李楠,李松原,尚學(xué)軍,郭博文,李琳,祖國強(qiáng),侯愷
(1. 天津大學(xué) 電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,天津 300072;2. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院,天津 300384)
氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear, GIS)采用SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì),將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、套管、避雷器、母線等元件封裝在一密閉接地金屬殼體中[1]。由于SF6滅弧性能良好,GIS設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝方便、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、檢修周期長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于110~1 000 kV 變電站中[2]。局部放電(PD)作為 GIS絕緣劣化前兆和重要表征,已在國內(nèi)外開展過廣泛研究,并取得豐厚的成果[3-8]。目前關(guān)于GIS局部放電檢測(cè)方式主要包含特高頻、超聲波、高頻電流和暫態(tài)地電壓等[9-12],其中特高頻檢測(cè)方式具有檢測(cè)頻帶高、抗噪特性好等優(yōu)勢(shì),在目前局部放電檢測(cè)中廣泛應(yīng)用。GIS局部放電的特高頻檢測(cè)主要采取帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)2種方式實(shí)現(xiàn)。由于局部放電具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,帶電檢測(cè)過程中很可能出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象,因此在線監(jiān)測(cè)對(duì)GIS設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)GIS在線監(jiān)測(cè)需要依托于前端傳感器,其主要負(fù)責(zé)接收局部放電電磁波信號(hào),并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)傳輸至后端數(shù)據(jù)中臺(tái),開展局部放電缺陷分析。目前特高頻局部放電傳感器的部署方式主要分為外置式和內(nèi)置式2種。外置式傳感器主要應(yīng)用在帶電檢測(cè)、重癥監(jiān)護(hù)中,具有應(yīng)用方便、檢測(cè)高效、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì),但由于部署在GIS外部,容易受到噪聲干擾[13]。內(nèi)置式傳感器則集成到GIS本體制造中,具有檢測(cè)靈敏度高、信噪比高等優(yōu)勢(shì),主要應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[14-15]。
受到生產(chǎn)工藝、安裝水平、工作環(huán)境等多種因素制約,在運(yùn)行一段時(shí)間后需要對(duì)傳感器工作特性進(jìn)行校驗(yàn)。對(duì)于內(nèi)置式傳感器,由于其安裝在GIS內(nèi)部,不能方便地進(jìn)行拆卸、校驗(yàn)[16-17]。國際大電網(wǎng)CIGRE提出采用注入陡脈沖的方式對(duì)已安裝的傳感器進(jìn)行校驗(yàn)[18-20]。文獻(xiàn)[21]將該方法成功應(yīng)用于GIS中, 并取得良好效果。該方法認(rèn)為待測(cè)傳感器能夠檢測(cè)到明顯信號(hào)則性能達(dá)標(biāo),但并未對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值作出明確規(guī)定,難以對(duì)傳感器性能開展進(jìn)一步精益化評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[22-25]則考慮GIS結(jié)構(gòu)、信號(hào)衰減、傳感器特性等方面影響,提出與標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行幅值比對(duì)方式對(duì)待校驗(yàn)傳感器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。針對(duì)內(nèi)置式傳感器,該方法需要在停電狀態(tài)下獲取同一缺陷在內(nèi)置待校核傳感器與外置標(biāo)準(zhǔn)傳感器側(cè)檢測(cè)幅值間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,停電試驗(yàn)難度較大,且針對(duì)不同GIS腔體結(jié)構(gòu)需要重新校核,應(yīng)用通用性受到限制。
為更好貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,本文提出一種特高頻局部放電(UHF-PD)內(nèi)置傳感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)精益化評(píng)價(jià)方案,其采用內(nèi)置傳感器注入方式對(duì)待校核傳感器進(jìn)行靈敏度校驗(yàn),通過交叉比較方式更為簡(jiǎn)潔地體現(xiàn)傳感器靈敏度差異。通過對(duì)某變電站200余組傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn),共發(fā)現(xiàn)存在問題傳感器14組,其中靈敏度下降5組,傳感器安裝位置不合理2組,采集板故障7組。
目前應(yīng)用較為廣泛的特高頻局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法是基于CIGRE TF15/33.03.05條文加以實(shí)現(xiàn)的,其本質(zhì)是采用人工脈沖代替5 pC局部放電量以校核傳感器的信號(hào)接收情況,當(dāng)待校核傳感器能夠接收到相應(yīng)信號(hào)時(shí),判定傳感器工作特性正常。其具體實(shí)現(xiàn)方式如下。
在組合電器缺陷模擬平臺(tái)上,模擬組合電器內(nèi)部發(fā)生局部放電,利用脈沖電流法檢測(cè)放電量,并將參考特高頻傳感器置于C2點(diǎn)處,如圖1所示。調(diào)節(jié)放電量大小,當(dāng)視在放電量為5 pC時(shí),記錄C2點(diǎn)處特高頻信號(hào)幅值A(chǔ),用于后續(xù)與人工脈沖源信號(hào)進(jìn)行比較。
圖1 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)傳感器部署Fig. 1 Location of sensors in the lab
消除設(shè)備缺陷后,在C1處將人工脈沖產(chǎn)生的特高頻信號(hào)注入組合電器,經(jīng)內(nèi)部傳播后,利用特高頻傳感器C2進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)幅值為B。通過不斷調(diào)節(jié)人工脈沖信號(hào)幅值,直到幅值A(chǔ)和B基本相等(A=B±20%),即可獲得與5 pC放電量等效的人工脈沖信號(hào),用于現(xiàn)場(chǎng)傳感器校驗(yàn)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),最終確定人工脈沖信號(hào)幅值為20 V時(shí),可模擬5 pC放電量。
考慮到傳感器性能參數(shù)、部署方式以及GIS腔體結(jié)構(gòu)上的差異對(duì)局部放電信號(hào)衰減的復(fù)雜影響,僅根據(jù)檢測(cè)到的絕對(duì)幅值去判斷傳感器性能很難保證一致性。因此,有必要對(duì)GIS中影響局部放電信號(hào)衰減的關(guān)鍵因素開展深入分析。
對(duì)于特高頻局部放電傳感器,平均等效高度是反映其檢測(cè)靈敏性與準(zhǔn)確性的關(guān)鍵性能指標(biāo),其主要表征特高頻傳感器將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的能力。
式中:U(f)為傳感器接收到的電壓幅值;E(f)為傳感器所在位置的場(chǎng)強(qiáng);H(f)為傳感器的等效高度。
對(duì)于同樣的局部放電信號(hào),等效高度越高,則檢測(cè)到的幅值越大。根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 11311—2014相關(guān)要求,特高頻傳感器經(jīng)GTEM小室進(jìn)行標(biāo)定且平均等效高度值應(yīng)達(dá)到 8 mm。
特高頻傳感器的部署形式主要分為外置式和內(nèi)置式2種。其中外置式部署方式相對(duì)簡(jiǎn)單,可通過與標(biāo)準(zhǔn)傳感器對(duì)比驗(yàn)證待校核傳感器性能[22]。
對(duì)于內(nèi)置式部署形式,其與GIS腔體設(shè)計(jì)為一體化結(jié)構(gòu)。相比于外置形式,內(nèi)置式傳感器在抗干擾性能上具備優(yōu)勢(shì)。但由于現(xiàn)場(chǎng)校核過程中無法將標(biāo)準(zhǔn)傳感器放置于GIS腔體中,缺乏基準(zhǔn)參考,僅通過絕對(duì)幅值量測(cè)對(duì)傳感器性能進(jìn)行評(píng)判存在很大的不確定性。
GIS的腔體結(jié)構(gòu)主要可分為T型、L型和直筒型。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn),局部放電特高頻信號(hào)在經(jīng)過T型和L型拐角時(shí)信號(hào)幅值衰減較大,在直筒腔內(nèi)傳輸時(shí)衰減較小。然而該類數(shù)據(jù)大多基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部獲得,腔體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)情況存在差異,難以根據(jù)檢測(cè)到的絕對(duì)幅值去判斷傳感器性能的優(yōu)劣。
綜上可知,基于傳感器絕對(duì)幅值的量測(cè)更適用于以標(biāo)準(zhǔn)傳感器作為基準(zhǔn)的情況,如外置式特高頻傳感器。而對(duì)于內(nèi)置式傳感器而言,亟須提出一種通用性強(qiáng)、現(xiàn)場(chǎng)易實(shí)施的新型校驗(yàn)方案,有效減少絕對(duì)幅值量測(cè)誤差對(duì)傳感器性能校驗(yàn)的不良影響。
GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署方式如圖2所示,其采用遠(yuǎn)程終端采集單元(remote terminal unit, RTU)通過同軸電纜與內(nèi)置式傳感器進(jìn)行連接。在RTU內(nèi)部經(jīng)過信號(hào)處理后,通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)后臺(tái),進(jìn)行數(shù)據(jù)展示與分析工作。現(xiàn)場(chǎng)傳感器部署位置分別位于斷路器兩側(cè)CT氣室和刀閘氣室,如圖3所示。
圖2 局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)部署Fig. 2 Diagram of the on-line partial discharge monitoring system
圖3 傳感器現(xiàn)場(chǎng)部署示意Fig. 3 Field deployment of sensors
在進(jìn)行傳感器靈敏度現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí),需先將某一路同軸電纜擰開,用脈沖信號(hào)發(fā)生器將在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)獲得的5 pC等效脈沖信號(hào)注入相應(yīng)傳感器中,在數(shù)據(jù)后臺(tái)觀察與其相鄰待校核傳感器的信號(hào)接收情況,并進(jìn)行記錄。與CIGRE TF15/33.03.05提出的傳感器靈敏度校驗(yàn)方法有所區(qū)別,本文提出的交叉比對(duì)式校驗(yàn)方案不僅記錄待校核傳感器是否接收到信號(hào),還對(duì)信號(hào)的幅值進(jìn)行記錄。由于傳感器在GIS三相結(jié)構(gòu)中的部署位置基本對(duì)稱,通過控制單一變量方法對(duì)三相發(fā)射/接收信號(hào)、相鄰傳感器發(fā)射/接收信號(hào)進(jìn)行交叉比對(duì)分析,即可對(duì)待校核傳感器的性能進(jìn)行快速判斷。由于所有傳感器既是待校核傳感器又是基準(zhǔn)傳感器,因此有效降低了絕對(duì)幅值量測(cè)對(duì)傳感器性能判斷的不良影響。
交叉比對(duì)式現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方案的具體操作過程如下。
(1)根據(jù)變電站內(nèi)特高頻局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置的安裝圖(圖4)選擇待校核傳感器以及與其相鄰的信號(hào)注入傳感器。圖4中,當(dāng)選擇25號(hào)傳感器作為待校核傳感器時(shí),28號(hào)、37號(hào)傳感器則為信號(hào)注入端;選擇37號(hào)傳感器作為待校核傳感器時(shí),25號(hào)傳感器則為信號(hào)注入端。
圖4 GIS特高頻局部放電傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig. 4 Field installation of UHF-PD sensors in GIS
(2)根據(jù)待校核傳感器與信號(hào)注入傳感器的對(duì)應(yīng)關(guān)系,制定傳感器校驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格。
(3)在現(xiàn)場(chǎng)RTU機(jī)柜側(cè)擰開信號(hào)注入傳感器與相應(yīng)采集板間同軸電纜,向傳感器側(cè)注入5 pC等效脈沖信號(hào),并在后臺(tái)記錄待校核傳感器接收信號(hào)幅值。
(4)根據(jù)數(shù)據(jù)記錄結(jié)果對(duì)傳感器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。典型問題包括傳感器靈敏度下降、傳感器部署位置不合理和RTU側(cè)采集板故障3種類型,其對(duì)應(yīng)的判別依據(jù)如下。①傳感器靈敏度下降。對(duì)于互為注入/待校核的一組傳感器,記為X和Y。當(dāng)X傳感器處于待校核狀態(tài)時(shí),只能接收到Y(jié)傳感器側(cè)注入的大于20 V的脈沖信號(hào)(本文中5 pC等效脈沖信號(hào)幅值為20 V);而將Y傳感器作為待校核傳感器時(shí),能夠檢測(cè)到X傳感器側(cè)注入的20 V等效脈沖信號(hào)。在此基礎(chǔ)上與X、Y傳感器所處間隔的其他兩相進(jìn)行橫向比對(duì)(X、Y傳感器均處于A/B/C的同一相中),當(dāng)其余兩相傳感器在20 V等效脈沖作用下均能夠檢測(cè)到正常信號(hào)時(shí),則判定X傳感器運(yùn)行狀態(tài)為靈敏度下降。②傳感器部署位置不合理。對(duì)于互為注入/待校核的一組傳感器,記為X和Y。當(dāng)X、Y分別作為待校核傳感器且僅能接收到對(duì)端注入的大于20 V的等效脈沖信號(hào)時(shí),初步判定X、Y傳感器部署位置不合理或2個(gè)傳感器靈敏度均有所下降。在此基礎(chǔ)上針對(duì)X、Y傳感器分別選取其他相鄰傳感器作為注入端,當(dāng)注入脈沖信號(hào)幅值為20 V且X、Y傳感器接收信號(hào)正常時(shí),判定X、Y傳感器運(yùn)行狀態(tài)為部署位置不合理。③RTU側(cè)采集板故障。對(duì)于待校核傳感器及其相鄰信號(hào)注入傳感器,當(dāng)注入脈沖信號(hào)幅值達(dá)到輸出裝置極限(本文中脈沖信號(hào)發(fā)生裝置的最大輸出信號(hào)幅值為200 V),但待校核傳感器仍不能接收到有效信號(hào),而與本間隔相鄰的其他兩相信號(hào)注入/接收正常時(shí),推斷為傳感器本體故障或RTU側(cè)采集板故障。在此基礎(chǔ)上將待校核傳感器作為信號(hào)注入端,而將其相鄰傳感器作為信號(hào)接收端,當(dāng)其能夠采集到有效信號(hào)時(shí),判斷該傳感器運(yùn)行狀態(tài)為RTU側(cè)采集板故障。
綜上所述,傳感器交叉比對(duì)式現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)流程利用數(shù)字化技術(shù)將傳感器運(yùn)行狀態(tài)判別邏輯嵌入至數(shù)據(jù)采集表中,可有效提高工作效率,通過傳感器運(yùn)行狀態(tài)初步辨識(shí)可大幅度降低運(yùn)維人員工作量。
根據(jù)DL/T 617—2010《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備技術(shù)條件》相關(guān)規(guī)定,單個(gè)絕緣件允許的最大局部放電量不應(yīng)大于3 pC[26]。因此,采用CIGRE 推薦方式向 500 kV GIS中注入 5 pC 等效局部放電信號(hào)時(shí),都應(yīng)至少存在1個(gè)相鄰傳感器能夠檢測(cè)到信號(hào),才能滿足GIS內(nèi)部缺陷監(jiān)測(cè)無死角的要求。
根據(jù)某變電站特高頻局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置的現(xiàn)場(chǎng)部署位置圖,編制局部放電信號(hào)注入傳感器與其周圍待校核傳感器的信息匯總表,如圖5所示。其中圖5 a)為CIGRE推薦方式下的信息匯總表,圖5 b)為交叉比對(duì)方式下的信息匯總表,兩者在工作量上不存在明顯差異,對(duì)于運(yùn)維人員不會(huì)產(chǎn)生額外負(fù)擔(dān)。
圖5 信息匯總表形式比對(duì)Fig. 5 Comparison between CIGRE recommended method and cross-check algorithm
對(duì)某變電站200余組傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn),利用文章提出的交叉比對(duì)式校驗(yàn)方法成功發(fā)現(xiàn)靈敏度下降、安裝位置不合理、RTU側(cè)采集板故障3種典型問題,現(xiàn)對(duì)各問題選取典型案例開展分析。
25號(hào)傳感器位于C相T011-2 CT氣室,28號(hào)傳感器位于C相T01167刀閘氣室,部署位置如圖6所示。對(duì)25號(hào)、28號(hào)傳感器互為發(fā)射、接收情況下采集到的信號(hào)進(jìn)行分析,在25號(hào)傳感器側(cè)注入20 V等效脈沖信號(hào)時(shí),28號(hào)傳感器不能檢測(cè)到信號(hào);將注入脈沖信號(hào)水平提高至40 V時(shí),28號(hào)傳感器檢測(cè)到的特高頻信號(hào)幅值才與28號(hào)傳感器側(cè)注入20 V等效脈沖信號(hào),而且25號(hào)傳感器檢測(cè)到的特高頻信號(hào)幅值大體一致。通過橫向比對(duì)B相(29號(hào)、26號(hào)傳感器)、A相(30號(hào)、27號(hào)傳感器)發(fā)射/接收信號(hào)情況,其傳感器部署相對(duì)位置與C相保持一致,但僅需注入20 V等效脈沖信號(hào)即可在待校核傳感器側(cè)檢測(cè)到相應(yīng)幅值信號(hào),證明28號(hào)傳感器靈敏度有所下降,具體情況如表1所示。
圖6 25、26、27、28、29、30號(hào)傳感器現(xiàn)場(chǎng)部署示意Fig. 6 Field deployment of sensors No.25, 26,27, 28, 29, 30
表1 傳感器25、26、27、28、29、30號(hào)注入與接收情況Table 1 Input and output signals of sensors No.25, 26,27, 28, 29, 30
10號(hào)傳感器為C相出線分支氣室1,18號(hào)傳感器為C相出線分支氣室2,如圖7所示。對(duì)于10號(hào)、18號(hào)傳感器互為發(fā)射、接收情況進(jìn)行分析,2個(gè)傳感器響應(yīng)特性基本一致,但與A(12號(hào)、16號(hào))、B(11號(hào)、17號(hào))兩相橫向比對(duì)發(fā)現(xiàn),發(fā)射脈沖信號(hào)幅值達(dá)到40 V時(shí),10號(hào)、18號(hào)傳感器才能檢測(cè)到特高頻信號(hào),但幅值水平相比于A、B相20 V發(fā)射水平下檢測(cè)到的特高頻信號(hào)幅值還要低,如表2所示。在此基礎(chǔ)上,以13號(hào)傳感器作為注入端注入20 V等效脈沖信號(hào)時(shí),10號(hào)傳感器檢測(cè)幅值正常,證明10號(hào)傳感器靈敏度未有明顯下降?;诖耍袛?0號(hào),18號(hào)傳感器部署位置相隔較遠(yuǎn),需要適當(dāng)降低傳感器報(bào)警閾值。
圖7 10, 11, 12, 16, 17, 18號(hào)傳感器現(xiàn)場(chǎng)部署示意Fig. 7 Field deployment of sensors No.10, 11, 12, 16,17, 18
70號(hào)傳感器位于B相T022-2母線CT氣室,82號(hào)傳感器位于B相線分支氣室1,89號(hào)傳感器位于B相T023-1 CT氣室,86號(hào)傳感器位于B相T02367刀閘氣室,具體部署情況如圖8所示。根據(jù)表3所示,70號(hào)、82號(hào)、89號(hào)傳感器作為輸入端時(shí),即便將輸入幅值提升至最大值200 V,86號(hào)傳感器也不能接收到信號(hào)。而橫向比對(duì)A相(87號(hào)、90號(hào))、C相(85號(hào)、88號(hào))發(fā)現(xiàn),發(fā)射脈沖信號(hào)水平為20 V時(shí),待校核傳感器均能接收到相應(yīng)幅值信號(hào),基于此推測(cè)為86號(hào)傳感器本體或?qū)?yīng)RTU側(cè)采集板故障。86號(hào)傳感器作為輸入端時(shí),89號(hào)傳感器能夠接收到信號(hào),證明86號(hào)傳感器本體無故障,由此推斷86號(hào)傳感器存在問題為RTU側(cè)采集板故障。
圖8 70、82、86、89號(hào)傳感器現(xiàn)場(chǎng)部署示意Fig. 8 Field deployment of sensors No.70,82,86,89
表3 傳感器70、82、86、89號(hào)注入與接收情況Table 3 Input and output signals of sensors No.70,No.82, No.86, No.89
文章提出一種適用于內(nèi)置式特高頻局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)精益化評(píng)價(jià)方法。首先根據(jù)CIGRE TF15/33.03.05提出的方案在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部獲取5 pC局部放電等效脈沖。在充分分析傳感器特性、部署形式、信號(hào)傳輸路徑等因素對(duì)特高頻傳感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)產(chǎn)生的影響后,提出一種基于相對(duì)幅值比較的交叉式比對(duì)方案。通過不同相間的橫向比較、互為發(fā)射/接收情況下的鏡像比較等交叉比對(duì)方式,有效地發(fā)現(xiàn)靈敏度降低、安裝位置不合理、RTU側(cè)采集板故障3種傳感器典型問題。該方法采用相對(duì)幅值代替絕對(duì)幅值對(duì)傳感器性能進(jìn)行評(píng)價(jià),在一定程度上解決了因缺少標(biāo)準(zhǔn)傳感器基準(zhǔn)導(dǎo)致的評(píng)價(jià)不一致性問題。雖然在單次校驗(yàn)工作中需要對(duì)更多數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,但工作量相比于CIGRE TF15/33.03.05推薦方法并無明顯增加,且對(duì)傳感器評(píng)價(jià)精益化水平更高,提升了單次校驗(yàn)效率,從本質(zhì)上提高了傳感器校驗(yàn)水平。