GIS在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用

南方電網(wǎng)文山供電局 熊文祥 申國標 張 振 華乘電氣科技股份有限公司 張新堂

在現(xiàn)在電力系統(tǒng)中，GIS（Gas Insulated Switchgear）氣體絕緣金屬封閉開關設備將變電站中除變壓器以外的斷路器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、母線、電纜終端等設備有機地組合成一個整體[1]。GIS具有占地面積小、可靠性高、安全性強、維護工作量很小等眾多優(yōu)點，但絕緣要求極高。一旦需要解體檢修，大部分情況下均需要協(xié)調(diào)設備廠家進行，所需要的時間非常長，若發(fā)生突發(fā)性故障停電則停電時間就更長。因此對GIS故障的早期預測、預報、預防就顯得非常重要。運行經(jīng)驗表明，在GIS中的母線、斷路器、隔離開關等電氣元件都是絕緣故障多發(fā)的部位[2]，異常時的檢修難度和經(jīng)濟投入相對較大，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分緊湊，發(fā)生故障時有很大幾率會蔓延到其他元件[3]。局部放電檢測一向是十分有效的絕緣檢測手段，實現(xiàn)在線監(jiān)測能減輕運行人員工作強度，同時也有助于推動GIS局放檢測的標準化和規(guī)范化。

本文基于AE（超聲波）/UHF檢測原理的局放檢測手段對GIS進行在線局放檢測研究，搭建PDS-G5000型局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)GIS設備的絕緣實時監(jiān)控。系統(tǒng)可配置的傳感器主要有接觸式超聲（AE）傳感器、特高頻（UHF）傳感器和噪聲傳感器，檢測局部放電產(chǎn)生的特高頻、超聲波信號，并通過噪聲傳感器配合提高檢測結(jié)果的可信度。

1 GIS局放AE/UHF在線監(jiān)測原理

GIS局放在線監(jiān)測特指在GIS運行狀態(tài)下,通過外置或內(nèi)置的AE/UHF傳感器耦合得到設備內(nèi)部絕緣劣化而發(fā)出的放電信號。通常監(jiān)測系統(tǒng)固定安裝在現(xiàn)場長期在線運行，無需人為參與，自動完成檢測、存儲、通訊和診斷等功能?；贏E和UHF信號檢測的方式都屬于間接型帶電檢測法，檢測設備與一次部分無直接的電氣連接，也不會改變GIS整體的結(jié)構(gòu)，適用于帶電運行中的GIS設備的局部放電在線檢測。

AE（超聲波）檢測。超聲通常指頻段位于20～300kHz范圍內(nèi)的超聲波通過接收局放時聲波微小的間斷壓力信號,判斷局放點位置和局放性質(zhì)[4]。GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時，放電信號會沿著介質(zhì)向四周傳播，由于超聲信號在傳播中衰減較大，根據(jù)信號的強度變化判斷信號來源方向和位置。AE傳感器耦合得到的超聲波信號，需經(jīng)過前置信號放大器后再傳輸?shù)胶笈_診斷系統(tǒng)中進行分析和判斷（圖1）。

UHF（特高頻）檢測。如圖2UHF檢測原理中，當GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時，SF6氣體的擊穿導致導體中流過一個短時（ns級）的電流。電流流過GIS的特征阻抗在導體上產(chǎn)生一個脈沖電壓，從局放源傳播開來。局放信號的上升時間很短（<1ns）、頻帶很寬（>1GHz），傳播過程中引起電諧振激發(fā)電磁波。UHF檢測法能感應頻率為300MHz～1.5GHz的電磁波信號[5]。

PDS-G5000系統(tǒng)中所使用的UHF特高頻傳感器包括內(nèi)置式和外置式兩種。外置式特高頻傳感器采用全貼合設計，保證傳感器能夠完美貼合GIS絕緣盆子表面，最大限度減少外部信號的干擾，保證監(jiān)測的準確性與靈敏度。內(nèi)置式特高頻傳感器采用內(nèi)置式安裝設計，并且需在GIS生產(chǎn)廠制造時安裝，其尺寸、結(jié)構(gòu)與被監(jiān)測GIS設備相匹配，采用與被監(jiān)測GIS設備相同的密封工藝和材料，使用壽命不少于GIS設備壽命，并與GIS本體一起進行出廠試驗。

噪聲傳感器檢測。噪聲傳感器監(jiān)測原理同特高頻傳感器監(jiān)測原理一致，PDS-G5000系統(tǒng)中所使用的噪聲傳感器安裝在GIS監(jiān)測設備附近殼體上，主要用于配合特高頻傳感器與系統(tǒng)監(jiān)測軟件最大限度減少外部環(huán)境信號干擾，保證監(jiān)測信號的準確性和靈敏度。

2 系統(tǒng)采集處理單元及后臺監(jiān)測軟件系統(tǒng)系統(tǒng)

局放監(jiān)測單元安裝在現(xiàn)場GIS設備附近就地柜內(nèi)，實現(xiàn)信號初步采集處理和分析，形成設備初步單項評價，并將信號通過光纖傳輸至上級后臺處理單元和主站。PDS-G5000軟件是與GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)設備配套的軟件，安裝在服務器上用以采集、傳輸、處理、查詢和分析數(shù)據(jù)信號，為判斷GIS絕緣狀態(tài)提供依據(jù)。軟件可以實時展示現(xiàn)場設備的局放數(shù)據(jù)，并提供PRPD/PRPS圖以及趨勢圖譜等；軟件內(nèi)置專家診斷系統(tǒng)，可以輔助用戶進行局放診斷。軟件同時能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)給出預警與報警信號，實時提醒用戶設備的運行狀態(tài)。

3 應用案例

廣西220kV某站220kVGIS設備于2017年03月安裝了華乘科技公司的PDS-G5000局放在線監(jiān)測系統(tǒng)，對GIS設備進行不間斷的局放在線監(jiān)測，GIS設備廠家為西門子高壓開關有限公司。2017年04月05日18：14，220kVGIS場地220kV2053線路間隔的M9編號特高頻傳感器（安裝位置為220kV2053線路間隔20532刀閘B相）首次監(jiān)測到幅值較大的浮動電極局放信號；2017年04月07日開始信號發(fā)展趨勢相當快速，局放的脈沖數(shù)快速增加，嚴重程度快速加劇。

測試數(shù)據(jù)分析及故障位置。系統(tǒng)4月5日首次監(jiān)測到異常信號，到4月19日異常信號持續(xù)存在且信號呈現(xiàn)增長趨勢，放電密度增大，專家系統(tǒng)判斷為浮動電極放電概率為100%。經(jīng)過PDS-G5000局放在線監(jiān)測專家系統(tǒng)分析和判斷定位，在220kVGIS2053線路間隔B相CT1位置的GIS內(nèi)部存在一個幅值相當大的浮動電極放電信號。如圖4紅色標記所示。

解體情況。2017年09月13日，對該站220kV 2053線路間隔B相的CT1位置進行了解體、檢修，在解體后發(fā)現(xiàn)CT1上方的殼體與屏蔽罩存在非常嚴重的電蝕痕跡，解體情況與PDS-G5000局放在線監(jiān)測系統(tǒng)測量、分析判斷局放類型一致，局放缺陷位置與定位位置一致。

綜上，本文搭建的基于AE及UHF檢測方法PDS- G5000型GIS局部放電在線系統(tǒng)可有效監(jiān)測GIS內(nèi)部絕緣缺陷，將傳統(tǒng)“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”，達到提高設備利用率和設備可靠運行目的。