)的對(duì)比分析

帶電檢測(cè)方法主要有3 種：超聲波檢測(cè)法、高頻電流檢測(cè)法和超高頻檢測(cè)法。停電絕緣試驗(yàn)主要包括介質(zhì)損耗測(cè)試和絕緣電阻測(cè)試等。通過不同的帶電檢測(cè)方法建立組合電器和容性設(shè)備內(nèi)部典型絕緣缺陷局部放電相位圖譜庫，分析典型絕緣缺陷的圖譜特征，將帶電檢測(cè)與停電絕緣試驗(yàn)相比較，提出具體帶電檢測(cè)技術(shù)手段可代替停電試驗(yàn)的項(xiàng)目，并提出可行方案。

4.2 理論研究和試驗(yàn)內(nèi)容與項(xiàng)目總目標(biāo)的因果關(guān)系

建立典型GIS 和容性設(shè)備缺陷模型是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目總目標(biāo)的基礎(chǔ)。對(duì)放電信號(hào)的分析處理是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目總目標(biāo)的核心，包括：確定超聲波信號(hào)在一定的運(yùn)動(dòng)速度和距離下的畸變衰減情況；超聲波傳感器的響應(yīng)值與放電量的關(guān)系；選擇最優(yōu)的超聲波測(cè)試頻帶；研究高頻、超高頻傳感器；建立組合電器和容性設(shè)備的超聲波、高頻和超高頻典型缺陷局部放電相位圖譜庫，確定組合電器與容性設(shè)備帶電檢測(cè)技術(shù)手段可代替停電試驗(yàn)的項(xiàng)目是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目總目標(biāo)的必備條件。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目通過研究GIS 和容性設(shè)備的典型絕緣缺陷，建立了典型缺陷圖譜庫，并結(jié)合停電絕緣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析。通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)，提出具體帶電檢測(cè)技術(shù)手段可代替停電試驗(yàn)的項(xiàng)目，并提出可行性意見。