GIS局放体内传感器M200使用手册.docx

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GIS局放体内传感器M200使用手册

M200型GIS局部放电UHF在线检测定位仪

使用说明

2011年9月

1.前言

M200型GIS局部放电UHF在线检测定位仪为便携式设备，采用GIS体内UHF传感，能够在GIS运行条件下，检测和定位其内部的局部放电，能够抵抗变电站环境中的主要电磁干扰，包括空气中电晕放电的干扰，对GIS中主要局部放电类型的检测灵敏度达到10pC以内，对局部放电定位准确度达到±1m的范围。

M200型GIS局部放电UHF在线检测定位仪可应用于以下场合：

•GIS工厂试验和GIS出厂时的工频耐压试验或常规局部放电检测试验相结合，对完成工厂组装的GIS进行局部放电检测。

•GIS现场交接试验和GIS现场的工频耐压试验或常规局部放电检测试验相结合，对完成现场安装的GIS进行局部放电检测和定位。

•GIS运行检测在GIS运行情况下，通过定期检测，发现GIS运行过程中可能发展起来的局部放电。

2.工作原理

──超高频UHF传感原理

局部放电是电气绝缘中局部区域的电击穿，能够产生宽频带的电磁暂态和电磁波，高频分量达到数GHz。

局部放电UHF传感，就是在UHF（0.3-3GHz）频段探测局部放电产生的电磁波信号。

之所以选择在UHF频带进行局部放电信号传感，是因为UHF传感可以有效抑制变电站现场的电磁干扰，保证局部放电检测的灵敏度。

──UHF抗干扰原理

局部放电UHF传感的抗干扰基于以下三个原理：

•变电站的干扰信号，如架空线上的电晕放电干扰，主要分布在低于UHF的频段，因此，采用UHF传感，能够避开主要干扰信号，提高局部放电传感的信噪比。

•UHF信号传播过程中衰减比较快，UHF频带的干扰信号只能局限在比较小的范围，不会产生大范围的影响，因此，UHF传感可以减小变电站电力设备之间的相互干扰。

•局部放电UHF传感能够提供基于电磁脉冲时差的放电定位，有效区分设备内部的局部放电和设备附近的放电型干扰。

放电定位是重要的抗干扰手段。

──放电定位原理

UHF传感的局部放电定位基于以下两个原理：

•UHF信号传播过程中衰减比较快，离开放电源的距离不同，放电信号的幅值显著不同，因此，通过比较UHF放电信号的幅值可以进行放电源的定位。

•局部放电的UHF脉冲具有ns时间量级的起始沿，采用多个UHF传感器同时测量，能够得到各个传感器脉冲的时差，并基于此计算和判断放电源的位置。

──GIS内部UHF耦合器

图1是GIS内部UHF耦合器结构示意图，它是一个设置在手孔内的感应电极，当GIS内部存在局部放电时，所产生的UHF电磁波信号沿着GIS管道传播，被感应电极接收，通过电缆接头传送到GIS体外，输入至后续处理设备。

图1GIS局部放电体内UHF传感原理图

3.仪器结构

──结构框图

图2是GIS局部放电UHF在线检测的结构框图，包含UHF耦合器、放电信号处理和测量设备：

•UHF耦合器接收GIS内部局部放电产生的UHF电磁波信号，完成局部放电信号传感，UHF耦合器由GIS制造厂制作在GIS内。

•外部天线接收GIS外部的背景电磁波信号，用于背景干扰测量和放电定位。

•放电信号处理单元对UHF耦合器输出的信号（或外部天线信号）进行放大、滤波和脉冲整形等处理，输出局部放电的特高频信号（HO）和局部放电的宽脉冲信号（MO）。

•测量设备对放电信号处理单元输出的信号进行观察，可采用示波器，也可采用基于便携式计算机的数据采集装置。

为了进行局部放电定位，测量系统通常包含2个以上的测量通道，便于不同测点位置的信号幅值比较和信号时差测量。

为了便于信号时差测量，2个测量通道使用的电缆需要相同长度，即电缆11和电缆21长度相同，电缆12和电缆22长度相同。

电缆12

电缆11

UHF耦合器1

放电信号

处理单元1

测量设备

UHF耦合器2

或外部天线

电缆21

放电信号

处理单元2

电缆22

图2GIS局部放电UHF检测装置结构框图

──放电信号处理单元

放电信号处理单元的外部结构如图3所示，包括：

电源开关和指示灯、电池盖板和盖板固定螺钉、输入端、HO输出端和MO输出端：

•电源开关和指示灯放电信号处理单元采用电池供电（5#电池），由电源开关和指示灯控制和指示。

•电池盖板和盖板固定螺钉可开启盖板和更换电池。

•输入端来自UHF耦合器的信号通过电缆输入至此端口。

•HO输出端和MO输出端经过放大和滤波的局部放电UHF信号由HO输出端输出；再经过波形整形后，由MO输出端输出，下面将具体说明。

图3放电信号处理单元外部结构

──放电信号处理流程

放电信号处理单元中的信号处理流程见图4所示。

UHF耦合器输出的局部放电信号，经过放大和滤波后，由HO输出端输出。

HO信号具有频率高和脉冲窄的特点，脉冲宽度在ns时间量级，需要采用高速示波器，在高时间分辨率下观察放电脉冲波形。

对放大和滤波后的局部放电UHF信号进行整形，得到宽脉冲信号，由MO输出端输出。

MO信号为单极性宽脉冲脉冲，脉冲宽度在μs时间量级，可在较低时间分辨率下观察放电脉冲波形。

在观测局部放电信号时，通常希望观察在工频周期内是否重复出现放电脉冲，以及放电脉冲在工频周期内的分布，包括脉冲幅值、相位和个数等，为此，经常需要选择在工频周期（20ms）的时间分辨率下进行观察。

局部放电的HO输出信号（UHF信号）脉冲很窄，在工频时间分辨率下观察不到；局部放电的MO输出信号具有较大的脉冲宽度，适合工频周期时间分辨率下的测量，满足在工频周期内观察局部放电脉冲的分布。

当进行局部放电定位时，需要测量不同传感器的放电信号的脉冲时差，时差测量必须观察局部放电的HO输出信号，图5所示是局部放电脉冲时差测量的示波图，2个传感器的HO脉冲时差约为50ns。

综上所述，当观察是否存在放电信号和放电信号在工频周期中的分布时，观察放电信号处理单元的MO输出信号；当进行放电定位的脉冲时差测量时，观察放电信号处理单元的HO输出信号。

图4放电信号处理单元的信号流程

图5局部放电UHF脉冲时差示波图

4.局部放电检测和定位操作

──局部放电检测操作步骤

图6所示是局部放电检测的系统连接示意图，操作步骤如下：

•取下GIS上UHF耦合器电缆头的保护帽；

•将图6中电缆1的一端连接至UHF耦合器的电缆头；

•将图6中电缆1的另一端连接至信号处理单元；

•将信号处理单元的MO输出端和测量设备的输入端通过图6中的电缆2相连；

•进行局部放电信号观测；

•卸下测量系统，拧回UHF耦合器电缆头的保护帽。

图6局部放电检测的系统连接

──局部放电信号观测

•背景在没有局部放电信号和任何干扰信号的情况下，MO输出应为零，示波器显示零线；

•放电脉冲如果存在放电，无论GIS内部局部放电或是GIS外部的干扰放电，MO输出脉冲信号，一次放电产生一个脉冲，每一个放电脉冲应是指数衰减波形，见图7所示。

一连串指数脉冲的叠加，基本可以判断属于放电导致的。

•局部放电的间歇性局部放电可能断续发生，短期检测没有发现局部放电信号，不能完全排除存在绝缘缺陷的可能性。

对于关注的GIS设备，应该增加检测次数和时间。

•局部放电的持续性绝缘缺陷一旦发生局部放电，通常会每个工频周期重复出现，且持续一段时间。

也会存在局部放电脉冲十分偶发的绝缘缺陷的情况。

•局部放电信号的工频相关性局部放电随着工频电压的正弦变化而发生，因此具有工频相关性（自由跳动金属颗粒放电情况除外），每个工频半波或每个工频周波放电若干次。

工频相关性是判断属于GIS内部局部放电的一个重要依据。

•如果MO输出出现零线跳动，或其它形状的波形，则应考虑干扰信号的可能性。

对于很偶然出现的个别放电脉冲信号，应注意检查周围是否有放电干扰。

•定位确认很多干扰放电信号也具有工频相关性，在难以有效区分GIS内部放电和干扰放电时，放电定位是最终的决定性手段。

放电定位的操作方法见后续内容。

图7每个放电脉冲具有指数衰减波形

──基于MO信号幅值比较的局部放电定位

如图8所示连接检测系统，比较UHF耦合器1和UHF耦合器2的MO输出信号的幅值，具有明显较大信号幅值的耦合器位置为局部放电靠近的位置。

图8基于MO信号幅值比较的局部放电定位

──基于HO信号时差测量的局部放电定位

如图9所示连接检测系统，保证电缆11和电缆21等长，电缆21和电缆22等长，测量UHF耦合器1和UHF耦合器2的HO输出脉冲的时差，具有脉冲时间领先的耦合器位置为局部放电靠近的位置。

另外，测量两个耦合器的脉冲时差，根据电磁波传播速度（约4m/ns），可以计算局部放电源在两个耦合器之间的位置。

图9基于HO脉冲信号时差测量的局部放电定位

──基于MO信号幅值比较的干扰放电定位

如图10所示连接检测系统，在GIS外部空间设置一个天线，测量空间背景信号。

比较UHF耦合器和外部天线的MO输出信号的幅值，如果UHF耦合器信号显著大于外部天线的信号，则判断为较大可能的内部局部放电；如果UHF耦合器信号显著小于外部天线的信号，则判断为较大可能的外部干扰放电。

图10基于MO信号幅值比较的干扰放电定位

──基于HO信号时差测量的干扰放电定位

如图11所示连接检测系统，在GIS外部空间设置一个天线，保证电缆11和电缆21等长，电缆21和电缆22等长。

测量UHF耦合器和外部天线的HO输出脉冲的时差，根据脉冲时间领先的情况判断是GIS内部局部放电或是外部干扰放电。

如果在某一UHF耦合器位置，无论外部天线如何变化，UHF耦合器信号总是领先外部天线的信号，则放电源一定是在UHF耦合器附近，属于内部局部放电。

如果当外部天线在远离GIS的方向上测得领先的脉冲，则说明信号是来自于该方向上的干扰放电。

图11基于HO脉冲信号时差测量的干扰放电定位

5.典型局部放电类型识别

──浮电位金属颗粒（不跳动）和金属部件

图12所示是典型浮电位缺陷引起的局部放电波形图，包括可移动但不可跳动的金属颗粒、松动螺丝或屏蔽罩等。

浮电位放电的波形特点是，每个工频半波或工频周波的放电脉冲比较规则，包括各个放电脉冲的幅值变化范围较小；脉冲之间的间隔比较恒定；各个工频半波或工频周波的放电次数比较一致；正负工频半波的波形可能对称或不对称（取决于放电间隙的对称性）。

图12典型浮电位缺陷引起的局部放电波形图

──跳动金属颗粒

图13所示是典型跳动金属颗粒放电的三维谱图。

波形特点是，放电发生在金属颗粒降落到GIS外壳底部的瞬间，放电脉冲和工频相位不再有强的相关性。

图13典型跳动金属颗粒放电三维谱图

──SF6中尖端放电

图14所示是典型SF6中尖端放电的波形图。

尖端放电的波形特点是，放电脉冲密集，脉冲连成一片，如山峰状；幅值分散；正负半波严重不对称（尖端间隙不对称所致）。

图14典型浮电位缺陷引起的局部放电波形图

──绝缘子表面金属颗粒放电

图15所示是典型绝缘子表面金属颗粒放电的波形图。

金属颗粒和绝缘表面放电，其波形特点为，放电脉冲不像尖端放电那样密集，能够分辨出单个脉冲；脉冲幅值分散；正负半波严重不对称。

图15典型绝缘子表面金属颗粒放电的波形图

6.局部放电强度

测得的局部放电UHF信号幅值与以下因素有关：

•局部放电量较大的局部放电量产生较大幅值的脉冲；

•局部放电类型不同类型的局部放电，UHF传感具有不同的灵敏度，对于传感较灵敏的局部放电类型，如浮电位放电，能够测得较大幅值的脉冲；

•局部放电信号传播路径衰减不同的UHF耦合器设计具有不同的传感频带和灵敏度，影响测得的局部放电信号的脉冲幅值；

•信号处理单元的增益和频带信号处理单元具有放大和滤波的功能，放大器的增益和滤波器的通带影响测得的局部放电信号的脉冲幅值。

以上多种因素影响局部放电检测信号的脉冲幅值，因此，无法简单获得局部放电量和信号脉冲幅值的关系。

对于局部放电的影响，有以下基本判断：

•一旦检测到和确认为GIS内部的局部放电，一定存在绝缘缺陷；

•当信号达到数百mV量级以上时，为显著的缺陷；

•如果放大发生在绝缘子附近，可能是绝缘子表面或内部缺陷，需要高度关注。