论文部分内容阅读
摘要：GIS（气体绝缘金属封闭式组合电器）的广泛使用，解决了很多传统开放式电站不能解决的问题，但是由于GIS故障定位难度较大，因此如何能快速、高效的找出故障点来保障GIS的正常运行成了现在最为关注的问题。GIS内部典型缺陷主要有接触不良、固定微粒、自由微粒、绝缘子缺陷等。通过对这三种典型缺陷局部放电超声信号和电信号的频域特性分析，发现局部放电超声信号的能量主要分布在0-25kHz和50kHz-75kHz，电信号的能量主要分布在40MHz以下。以此为基础，来设计声、电传感器的带宽，并设计声电检测系统。用该声电检测系统可以高效准确的对局部放电进行定位，并且结合电信号检测的灵敏度和超声检测的抗电磁干扰能力，提高了GIS内部放电的检测水平与定位研究。
关键词：GIS；内部放电；典型缺陷；定位研究
中图分类号：O461文献标识码： A
一、概述
伴随着工业的迅猛增长，我国的装机容量在迅速增长，电网建设也在飞速发展。为了满足远距离大容量输电，电网电压等级也在提高。因此更可靠、更安全、更稳定的气体绝缘金属封闭式组合电器（gas-insulated metal-enclosed switchgear，简称GIS）在我国得到越来越广泛的运用。
与传统的敞开式高压配电装置相比，GIS有以下的优点：
⑴土地占有面积和空间占有体积大大减少。如去年12月在宁波投入使用的首座220kV全户内GIS鲍家变电站，其占地面积只有普通变电站的三分之一，而电力输送能力却提高了20%，成为名副其实的“资源节约、环境友好型变电站”。
⑵安全可靠。GIS带电部分完全封闭在金属外壳下，可以防止人员触电。此外，在金属外壳的保护下，可以防止设备在运行时受污秽的影响，降低事故率，使其运行更可靠。
⑶有利于环境保护。减小电磁场对周围环境的影响。
⑷安装工作量小、检修周期长。可以减少检修人员的工作量，也减少了供电中断时间。
在GIS的生产装配过程中，会有缺陷产生。其中主要影响绝缘介质性能的缺陷有：严重的装配错误、自由微粒、导体之间接触不良、水汽、绝缘子缺陷、固定微粒等几类。
二、内部放电缺陷的分析
2.1接触不良
GIS内部屏蔽电极广泛的用于控制电场强度，而且屏蔽电极是用轻负载与导体接触的，而且对连接要求不高。 这些连接在最初的安装上是正常的，但是在以后的运行过程中，由于时间的推移会老化和恶化，导致机械上的接触不良，进而在静电力的作用下产生机械振动，这种振动会进一步的引起恶化，最终出现悬浮电位。
2.2固定微粒
在生产和装配中，由于撞击或者刮擦，很容易在GIS内部留下固定微粒。这些固定微粒分为金属突起、微粒附着。它们会引起电场畸变，在GIS的正常运行中产生微放电，在工频电压下会产生电晕放电。而且在绝缘子上的微粒，会引起绝缘子表面电荷积聚，或因为放电引起绝缘子表面损伤，进而引起故障。
2.3自由微粒
自由微粒是GIS中最常见的缺陷，它一直是导致GIS故障的主要原因。在工频电压下，微粒获得电荷并在电场作用下移动。如果电场足够强的话，微粒很可能穿过接地外壳和高压导体之间的间隙，微粒在运动到高压导体附近时更容易产生局部放电。
2.4绝缘子缺陷
在制造过程中，绝缘子内部会残留一些微小的气泡。或者由于其它的缺陷在绝缘子表面产生局部放电，引起绝缘子表面异常。
三、内部放电缺陷的声电特性分析
3.1内部放电的超声信号特性分析
根据搭建的GIS典型缺陷内部放电实验平台，典型缺陷内部放电超声信号进行时、频域的特性分析，实验在屏蔽室进行。该实验采用的实验用超声传感器是工作频带达到了15kHz-70kHz的宽频带超声传感器。
首先将压力容器充上0.4MPa的氮气洗气，同时静置几小时观察罐子的气密性。然后通过真空泵对该压力容器抽真空，抽气时间为15min，在罐内接近真空的情况下将0.4MPa的SF6气体充入罐内，接着将罐子接入检测回路中，回路中的接线选用软铝管，每个接头加上了一个屏蔽球以防止电晕。
在实验中考虑到局部放电的分散性，每个缺陷的实验在每個测试点进行20次实验数据的采集，通过对这些信号频域的分析，得出典型缺陷超声信号进行的最后统计数据。0-25kHz频段出现的概率最高，达到了100%，50-75kHz出现的概率也比较高达到了80%，25-50kHz出现的概率最低，仅为30%。
3.2内部放电的电信号特性分析
根据搭建的GIS典型缺陷局部放电实验平台，对本文设计的几种典型缺陷局部放电的电信号在时、频域上进行特性分析，实验在屏蔽室进行。该实验采用的实验用Rogowski线圈为宽频带传感器，工作频带达到了500kHz-70MHz。
根据实验所得数据，将频域中的能量分布分成0-20MHz、20-40kHz、40-60kHz、60-80MHz四段，三种缺陷一共有10个测试点。通过对这些信号频域的分析，得出典型缺陷电信号进行的最后统计数据20-40MHz上尖峰出现的概率为100%，其次为0-20MHz和60-80MHz，出现概率为90%和 80%，其中40-60MHz出现的概率最低，只有20%。
四、GIS内部放电声电联合定位的研究
根据GIS内部放电典型缺陷的声电放电特性分析，我们来简单的研究一下内部放电声电联合定位。声电联合检测的原理是根据局部放电源同时产生的超声信号和电信号对局部放电进行检测。超声检测是通过在GIS金属屏蔽外壳上放置超声传感器对局部放电源进行检测，传统的电力设备超声定位法可以通过将多个传感器放置于壳体上，根据得到的不同传感器之间的时延建立方程组进行定位。电信号法就是将一个Rogowski线圈放置在GIS的接地线上获得脉冲电流信号。其中超声传感器与GIS之间无电气联接，所以有很强的抗电磁干扰能力，且可以在带电运行中使用；电信号法灵敏度高，但是抗电磁干扰能力差。通过结合两者的优点，相对于单一的超声法或电信号法能有更强的抗干扰能力，并且能提高灵敏度。
在定位上通过超声和电信号的联合检测，利用两种信号传播速度的不同，其中电信号远远快于超声信号，可以把电信号作为基准，测出超声信号的延迟时间乘以超声信号在介质中的传播速度求出放电直线距离，在电力变压器定位中，通常是先设定多个传感器的空间坐标，再配合检测出的直线距离求出放电源坐标，以进行精确定位。
首先在前面建立的GIS典型缺陷局部放电研究的实验平台基础上建立定位用的实验平台，平台如图4-1所示，该GIS模型一个气室长约1m，外壳直径为320mm，导电杆直径105mm，通过在GIS模型内放置的典型缺陷进行定位实验。Rogowski线圈放置在GIS模型壳体接地线上，超声传感器放置在GIS模型外，两路信号通过各自的电压放大器经信号放大后传输到12位模拟输入的采集卡上，再高速传输到计算机上进行数据的处理并对放电源进行定位。
图4-1
五、总结
根据搭建的GIS典型缺陷模型的局部放电信号特性分析，超声信号的能量分布比较宽，但是其能量主要分布在25kHz以下和50kHz-75kHz两个频段；局部放电电信号的能量主要分布0-40MHz，根据以上频段来选择声电传感器的合适频带，可以提高信号检测的性噪比，同时也提高了声电检测系统的检测水平。
参考文献
[1]李晓华, 吴广宁, 边姗姗, 等. 直流和交流电压下典型缺陷模型局部放电波形比较分析[J]. 绝缘材料, 2008, (01): 53-56.
[2]张宇鹏. 电气设备局部放电的超声波检测方法研究[D]: 重庆大学, 2009.
[3]廖一, 贺汉根, 崔慧海, 等. 远距离超声传感器在测距系统中的设计与应用[J]. 微计算机信息, 2009, (34): 90-91，81.
[4]邱向群. 局部放电超声波检测法[J]. 电工技术, 1995, (04): 33-37.
关键词：GIS；内部放电；典型缺陷；定位研究
中图分类号：O461文献标识码： A
一、概述
伴随着工业的迅猛增长，我国的装机容量在迅速增长，电网建设也在飞速发展。为了满足远距离大容量输电，电网电压等级也在提高。因此更可靠、更安全、更稳定的气体绝缘金属封闭式组合电器（gas-insulated metal-enclosed switchgear，简称GIS）在我国得到越来越广泛的运用。
与传统的敞开式高压配电装置相比，GIS有以下的优点：
⑴土地占有面积和空间占有体积大大减少。如去年12月在宁波投入使用的首座220kV全户内GIS鲍家变电站，其占地面积只有普通变电站的三分之一，而电力输送能力却提高了20%，成为名副其实的“资源节约、环境友好型变电站”。
⑵安全可靠。GIS带电部分完全封闭在金属外壳下，可以防止人员触电。此外，在金属外壳的保护下，可以防止设备在运行时受污秽的影响，降低事故率，使其运行更可靠。
⑶有利于环境保护。减小电磁场对周围环境的影响。
⑷安装工作量小、检修周期长。可以减少检修人员的工作量，也减少了供电中断时间。
在GIS的生产装配过程中，会有缺陷产生。其中主要影响绝缘介质性能的缺陷有：严重的装配错误、自由微粒、导体之间接触不良、水汽、绝缘子缺陷、固定微粒等几类。
二、内部放电缺陷的分析
2.1接触不良
GIS内部屏蔽电极广泛的用于控制电场强度，而且屏蔽电极是用轻负载与导体接触的，而且对连接要求不高。 这些连接在最初的安装上是正常的，但是在以后的运行过程中，由于时间的推移会老化和恶化，导致机械上的接触不良，进而在静电力的作用下产生机械振动，这种振动会进一步的引起恶化，最终出现悬浮电位。
2.2固定微粒
在生产和装配中，由于撞击或者刮擦，很容易在GIS内部留下固定微粒。这些固定微粒分为金属突起、微粒附着。它们会引起电场畸变，在GIS的正常运行中产生微放电，在工频电压下会产生电晕放电。而且在绝缘子上的微粒，会引起绝缘子表面电荷积聚，或因为放电引起绝缘子表面损伤，进而引起故障。
2.3自由微粒
自由微粒是GIS中最常见的缺陷，它一直是导致GIS故障的主要原因。在工频电压下，微粒获得电荷并在电场作用下移动。如果电场足够强的话，微粒很可能穿过接地外壳和高压导体之间的间隙，微粒在运动到高压导体附近时更容易产生局部放电。
2.4绝缘子缺陷
在制造过程中，绝缘子内部会残留一些微小的气泡。或者由于其它的缺陷在绝缘子表面产生局部放电，引起绝缘子表面异常。
三、内部放电缺陷的声电特性分析
3.1内部放电的超声信号特性分析
根据搭建的GIS典型缺陷内部放电实验平台，典型缺陷内部放电超声信号进行时、频域的特性分析，实验在屏蔽室进行。该实验采用的实验用超声传感器是工作频带达到了15kHz-70kHz的宽频带超声传感器。
首先将压力容器充上0.4MPa的氮气洗气，同时静置几小时观察罐子的气密性。然后通过真空泵对该压力容器抽真空，抽气时间为15min，在罐内接近真空的情况下将0.4MPa的SF6气体充入罐内，接着将罐子接入检测回路中，回路中的接线选用软铝管，每个接头加上了一个屏蔽球以防止电晕。
在实验中考虑到局部放电的分散性，每个缺陷的实验在每個测试点进行20次实验数据的采集，通过对这些信号频域的分析，得出典型缺陷超声信号进行的最后统计数据。0-25kHz频段出现的概率最高，达到了100%，50-75kHz出现的概率也比较高达到了80%，25-50kHz出现的概率最低，仅为30%。
3.2内部放电的电信号特性分析
根据搭建的GIS典型缺陷局部放电实验平台，对本文设计的几种典型缺陷局部放电的电信号在时、频域上进行特性分析，实验在屏蔽室进行。该实验采用的实验用Rogowski线圈为宽频带传感器，工作频带达到了500kHz-70MHz。
根据实验所得数据，将频域中的能量分布分成0-20MHz、20-40kHz、40-60kHz、60-80MHz四段，三种缺陷一共有10个测试点。通过对这些信号频域的分析，得出典型缺陷电信号进行的最后统计数据20-40MHz上尖峰出现的概率为100%，其次为0-20MHz和60-80MHz，出现概率为90%和 80%，其中40-60MHz出现的概率最低，只有20%。
四、GIS内部放电声电联合定位的研究
根据GIS内部放电典型缺陷的声电放电特性分析，我们来简单的研究一下内部放电声电联合定位。声电联合检测的原理是根据局部放电源同时产生的超声信号和电信号对局部放电进行检测。超声检测是通过在GIS金属屏蔽外壳上放置超声传感器对局部放电源进行检测，传统的电力设备超声定位法可以通过将多个传感器放置于壳体上，根据得到的不同传感器之间的时延建立方程组进行定位。电信号法就是将一个Rogowski线圈放置在GIS的接地线上获得脉冲电流信号。其中超声传感器与GIS之间无电气联接，所以有很强的抗电磁干扰能力，且可以在带电运行中使用；电信号法灵敏度高，但是抗电磁干扰能力差。通过结合两者的优点，相对于单一的超声法或电信号法能有更强的抗干扰能力，并且能提高灵敏度。
在定位上通过超声和电信号的联合检测，利用两种信号传播速度的不同，其中电信号远远快于超声信号，可以把电信号作为基准，测出超声信号的延迟时间乘以超声信号在介质中的传播速度求出放电直线距离，在电力变压器定位中，通常是先设定多个传感器的空间坐标，再配合检测出的直线距离求出放电源坐标，以进行精确定位。
首先在前面建立的GIS典型缺陷局部放电研究的实验平台基础上建立定位用的实验平台，平台如图4-1所示，该GIS模型一个气室长约1m，外壳直径为320mm，导电杆直径105mm，通过在GIS模型内放置的典型缺陷进行定位实验。Rogowski线圈放置在GIS模型壳体接地线上，超声传感器放置在GIS模型外，两路信号通过各自的电压放大器经信号放大后传输到12位模拟输入的采集卡上，再高速传输到计算机上进行数据的处理并对放电源进行定位。
图4-1
五、总结
根据搭建的GIS典型缺陷模型的局部放电信号特性分析，超声信号的能量分布比较宽，但是其能量主要分布在25kHz以下和50kHz-75kHz两个频段；局部放电电信号的能量主要分布0-40MHz，根据以上频段来选择声电传感器的合适频带，可以提高信号检测的性噪比，同时也提高了声电检测系统的检测水平。
参考文献
[1]李晓华, 吴广宁, 边姗姗, 等. 直流和交流电压下典型缺陷模型局部放电波形比较分析[J]. 绝缘材料, 2008, (01): 53-56.
[2]张宇鹏. 电气设备局部放电的超声波检测方法研究[D]: 重庆大学, 2009.
[3]廖一, 贺汉根, 崔慧海, 等. 远距离超声传感器在测距系统中的设计与应用[J]. 微计算机信息, 2009, (34): 90-91，81.
[4]邱向群. 局部放电超声波检测法[J]. 电工技术, 1995, (04): 33-37.