gis盆式绝缘子均压环特高频接收特性研究.pdf

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GIS盆式绝缘子均压环特高频接收特性研究 盆式绝缘子 均压环 PDF 特高频 GIS 盆式绝缘子均压环 GIS盆式绝缘子 特性研究
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doi:10 .3969/j.issn .1007 - 290X .2014 .12 .020 收稿日期:2014 - 08 - 14 基金项目:广东电网有限责任公司科技项目(K - GD2013 - 0520) GIS盆式绝缘子均压环特高频接收特性研究 王增彬1,顾温国1,饶章权1,吕鸿1,李兴旺1,吴吉1,黎量2 (1 .广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 广州510080;2 .新能源电力系统国家重点实验室( 华北电力大学) ,北 京102206) 摘要:随着带屏蔽环式盆式绝缘子的大量应用以及设备尺寸的不断小型化,气体绝缘金属封闭开关设备( gas - in - sulated metal - enclosed switchgear,GIS) 局部放电特高频法(ultra - high frequencymethod,UHF) 传感器的使用受 到了极大限制,局部放电UHF检测日渐困难。针对该问题,以盆式绝缘子均压环作为UHF天线,测试环形天 线( 盆式绝缘子均压环) 接收特性与局部放电视在放电量、传感器位置、传感器接地方式等因素的关系,并比较 分析了各种UHF传感器的频率响应特性。结论认为,GIS盆式绝缘子均压环具有良好的UHF接收性能,用其 作为UHF天线进行GIS内局部放电测试是可行的。 关键词:气体绝缘金属封闭开关设备(GIS) ;局部放电;特高频(UHF) ;均压环;环形天线 中图分类号:TM835 .4文献标志码:A 文章编号:1007 - 290X(2014)12 - 0096 - 06 Research on Ultra - high Frequency Receiving Characteristic of GIS Basin - type Insulator Grading Ring WANG Zengbin1,GU Wenguo1,RAO Zhangquan1,LÜ Hong1,LI Xingwang1,WU Ji1,LI Liang2 (1 . Electric Power Research Institute of GuangdongPower Grid Co .,Ltd .,Guangzhou,Guangdong510080,China;2 . State KeyLaboratoryfor Alternate Electrical Power System with Renewable EnergySources,North China Electric Power University,Beijing102206,China) Abstract:With mass application of shieldingringbasin - type insulator and constant miniaturization of equipment size,utiliza - tion ofgas insulated metal - enclosed switchgearpartial discharge ultra - high frequencysensor isgreatlyrestricted and PD UHF detection is becomingdifficult daybyday. Aimingat aboveproblems,regardingbasin - type insulatorgradingringas UHF aerial,relationshipbetween loopaerial and factors such as PD apparent discharge magnitude,sensorposition andgrounding mode was tested . Meanwhile,frequencyresponse characteristics of various UHF sensors were compared and analyzed . It was considered that GIS basin - type insulatorgradingringwasprovided withgood UHF receivingcharacteristic and was feasi - ble to be used for testingGIS PD as UHF aerial. Key words:gas insulated metal - enclosed switchgear;partial discharge;ultra - high frequency;gradingring;loopaerial 气 体 绝 缘 金 属 封 闭 开 关 设 备 (gas - insulated metal - enclosed switchgear,GIS) 近年在电力系统 中得到了越来越广泛的应用[ 1-2],对电网安全运行 的影响也越来越大。因此,为了监测GIS运行状 态,预防GIS设备故障,GIS局部放电带电检测 及在线监测成为提高GIS运行可靠性关键技术的 研究热点[ 3-6]。 GIS中的局部放电会在外壳上产生微弱的电 流,使接地线上有高频电流脉冲流过;局部放电还 会使通道气体压力骤增,在GIS内部气体中产生 纵波或超声波,并在金属外壳上出现各种声波;局 部放电还会导致SF6气体分解或发光、发热。这些 物理及化学变化特征,都可以作为局部放电检测的 第27卷 第12期 广 东 电 力 Vol .27 No .12 2014年12月GUANGDONG ELECTRIC POWERDec .2014 对象[ 7-8]。因此局部放电的检测方法有采用超声波 法、 特 高 频 法 (ultra - high frequencymethod, UHF) 、脉冲电流法、光检测法、SF6气体分解物 等,可采用这些检测法来检测GIS内部缺陷。从 现场应用情况看,UHF的灵敏度较高,且实际操 作以及安装十分方便,因此,UHF被认为是GIS 局部放电检测最为有效的方法之一。 按照传感器的安装方法,可将局部放电UHF 测试方法分为外置传感器法和内置传感器法。外置 传感器法是利用置于GIS之外的传感器进行局部 放电测试,这种方法要求局部放电的UHF信号能 够传出GIS之外,由于GIS主体基本处于金属全 封闭状态,因此传感器只能置于盆式绝缘子外侧。 但是目前GIS生产厂家出于安全接地及防老化考 虑,均在盆式绝缘子外加装屏蔽环,只保留浇注 孔,有的厂家甚至将浇注孔也采用金属密封。因 此,采用外置传感器法测试GIS内局部放电越来 越困难,甚至在某些GIS上已经无法实现。 另一种方法是将UHF传感器置于GIS内部, 这样既可以解决外置传感器安装位置的问题,也可 以提高测试系统抗干扰能力。但由于GIS本身没 有安装内置传感器的位置,要安装内置传感器必须 在GIS上增加安装手孔,这给GIS带来了额外的 安全隐患;同时,UHF内置传感器的性能与其所 在的手孔尺寸及结构有很大关系,要保障传感器性 能就需要保证手孔的大小及结构,但是GIS尺寸 差别很大,特别是随着GIS不断小型化,在GIS 上加工合适尺寸的手孔越来越难以实现。 鉴于以上测试方法的问题,如何在不影响GIS 本身结构的基础上,实现GIS内局部放电的测量 已成为制约GIS局部放电UHF测试方法应用的主 要难题。 为了改善盆式绝缘子内部电场分布,一些GIS 生产厂家在盆式绝缘子内浇注了均压环。均压环浇 注于盆式绝缘子内,可均匀局部电场。从结构看, 均压环一般采用弧形或未封闭的圆形,具有UHF 天线的特征,若用其作为UHF传感器有望解决现 有UHF传感器的安装及布置的问题。目前,斯图 加特大学与ABB公司、德国RWE能源集团公司 在三相共体的GIS(175 kV) 研究了环形传感器性 能[ 9];日本东芝公司联合电力公司和早稻田大学等 开展了环形传感器的性能测试工作。但尚无针对均 压环式UHF天线与现有测试传感器性能对比的研 究,特别是国内对该领域的研究仍基本处于空白状 态。 本文在110 kV GIS实体平台内研究了盆式绝 缘子均压环的局部放电UHF测试性能,并与现有 内置式、外置式UHF传感器测试性能进行对比, 讨论均压环作为UHF传感器的优缺点及可行性。 1 测试系统 在110 kV三相共箱式GIS上建立了测试平 台。测试平台示意图如图1所示,由模拟局部放电 模型、110 kV GIS实体、测试传感器及测试后台 组成。 N1、N2、N3―内置传感器;W1、W2、W3―外置传感器。 图1 UHF传感器有效高度测试平台结构示意图 在GIS 1母隔离开关气室内安装局部放电模 型,安装方式如图2所示。将模型高压电极连接在 隔离开关V相导体上,接地极与GIS壳体相连; 放电模型为针板电极结构,其中针端接高压,平板 电极接地;试验均在V相加压情况下进行。 图2 局部放电模型安装示意图 在断路器1母侧盆式绝缘子及线路隔离开关两 侧盆式绝缘子上安装外置UHF传感器,由于内置 传感器安装位置受到GIS结构限制,因此在1母 隔离开关气室、2母隔离开关气室及线路隔离开关 气室安装了内置传感器。采用广东电网公司电力科 学研究院( 以下简称“ 电科院” ) 自主研发的基于吉赫 79 第12期 王增彬,等:GIS盆式绝缘子均压环特高频接收特性研究 兹横电磁波( gigahertz transverse electromagnetic, GTEM) 小室的UHF传感器测试平台 [10]进行传感 器有效高度测量,结果见表1。 表1 各传感器平均有效高度 传感器 编号 平均有效 高度/mm 传感器 编号 平均有效 高度/mm N117 .04W3s6 .45 N216 .93W1b13 .35 N316 .91W2b13 .62 W1s6 .32W3b13 .54 W2s6 .51 W1s、W2s、W3s―专门应用于带有屏蔽环结构盆式绝缘子上的 UHF外置式传感器;W1b、W2b、W3b为普通UHF外置式传感 器。 UHF外置式传感器W1s、W2s、W3s的特点 是传感器有效测试面积小,但单位面积内感应到的 能量强。测试时,外置传感器覆盖在盆式绝缘子上 浇注孔处,浇注孔长45 mm、宽20 mm,如图3 所示。 图3 盆式绝缘子上的浇注孔 GIS平台盆式绝缘子内结构如图4所示,在每 相导体外侧浇注有均压环。试验时,将均压环一端 连接信号电缆,另一端接地或浮地,分别测量天线 的测试性能,如图5所示。 图4 盆式绝缘子结构图5 环形天线连接 将W1、W2、W3处的环形天线( 均压环) 分别 命名为W1c、W2c、W3c。信号经传感器测试后, 再经过放大器放大,最后由示波器采集记录。示波 器为Lecroy生产的WAVERUNNER640Zi型示 波器,模拟带宽4 GHz,采样率40 GS/s。 试验时,采用气体绝缘变压器对GIS平台加 压,加压过程中,利用OMICRON MPD600型局 部放电测试仪采用脉冲电流法测试局部放电量,用 以进行比较分析。 文中所得到的UHF传感器测试谱图均为将 100组测试数据进行触发同步后取平均得到的平均 数值。 2 环形天线响应特性测试 2 .1 不同局部放电量下环形天线响应特性 通过改变施加电压,分别得到视在放电量为 10pC、20pC、30pC的放电谱图,如图6所示。 放电谱图具有明显的尖端放电特征,随着电压升 高,放电量逐渐增大,放电频率逐渐提高。 图6 脉冲电流法测得不同视在放电量的局部放电谱图 在10 pC、20pC、30pC视在放电量时环形天 线W1c( 环形天线一端接地) 测得的局部放电UHF 信号如图7所示。 结果表明,环形天线测得的时域信号幅值随着 视在放电量的增加显著提高,两者基本呈线性关系 ( 如图7(a) 所示) ;环形天线的频率响应集中在500 89 广 东 电 力第27卷 图7 环形天线W1c的局部放电信号 MHz以下及800 MHz ~ 1 .25 GHz频率范围内, 且500 MHz以下频率范围响应最好( 如图7(b) 所 示) 。这和一般UHF传感器特点不同,一般UHF 传感器频率响应主要集中在300 MHz~1 .5 GHz 之内,且高频响应相对较好。 2 .2 安装位置对环形天线响应特性的影响 施加电压使局部放电源产生20 pC的视在放电 量,利用W1c、W2c、W3c( 环形天线一端接地) 测 试局部放电UHF信号,结果如图8所示。 随着环形天线距离局部放电源距离的增加,环 形天线测得的UHF信号幅值显著减小,且波形出 现震荡趋势,这主要是由电磁波的折反射引起的。 从频率响应特性可见,随着距离的增加,500 MHz 附近信号衰减较明显。 2 .3 环形天线接地方式对其响应特性的影响 环形天线采用一端接地或一端浮地方式连接, 将会影响环形天线上的感应电位,同时也将改变环 形天线的感应电磁波截止频率,从而对环形天线的 图8 20 pC放电量时不同位置环形天线测得的 局部放电信号 响应特性产生影响。 施加电压使局部放电源产生20 pC的视在放电 量,分别测试W1c在一端接地及一端浮地情况下 的响应特性,结果如图9所示。 一端接地情况下的UHF信号幅值明显大于一 端浮地时的信号幅值;环形天线一端接地和一端浮 地两种情况下检测到的信号频谱分布基本一致,主 要集中在500 MHz以下,800 MHz~1 .25 GHz范 围内含量较少。 3 不同UHF传感器响应特性比较 由以上结果可见,盆式绝缘子均压环( 环形天 线) 具备局部放电UHF接收性能。为了比较环形 天线与现有GIS局部放电UHF传感器的性能差 异,在20 pC视在放电量下测试不同安装位置的内 置传感器、普通UHF外置传感器、浇注孔结构用 UHF外置传感器及环形天线的接收特性。测试结 果如图10所示。 99 第12期 王增彬,等:GIS盆式绝缘子均压环特高频接收特性研究 图9 环形天线接地方式对测试性能的影响 图1 0 传感器间频率响应特性曲线 结果表明,4种传感器频率响应特性不同,内 置传感器在300 MHz~1 .25 GHz范围内响应分布 较均 匀,随 着 距 离 增 大,响 应 频 率 范 围 向500 MHz及1 .2 GHz附近集中,形成两个明显的响应 峰值;普 通UHF外 置 传 感 器 及 浇 注 孔 结 构 用 UHF外置传感器响应频谱基本一致,响应频率均 主要集中在800 MHz~1 .5 GHz范围内,但普通 UHF外置传感器在250 MHz附近响应特性略好, 两种传感器随着与放电源距离的增加,频率响应幅 值均逐渐减小,但频率分布均基本不变;环形天线 响应频率主要集中在500 MHz以下,800 MHz~ 1 .25 GHz范围内有微小峰值。 为了比较各传感器响应幅值,图11给出了不 同传感器、不同位置的最大瞬时功率。 图1 1 传感器间频率响应特性曲线 从图11可以看出,在相同( 或相似) 位置处, 环形天线检测到的幅值远大于其他3类天线检测到 的信号幅值;随着与信号源距离的增加,环形天线 001 广 东 电 力第27卷 频率响应幅值的衰减更小,这是因为环形天线响应 频率较低( 如图10所示) ,而低频信号通过性更好; 普通UHF外置传感器及浇注孔结构用UHF外置 传感器频率响应幅值基本一致,这是因为UHF信 号的传播受到了浇注孔的限制,普通UHF外置传 感器及浇注孔结构用UHF外置传感器可利用到的 有效感应面积是相同的,虽然两者的平均有效高度 有很大差距,但本试验中的响应幅值依然基本相 当;内置传感器的响应幅值明显大于现有外置式传 感器,但较环形天线小。 4 结论 本文针对GISUHF传感器现场应用越来越困 难的问题,研究了盆式绝缘子均压环作为UHF天 线的可行性,测试环形天线( 盆式绝缘子均压环) 的 接收特性与局部放电视在放电量、传感器位置、传 感器接地方式等因素的关系,比较了各种UHF传 感器的频率响应特性。根据研究结果可得出以下结 论: a)GIS盆式绝缘子均压环具有局部放电UHF 信号测试性能,可作为UHF天线进行局部放电测 量; b) 环形天线频率响应幅值明显大于位置相同 ( 或相似) 的内置传感器及现有外置传感器的频率响 应幅值; c) 环形天线响应频率主要集中于500 MHz以 下,800 MHz~1 .25 GHz范围内仅有微小峰值, 这和 现 有UHF传 感 器 具 有 良 好 的 高 频 段 (800 MHz~1 .25 GHz) 响应特性的特点不同; d) 环形天线时域响应幅值和视在放电量近似 成线性关系; e) 环形天线一端接地情况下响应特性明显优于 一端浮地。 依据以上结论可以看出,将GIS盆式绝缘子 均压环作为UHF天线进行GIS内局部放电测试是 可行的,有望利用该技术解决现有UHF传感器在 GIS上,特别是具有盆式绝缘子屏蔽环结构的GIS 测试和安装困难的问题。此外,由于环形天线响应 频率较低,在现场可能更易受到UHF干扰,如何 提高环形天线的现场抗干扰能力将是后续研究的重 点。 参考文献: [1]罗学琛. 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High Voltage Engineering. 2012,38(S) :1- 4 . 作者简介: 王增彬(1983) ,男,河北石家庄人。工程师,工学博士,从事 高压放电及绝缘破坏与诊断技术研究。 顾温国(1967) ,男,山东安丘人。高级工程师,工学博士,从 事电气工程技术研究及电力设备运行管理。 饶章权(1980) ,男,湖北广水人。高级工程师,工学硕士,从 事高压电器故障诊断及绝缘破坏机理研究。 ( 编辑钟美玲) 101 第12期 王增彬,等:GIS盆式绝缘子均压环特高频接收特性研究
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