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用UHF法和AE法检测GIS及变压器中的局部放电第一部分：GIS及罐式断路器局部放电缺陷的在线检测开展GIS局部放电检测的意义随着城市电网建设的发展，GIS变电站的数量不断增加；GIS的内部空间极为有限，工作场强很高，且绝缘裕度相对较小；GIS内部一旦出现绝缘缺陷，极易造成设备故障，引起的停电时间较长，检修费用也很高；国内已经发生了数起较为严重的GIS事故，过去那种认为GIS设备免维护的观点已不被认同；GIGRE调查表明，50％以上的GIS故障是可预先发现的；在GIS的交接试验中监视局部放电信号，对运行中的GIS进行定期监测，均是保障安全运行的有效手段。德国几个大型GIS变电站的故障统计60%-70%故障可检测；50%以上故障是残留在内部的颗粒引起的；1/3故障属设计不完善；1/2故障属加工和装配问题，可通过现场交接试验来发现。固体绝缘材料故障：31%绝缘子表面颗粒：30%高压导体上的颗粒：13%屏蔽与电极：4%非绝缘故障：9%绝缘配合问题：9%未知原因：4%高压导体上的颗粒：29%绝缘配合问题：29%绝缘子表面上的颗粒：14%壳体上的颗粒：14%未知原因：14%420KVGIS132KVGIS摘自CIGRESession2000Paper15-305GIS设备局部放电的起因1-导体上的毛刺或颗粒；2-壳体上的毛刺或颗粒3-悬浮屏蔽(接触不良)；4-自由移动的金属颗粒5-盆式绝缘子上的颗粒6-盆式绝缘子内部缺陷GIS各种绝缘缺陷的局部放电特征悬浮电极(FloatingElectrode)突出电极(ProtrusionElectrode)自由移动微粒(FreeMovingParticle)有缺陷的绝缘体(DefectiveInsulator)GIS绝缘击穿的主要表现形式GIS投运初期：绝缘击穿大多是由金属颗粒、悬浮导体、表面毛刺或颗粒等缺陷造成的。通过完善交接验收可起到预防作用；GIS运行中期：绝缘击穿大多是绝缘子表面的缺陷（例如污秽、表面电荷积聚、附着金属微粒）引起的，特别是在暂态过电压作用时。通过定期巡检可发现这些隐患；IEC规定GIS出厂时的局部放电水平为5pC，现场交接及运行时10pC。运行GIS设备的局部放电检测技术传统检测法：无法解决抗干扰问题，很难达到必要的检测灵敏度，通常用于试验室；UHF检测法：检测特高频电磁波信号，检测范围较大，不受空气中电晕干扰影响，对各种缺陷均敏感，检测灵敏度可达几个pC；AE检测法：检测超声波信号，抗电气干扰，对自由颗粒缺陷和金属件的振动较为敏感，在靠近缺陷部位时，检测灵敏度可达到几个pC；气体分析法：分解物从产生到扩散，需要一定的过程，且只有浓度积累到一定水平后方可被检测到，故响应速度较慢，检测灵敏度较低。检测自由颗粒缺陷的灵敏度比较Sensitivitytolooseparticles检测绝缘屏障缺陷的灵敏度比较SensitivitytoneedleonabarrierUHF检测技术的优点和缺点抗干扰能力较强，对空气中电晕放电干扰很不敏感，但对架空线上的悬浮导体放电有反应；对GIS的各种放电性缺陷均具有较高的敏感度；不能发现弹垫松动、粉尘飞舞等非放电性缺陷；信号传播衰减小，检测范围大，通常可达十几米；UHF信号强度取决于脉冲陡度、宽度和幅度，而传统法的pC值仅取决于脉冲幅度，两者之间没有固定关系，仅存在粗略的对应特征；AE检测技术的优点和缺点抗干扰能力较好，对电气干扰不敏感，但易受机械或电磁振动的影响；对自由颗粒缺陷具有较高的检测灵敏度，但对固体绝缘表面及内部的缺陷敏感度较低；能发现弹垫松动、粉尘飞舞等非放电性缺陷；传播衰减很大，检测范围小，适合缺陷定位；AE信号强度取决于脉冲幅度和传播途径，而传统法的pC值仅取决于脉冲幅度，两者之间没有固定关系，仅存在粗略的对应特征；特高频(UHF)及超声波(AE)法的比较特高频UHF超声波AE检测信号特高频电磁波信号超声波信号抗干扰对电晕放电较不敏感易受悬浮放电影响对电气干扰较不敏感易受振动噪声影响灵敏度对各种缺陷均较敏感仅对部分缺陷敏感检测范围10米1米定位功能不具备（实现困难）具备（实现简单）缺陷定量与pC值没有直接关系与pC值没有直接关系L的技术设计意图通过UHF法，确定GIS中是否存在PD缺陷；电磁波信号在GIS腔体中传播时衰减较小，约为2dB/m（主要是绝缘屏障造成的），故可远距离检测到PD信号，且不需要与被测设备表面接触，特别适合巡检测量；通过AE法，确定GIS中PD源的部位；超声波信号在SF6气体中传播时衰减较大，约为26dB/m，故检测范围相对较小，只能近距离检测到PD信号，且需要与被测设备表面完全接触，通常适合定位测量；根据UHF和AE信号的相关性，确认PD存在；LDS-6的应用范围对运行中的GIS设备进行巡检，早期发现内部的潜伏性PD缺陷，并进行定性和定位分析，避免重大绝缘故障；对感应耐压中的GIS设备进行PD信号测量，在击穿前及时发现PD缺陷，避免因耐压击穿所造成的检修复杂性问题；对变压器、套管、互感器、电缆终端、SF6罐式断路器等进行PD信号在线检测；UHF检测法的基本原理绝缘强度越高，PD所形成的脉冲越陡及持续时间也就越短，由此而产生的特高频UHF电磁波分量也就越多。空气中PD所产生的特高频UHF信号，远远少于SF6气体中的，且在空间传播时随距离还会明显衰减；GIS的金属同轴结构可视为一个良好的电磁波导，放电所形成的高阶电磁波TE和TM（f300MHz），可沿波导方向无衰减地进行转播；UHF法测量GIS局部放电的抗干扰原理电晕放电产生的UHF分量较少内部放电产生的UHF分量较多UHF信号在传播时衰减较大达到GIS的电晕干扰信号较少GIS腔体中为良好的电磁波导UHF信号在传播时衰减较小通讯干扰：频率固定，可避开检测频率:300-1500MHz检测方式：宽带、选频检测范围：10米可灵敏检测到10m范围内的PD信号UHF信号在GIS中的传播衰减(-6dB)-8dBplusdispersion&attenuationoverlongerlengths(-2dB)0dB绝缘屏障会造成2dB信号衰减转角结构会造成6dB信号分散GIS中UHF信号的几种耦合方式窗口耦合内部耦合外部耦合(barrier)外部耦合原理：UHF波长较短，可轻易地从那些微小的金属缝隙中辐射出来。外置式UHF传感器的几种实现方式接收原理：标准宽带天线接收方式：UHF电磁波频带范围：0.3-1.5GHz相对增益：4dB（平坦）驻波比：2（能量损失很小）波束宽度：60°定向应用范围：外置式选频测量接收原理：电场天线接收方式：电场耦合+电磁波频带范围：0-1.5GHz相对增益：不平坦，与频率有关应用范围：内置式宽带测量接收GIS中UHF信号的方法将UHF传感器的接收面靠近GIS外壳上有绝缘开口的位置，例如：盆式绝缘子观察窗互感器引线盘检测GIS或罐式断路器中UHF信号把UHF传感器固定在绝缘杆上，对准盆式绝缘子位置，或者对准可能泄露出电磁波的其它位置（如高压套管根部），即可进行检测，不需要与被测设备完全接触；把AE传感器头部涂上硅脂后，稳定地吸附或绑扎在设备外壳上，也可检测设备内部的悬浮微粒缺陷，但对绝缘内部的缺陷较不敏感；LDS-6检测UHF信号的技术创新窄带选频接收系统：1）可在300-1500MHz内，自动搜索到S/N最高的最佳检测频段；2）可避开固定频率的通讯信号干扰，保证UHF的检测灵敏度；3）军用级别UHF接收系统，最小检测水平可达10uV（2pW）；宽带定向接收天线：1）在300-1500MHz内，驻波比不大于2，增益变化不大于2dB；2）具有定向接收性能，仅对前方60°范围内的信号敏感；脉冲捕捉测量机制：1）获得测量期间的全部脉冲信息，不丢失任何一个有效脉冲；2）具备脉冲宽度鉴别机制，可自动识别和剔除通讯干扰信号；3）通过3D谱图，精确描述UHF信号在每个工频周期上的分布；简单实用的特征棒图：1）6个特征值来指示信号的基本特征，便于快速发现PD信号；2）PRPD二维彩色谱图，可直观了解Q-N-φ的分布特性；AE法的基本原理放电源产生压力声波，先以纵波传播到GIS外壳，然后以横波方式传播到AE传感器；对GIS检测通常选用的检测频率为10kHz~100kHz，频率较低时灵敏度较高但易受噪声干扰，而频率较高时信号衰减又会增大；AE法检测GIS局部放电的原理检测频率：10-100kHz检测会受环境噪声影响基本不会受到电气干扰传播速度较慢在SF6中：140m/s在钢板中：6000m/s传播衰减较大:在SF6中：26dB/m在空气中：0.9dB/m仅能检测到1m范围内的PD信号LDS-6超声波传感器的基本特性制造厂家：美国PAC公司频率范围：20~150KHz谐振频率：30KHz灵敏度：80dBRef0dB=1V/(m/s)外形尺寸：φ24X20H输入特性：抗共模差分型前置放大器：40dBPACD9241A差分传感器LDS-6接收GIS中AE信号的方法吸附或绑扎在设备金属外壳上，但需要频繁变换检测部位LDS-6检测AE信号的技术创新脉冲宽度鉴别机制：1）获得测量期间的全部脉冲信息，不会丢失任何一个有效脉冲；2）通过脉冲间隔，获得“飞行时间”谱图，确定自由颗粒的大小；3）直观的3D谱图，描述AE信号在每个工频周期上的分布特征；脉冲捕捉测量机制：1）有效抑制共模电磁脉冲、以及持续噪声对AE信号测量的影响；2）具备脉冲宽度鉴别机制，可自动识别和剔除通讯干扰信号；3）避免因使用差分型AE传感器，所带来的检测灵敏度降低问题；简单实用的特征棒图：1）利用6个特征值来指示信号的基本特征，便于快速发现PD信号；2）实用化的PRPD二维彩色谱图，可直观了解Q-N-φ的分布特性；灵活多样的AE检测频带：3）提供20-200、20-100、60-200、60-100（kHz）四种测量频带；第二部分：变压器、互感器及套管局部放电缺陷的在线检测用UHF法检测变压器局部放电的研究荷兰KEMA通过放油阀安装UHF传感器；采用40MHz或80MHz窄带检测技术，可在300-1200MHz范围内选择的检测频段；检测灵敏度可达到50pC水平英国Strathclyde大学通过变压器上的检修孔，预先安装UHF传感器；采用500-1500MHz宽带检测技术，易受通讯干扰的影响；检测灵敏度可达到20pC水平。UHF信号在变压器内的传播与衰减变压器箱体：由于UHF电磁波的波长远小于油箱尺寸，故变压器箱体对电磁波具有折、反射作用，从放电源发射的电磁波，在经过多次折反射后，最终均能到达传感器部位。金属箱体在起到汇聚电磁波能量的同时，还具有电磁屏蔽作用，使得外部的电磁干扰不易进入箱体内部。变压器油：电磁波在油中传播时衰减很小，仅为0.6dB/m；固体绝缘材料：电磁波在固体绝缘与油的界面，会产生折射和反射，造成少量的能量损失。变压器绕组:由于所检测的UHF电磁波波长在25厘米到60厘米之间，大于绕组间的缝隙尺寸，因此衰减量较小。用LDS-6检测变压器局部放电通过放油阀（球阀或闸阀），把UHF天线探入到变压器油箱底部；安装时只需根据油阀的尺寸，从配套的附件中选用合适的法兰盘；安装可在变压器运行期间进行，无渗漏油现象，不影响安全运行；通过变压器油阀（球阀或闸阀）安装UHF传感器球阀闸阀截止阀UHF法检测运行变压器局部放电的优越性通过放油阀安装UHF传感器，不需要变压器退出运行；检测灵敏度高（100pC），几乎不受电晕干扰的影响；对检测到的UHF信号进行谱图分析，可判断PD的类型；通过对油色谱（DGA）异常的运行变压器进行UHF信号检测和分析，可进一步了解DGA异常的原因，便于决定是否需立即推出运行、安排检修；对UHF信号连续监测，可及时发现运行变压器的突发性故障，弥补油色谱（DGA）反应速度较慢的缺点；利用PDM2000的超声波AE检测功能，可对所发现的PD缺陷进行定位，以便分析其危害性大小。的声电联合检测及定位功能同时检测UHF和AE信号有助于排除干扰因素影响的声电联合检测定位原理依据