特高频局部放电检测关键技术.docx
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1、第三章 特高频局部放电检测技术目 录第1节 特高频局放检测技术概述21.1 发展历程21.2 技术特点41.2.1 技术优势41.2.2 局限性51.2.3 适用范围61.2.4 技术难点61.3 应用情况81.3.1 国外应用情况81.3.2 国内应用情况8第2节 特高频局放检测技术基本原理102.1 特高频局放电磁波信号基本知识102.1 GIS内部电磁波的传播特性102.3 特高频局放检测技术基本原理122.3 特高频局放检测装置组成及原理13第3节 特高频局放检测及诊断方法163.1 检测方法163.1.1 操作流程163.1.2 注意事项183.2 诊断方法193.2.1 诊断流程1
2、93.2.2 现场常见干扰及排除方法203.2.3 放电缺陷类型识别与诊断223.2.4 放电源定位253.2.5 局部放电严重程度判定26第4节 典型案例分析274.1 220kV GIS盆式绝缘子内部气隙缺陷检测274.2 110kV电缆-GIS终端绝缘内部气隙缺陷检测294.3 220kV GIS内部刀闸放电缺陷检测34参考文献39第1节 特高频局放检测技术概述1.1 发展历程电力设备内发生局部放电时电流脉冲(上升沿为ns级)能在内部勉励频率高达数GHz电磁波,特高频(Ultra High Frequency,UHF)局部放电检测技术就是通过检测这种电磁波信号实现局部放电检测目。特高频法
3、检测频段高(普通为300M3000MHz),具备抗干扰能力强、检测敏捷度高等长处,可用于电力设备局部放电类缺陷检测、定位和故障类型辨认覃剑. 特高频在电力设备局部放电在线监测中应用J. 电网技术. 1997,21(6):33-36.。特高频法过去曾被称为“超高频法”。但是按照中华人民共和国无线电频率划分规定,300MHz3000MHz频带划分为特高频,因而该检测办法正式名称为特高频法。特高频局部放电检测技术是20世纪80年代初期由英国中央电力局(Central Electricity Generating Board,CEGB)一方面提出来,该办法由Scottish Power于1986年最先
4、引进并应用于英国Torness 420kVGIS设备上B.M. Pryor. A review of partial discharge monitoring in gas insulated substationsC. IEE Colloquium on Partial Discharges in Gas Insulated Substations:1994.。Torness电站近年运营经验验证了该办法可行性,并得到了人们承认。随后UHF法也被用于变压器等其她电力设备局部放电检测中。通过三十余年发展,该办法逐渐成熟,有关技术原则也相继形成。期间英国Strathclyde大学、德国Stuttg
5、art大学、荷兰Delft大学和日本Nagoya大学研究工作最为突出钱勇,黄成军,江秀臣,等. 基于特高频法GIS局部放电在线监测研究现状及展望J. 电网技术. (1):40-43.。此外,英国Rolls Royce工业电力集团、QualitrolDMS,德国Siemens AG、Doble-Lemke,瑞士ABB,荷兰KEMA,法国ALSTOM T&D,日本Kyushu Institute of Technology、东京电力、三菱、东芝、日立、AEPower Systems,韩国Power System Diagnosis Tech、HYOSUNGCorporation,澳大利亚New S
6、outh Wales大学、Powerlink Queensland Ltd作了大量基本理论研究与技术开发工作。自20世纪90年代末以来,国内西安交通大学、清华大学、重庆大学、华北电力大学、上海交通大学等高校和公司也开展了大量研究和推广工作,获得了一定研究成果。基本从以来,UHF局放检测技术在国家电网公司、南方电网公司等国内电力公司得到了广泛应用,特别是在气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulation Switchgear,GIS)绝缘缺陷检测中发挥了重要作用。20世纪90年代,由Judd和Hampton等人对局放电磁波勉励特性及其传播特性做了研究,对电磁波表达式进行了推导分析。此外,还
7、提出采用分析电磁场有限时域差分(FDTD)办法对GIS 局放勉励特性进行仿真分析。德国Stuttgart大学Kurrer和Feser等研究人员采用脉冲电流法、超声波法和UHF法对GIS中局放进行检测研究,对电磁波在GIS腔体内传播衰减状况进行了研究。日本大阪大学Kawada和东京电力公司Okabe等人对GIS内电磁波勉励和传播特性以及采用UHF办法对其进行检测做了诸多细致仿真和研究工作。荷兰Delft理工大学Gulski和Meijer等学者采用并对比了脉冲电流法、UHF窄带以及宽带法检测局放成果,指出可以通过度析检测到局放信号,对GIS设备进行风险评估。上世纪90年代以来,以英国DMS公司为代
8、表特高频局放检测仪器制造公司成功研制了便携式检测装置,并得到了广泛应用。国内某些仪器制造公司于以来将该技术引入国内,开始研制、开发特高频局放检测装置,并投入商业运营,但整体性能尚不及国外水平。上海交通大学智能输配电研究所江秀臣、钱勇等学者系统进一步地研究了GIS设备局放基本特性,并结合新型传感器技术和数字信号解决技术,开发出基于UHF和超声传感器局放在线检测、定位和故障诊断设备。通过大量模仿实验和现场检测,收集了大量现场数据,积累了丰富局部放电检测经验,在局部放电定位、局放脉冲提取、放电类型辨认以及放电量预计方面逐渐形成了自己独特经验和知识,并获得了良好使用效果黄成军,郁惟镛. 基于小波分解自
9、适应滤波算法在抑制局部放电窄带周期干扰中应用 J. 中华人民共和国电机工程学报,23(1):107-111.-肖燕,黄成军,江秀臣等. 波形匹配追踪算法在多局放脉冲提取中应用J. 中华人民共和国电机工程学报,25(11):157-162.钱勇,黄成军,江秀臣等. 多小波消噪算法在局部放电检测中应用J. 中华人民共和国电机工程学报,27(6):89-95.HuijuanHou,Gehao Sheng,Xiuchen Jiang,et al. Robust Time Delay Estimation Method for Locating UHF Signals of Partial Discha
10、rge in Substation J. IEEE Trans. on Power Delivery,28(3):1960-1968.。西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室邱毓昌和王建生等人对特高频传感器进行了研究,并采用网络分析仪对其频率响应特性进行测量,具备良好频率响应特性,实测带宽可达3GHz。研制了GIS局放特高频检测系统装置,并在实验室GIS内模仿故障缺陷,通过对特高频局放测量系统进行实验,表白检测效果良好王建生,邱毓昌. 气体绝缘开关设备中局部放电在线监测技术J. 电工电能新技术,19(4):44-48.。清华大学电机系刘卫东、钱家骊等学者从1986年获得机械工业部七五公关项
11、目GIS内部故障检测开始,进行了GIS局放监测和诊断技术研究。1994年,最早提出了基于体外特高频传感GIS局放在线监测办法,并于1995年开发出应用装置,至今已在国内外数十家电力公司和电力设备制造公司得到应用,多次发现了放电并进行了定位刘卫东,钱家骊,黄瑜珑. GIS局部放电特高频(UHF)在线检测定位装置J. 华通技术,(2):18-21.,钱家骊,刘卫东,金立军. GIS局部放电监测诊断技术研究J. 华通技术,(1):19-22.。但该装置对采集放电信号如何进行分析解决,进而进行模式分类判断问题,尚无法给出定论。华北电力大学高电压与电磁兼容实验室李成榕等学者对UHF传感器进行了研究,在实
12、验室设计了用于模仿GIS内部局放各种绝缘缺陷模型并进行局放检测实验。采用FDTD法对GIS 局放传播特性进行了分析,开发出一系列在线监测装置,既可以对GIS进行在线监测,也能固定安装进行长期监测,并可实现对局部放电源定位李信,李成榕,李亚莎,等. 有限时域差分法对GIS局部放电传播分析J. 中华人民共和国电机工程学报,25(17):150-155.。重庆大学高电压与电工新技术教诲部重点实验室孙才新、唐炬等学者对UHF传感器模型和性能做了大量研究,研制了圆板和圆环两种内置传感器以及用于局放在线监测高频微电流传感器,分析了它们频率响应特性以及输入输出特性。研制出一套GIS 局放在线监测装置,已成功
13、运营于某220kVGIS变电站唐炬,许高峰,孙才新,等 GIS局部放电两种内置传感器响应特性分析J. 高电压技术,29(2):29-31.。UHF局放检测技术下一步研究与应用工作重要环绕如下几种方面展开:(1)对新型UHF传感器研究。鉴于国内大量初期设计制造GIS无法安装内置传感器,敏捷度高、抗干扰性能好外置传感器尚有待进一步研究。(2)对UHF信号在GIS内外传播特性研究。鉴于GIS构造及UHF信号传播模式复杂性,研究GIS内部和外部UHF信号传播特性对于完善UHF监测系统具备重要意义。(3)对局放源辨认和定位新办法研究。应注意选取最优神经网络构造,由于局放信号分散性,分形分析等新技术可用于
14、辨认局放源;鉴于常规时间差定位法对传感器及分析仪器高规定,研究简捷定位技术也是当务之急。(4)对UHF检测装置研究与开发。当前国内UHF检测办法核心核心技术依然整体落后于国外,特别是落后于以英国、韩国等为代表检测仪器制造水平。这就需要尽快集中华人民共和国内技术优势,研究和开发具备国际领先水平UHF检测装置。1.2 技术特点1.2.1 技术优势当前局部放电检测手段重要有脉冲电流法、特高频法、超声波法、化学法以及光学法。脉冲电流法是局部放电最成熟可靠检测办法,敏捷度高,可定量分析,但是其缺陷是不能定位,且不能用于运营中设备;化学法是运用放电使绝缘介质发生分解,通过检测这些分解产物含量来判断与否存在
15、放电及放电量大小,涉及充油设备中成熟应用气相色谱法,以及SF6开关设备中气体分解产物法。但是SF6分解产物法由于SF6气体自身复合力强,且气室内有吸附剂存在,以及GIS设备中往往各种气室互通等因素存在,敏捷度较低。光学法需安装各种传感器,不能用于设备内部放电检测。特高频法具备如下技术特点:(1)检测敏捷度高。局部放电产生特高频电磁波信号在GIS中传播时衰减较小,如果不计绝缘子等处影响,1GHz特高频电磁波信号在GIS直线筒中衰减仅为35dB/km。并且由于电磁波在GIS中绝缘子等不持续处反射,还会在GIS腔体中引起谐振,使局部放电信号振荡时间加长,便于检测。因而,特高频法能具备很高敏捷度。此外
16、,与超声波检测法相比,其检测有效范畴要大得多,实当前线监测需要传感器数目较少。(2)现场抗低频电晕干扰能力较强。由于电力设备运营现场存在着大量电磁干扰,给局部放电检测带来了一定难度。高压线路与设备在空气中电晕放电干扰是现场最为常用干扰,其放电产生电磁波频率重要在200MHz如下。特高频法检测频段普通为300M3000MHz,有效避开了现场电晕等干扰,因而具备较强抗干扰能力。(3)可实现局部放电源定位。局部放电产生电磁波信号在气体中传播近似为光速,其到达各特高频传感器时间与其传播距离直接有关,因而,可依照特高频电磁波信号到达不同传感器时间先后,判断信号源方向,或运用电磁波到达气室两侧两个传感器时
17、间差以及两个传感器之间距离,计算出局部放电源详细位置,实现绝缘缺陷定位。为GIS等设备维修筹划制定、提高检修工作效率提供了有力支持。(4)利于绝缘缺陷类型辨认。不同类型绝缘缺陷局部放电所产生特高频信号脉冲幅值、数量、相位分布、频谱不同,具备不同谱图特性,可依照这些特点判断绝缘缺陷类型,实现绝缘缺陷类型诊断。1.2.2 局限性同步,UHF局放检测技术也具备一定局限性,重要体当前如下几种方面:(1)容易受到环境中特高频电磁干扰影响。由于UHF局放检测技术检测频率范畴为300M3000MHz,在如此宽频带范畴内也许存在手机信号、雷达信号、电机碳刷火花干扰等环境电磁干扰信号,在超高压敞开式变电站内也存
18、在着较强电磁干扰信号。这些干扰信号也许会导致对UHF检测干扰,从而影响到检测精确性。(2)外置式传感器对全金属封闭电力设备无法实行检测。对带金属法兰屏蔽环GIS、全金属封闭变压器等电力设备,内部局部放电激发电磁波无法传播出来,也就无法应用外置式UHF检测技术实行检测,特别是对已经运营该存量设备特别如此。(3)尚未实现缺陷劣化限度量化描述。当前国内外尚没有该检测技术、检测装置技术原则,同步受到电磁波信号传播途径、缺陷放电类型差别等因素影响,虽然其检测信号幅值与缺陷劣化限度在趋势上基本具备一致性,但尚不能实现与脉冲电流法类似缺陷劣化限度精确量化描述。1.2.3 合用范畴UHF法合用范畴重要取决于该
19、技术办法检测原理,即只有电力设备内部局放激发电磁波可以传播出来并被检测到,该办法即可用。UHF法在各种电力设备现场应用中,以GIS中局部放电检测效果最佳,当前已是国际上对GIS设备普遍采用状态检测技术,可以达到相称于几种pC检测敏捷度。当前特高频法现场应用较多有在线监测,也有带电检测,检测设备对象涉及GIS、变压器、电缆附件、开关柜等,多数采用外置式传感器检测。而内置式传感器检测重要用于GIS、电力变压器等核心设备。采用预先设立内置式传感器实现电力设备状态检测,可灵活进行带电检测,也可构成在线监测系统,必将成为一种趋势。在国家电网公司修订十八项电网重大反事故办法中,明确规定了新建220kV以上
20、GIS设备应内置特高频传感器。1.2.4 技术难点UHF法自身具备检测敏捷度高、现场抗干扰能力强、可实现局部放电在线定位和利于绝缘缺陷类型辨认等长处。与此同步,UHF法在实际应用过程中依然有某些问题未得到解决,技术难点重要体当前如下几种方面。(1)UHF传感器技术。这是UHF局部放电检测技术核心,按其安装位置可分为内置传感器和外置传感器。外置式传感器使用和维护以便,尺寸和机械性能规定较低,成本低,能用于无法或难以安装内置传感器老式电力设备。但由于电磁信号衰减,以及传感器直接暴露在外界空间中受到电磁干扰,外置式传感器敏捷度相对较低、抗干扰能力相对较弱。相比较下,内置式传感器敏捷度高、抗干扰能力强
21、,但是制作和安装成本也更高,普通在设备生产时直接安装在内部。内置式传感器构造不但和敏捷度关于,还受到工作环境和安装方式影响。适当内置式传感器应当在不影响电力设备构造和内部场强分布前提下,实现带宽为300M3000MHz局部放电信号检测,并具备足够敏捷度和抗干扰能力 M.D. Judd,L. Yang,I. Hunter. Partial discharge monitoring for power transformers using UHF sensors Part 1:Sensors and signal interpretationJ. IEEE Electrical Insulatio
22、n Magazine. ,21(2):5-14.。(2) 抗干扰和放电源定位问题。干扰信号排除和放电源定位往往是同步进行。实际检测中需要综合应用时差法、幅值比较法、方向性、三维定位法、特性谱图辨认等办法进行分析,实现抗干扰和放电源定位目。由于干扰种类是多样,体现出特性也不同,找出一种有效办法来抑制所有干扰是很难,因而需要针对不同干扰源,采用不同办法,综合运用,达到抗干扰目。现场干扰依照其时域特性不同,可分为白噪声干扰、窄带周期性干扰和脉冲型干扰三类,而脉冲型干扰又可进一步分为周期型脉冲干扰和随机脉冲干扰。应用UHF办法来采集局部放电信号对某些频率较低干扰信号可以直接避免,有也许采集到干扰信号源
23、及其频率重要有如下几种 胡明友,谢恒堃,蒋雄伟,等. 基于小波变换抑制局部放电监测中平稳性干扰滤波器研究J. 中华人民共和国电机工程学报,20(1):37-40.- X. Ma,C. Zhou,I. J. Kemp. Interpretaion of Wavelet Analysis and Its Application in Partial Discharge Detection J. IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation,9(3):446-457. 黄成军,郁惟镛. 基于小波分解自适应滤波算法在抑制局部放电窄带周期干扰中
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