GIS局部放电定位方法的研究学士学位论文.docx
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GIS局部放电定位方法的研究学士学位论文
北方民族大学
学士学位论文
论文题目:
GIS局部放电定位方法的研究
摘要
随着社会高速的发展，对电能质量的要求越来越高，同时对设备安全运行的要求也相应提高。
GIS（气体绝缘封闭式组合电器）以其体积小，可靠性高等优点受到电力系统的欢迎。
GIS从设计的出发点、是设计成不需维护的设备，然而，一旦GIS发生故障，其修复时间将更长，对电力系统的危害也更大。
局部放电是GIS中绝缘老化的一个最为重要的因素，目前已使用的在现场检测有检测放电产生的光，超声波，电流，电磁波等等，由于方法本身的缺陷或者检测后的处理问题加上现场强烈的干扰，使得检测精度不高。
针对这种情况，本文采用紧贴在绝缘支撑物表面安装的外部天线检测GIS中局部放电产生的电磁波信号。
重点对利用两天线的时间差进行局放点定位展开研究。
试验证实，利用时间差可对局部放电源进行较为精确的定位。
文章首先介绍了局部放电危害以及目前的检测方法，接着介绍了检测系统的结构和试验方法，利用实验数据对放电点的定位，在比较的基础上得出最终论。
关键词:
局部放电,GIS（气体绝缘封闭式组合电器）,在线监测,时延估计
ABSTRACT
Higherandhigherqualityelectricalpowersupplyisneededwiththedevelopmentofthesociety.SoGIShasmoreandmoreapplicationsinthepowersystemduetoitscharacteristicsadvantage,suchassmallvolume,highquality,etc.
Essentially,GISisdesignednottoneedmaintenance.Howeverincaseofaninsulationbreakdown,ittakesalongertimeforitsrestorationandthebreakdowncausesmoreseriousdamagetosystemoperation
Asisknowntoall.partialdischargeisasymptomofaninsulationbreakdownoccurringinGIS.Soitisveryimportant.Atpresent,signalsoflight.supersonicwave.currentandelectromagneticwavewhichareemittedfromGIScanbeutilizedtodeterminewhetherPDoccurs.however,Thesolvethisproblem,thispaperproposesanoncontactdetectionmethodbyusinganatennasfittedcloselyontheoutercircumferenceoftheinsulationspacetoreceivesignalsofelectromagneticwaveemitted.Weemphasizesparticularlyontheresearchofusingthetimedelaybewteen
signalfromtwoantennastolocatethePDinGIS.ExperimentsprovedthatthetimedelaybetweenthesignalscanbeusetofindcorrectlythelocationofdefectsinGIS.
Thispaper:
ThefirstpartintroducesbasicknowledgesuchasPD'sprincipleanddetectionmethodsusednow.Thesecondpartintroducesthesystemfordetectingandourexperiment.andthelastpartanalyzethedatatolocatethedefectsandgetstheconclusion.
Keywords:
PDGIS,on-linemonitor,timedelayestimation
.
目录
第1章绪论1
1.1简介1
1.2GIS局部放电在线监测综述2
1.2.1GIS绝缘结构特2
1.2.2局部放电的特点和信号传播特性3
1.2.3GIS局部放电在线检测方法5
1.3GIS在线监测的意义8
1.4本文主要工作9
第2章实验方法和干扰分析及抑制10
2.1局部放电机理10
2.2实验设备及原理图10
2.2.1微带贴片天线（MPA）设计与分析10
2.2.2实验方法11
2.3干扰的分析与抑制13
2.3.1干扰的主要来源13
2.3.2抑制干扰的主要方法14
2.4数字信号处理14
2.4.1小波变换去噪14
2.4.2小波去噪基本原理15
2.4.3利用小波变换原理提取局部放电脉冲信号15
2.5本章结论15
第3章时间差的计算与放电源的定位17
3.1定位方法及步骤17
3.2时间差的计算18
3.2.1互相关函数法18
3.2.2互相关函数的改进——单脉冲相应法19
3.3能量比法对时间差的计算21
3.3.1平方积分法21
3.3.2能量比法22
3.4两天线时间差法定位24
3.4.1定位原理24
3.4.2实验结论26
3.5本章小结27
第4章MatLAB仿真结果28
4.1MatLAB仿真28
4.2本章结论30
第5章结论与展望31
致谢33
参考文献34
附录1：
英文原文35
附录4：
中文译文43
第1章绪论
1.1简介[1][2][3]
气体绝缘组合电器（GasInsulatedSubstation,简称GIS）即就是SF6全封闭组合电器，是70年代初期出现的一种先进的高压电器配电装置。
它是将变电站中除变电器外的电气设备，包括断路器、隔离开关、接地（快速）开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线（三相或单相）连接管和过度元件（SF6—电缆头、SF6—空气套管、SF6—油套管）等全部封闭在一个接地的金属外壳内，壳内充以0.34MPa~0.4MPa的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。
它的绝缘介质具有优异的灭弧和绝缘性能。
同时，SF6的化学性能稳定且无毒性。
经过多年的实践，如今在高压、超高压及特高压领域，SF6气体几乎成为断路器和GIS的唯一绝缘和灭弧介质。
因为与常规的电器相比，GIS具有体积小、技术性能优良、占地面积小、基本不受外界气候因素的影响，无火灾危险、检修周期长、运行安全可靠等特点。
自20世纪六十年代问世以来，GIS迅速发展，在输变电系统中占据着重要的地位。
因此GIS近年来在许多大型重要电站得到普遍应用。
由全封闭组合电器组成的气体绝缘变电站与常规敞开式户外变电站相比有以下优点：
（1）占地面积和空间显著降低，且随电压的增加而显著减少。
（2）不受外界环境条件（例如污染）的影响，运行安全可靠。
（3）SF6断路器开断性能好，检修周期长。
（4）安装方便，GIS一般都在工厂装配后以整体形式或分成若干部分运往现场，故可缩短现场安装工作量和工程建设周期。
（5）SF6气体的耐压强度比空气高得多，而且它无臭，不易燃。
尽管气体绝缘组合电器具有如此多的优点，且一般故障率只有常规设备的20%~40%。
但GIS也有其本身固有缺点，由于GIS是全封闭组合电力设备，所以一旦出现事故，造成的后果比分离式敞开设备严重的多，其故障修复相当的复杂，有时候需要两星期甚至更长的时间才能修复。
还有因此而大面积的停电，常涉及非故障元件。
因此，GIS的运行检测十分重要，不仅仅需要认真进行常规预防性试验，而且应该重点研究GIS的在线监测技术，及时发现各种可能的异常或故障预兆并进行处理。
在我国目前在线监测技术并不是十分成熟，并且监测系统的研制费用高，风险大，周期长。
GIS绝缘早期故障的主要形式是局部放电，局部放电既是设备绝缘的劣化征兆，又是造成绝缘劣化的重要原因，因此监测局部放电能够有效的发现GIS内部绝缘缺陷，尤其是潜伏性和突发性故障。
对局部放电进行有效的在线监测对于电力设备的安全稳定运行起到关紧性的意义。
在比较低的工频电压下局放检测可以发现GIS的缺陷且不必使其发生破坏性放电，因此局部放电测量是GIS现场试验中最常使用的方法之一。
由于价格昂贵以及故障监测与诊断技术本身尚需完善提高当前虽有一些GIS局部放电监测诊断装置已投入运行，却远未推广，从而使此项研究开发工作仍在为热点。
因此从电力系统的发展来看，对GIS进行在线检测的研究是十分必要的，这将有利于GIS电站的远程监控，实现其状态维修，是十分有意义的。
1.2GIS局部放电在线监测综述
1.2.1GIS绝缘结构特[3]
GIS设备可分为户外型与户内型两大类，总体结构较为相似，采用SF6气体或SF6混合气体作为主绝缘。
由于这种气体在制造过程中不可避免地存在水分和氧气等杂质，在开断电弧高温下800K—1000K时就开始分解出SF4和F，很容易发生一系列的化学反应而产生酸性有害物物质，容于侵蚀含硅的物质，因此在有电弧存在的SF电器的气室不能使用含硅的绝缘件，GIS内输电母线用环氧盆式绝缘子作为支撑绝缘。
GIS有单相封闭式和三相封闭式两种不同结构，其中三相封闭式比单相封闭式的总体尺寸小、部件少、安装周期短，但是额定电压等级比较高时制造比较困难。
所以通常只对110KV及以下的电压等级采用全三相封闭式结构，对220KV级除断路器以外的其他元件采用三相封闭式结构，对330KV及以上等级则一般采用单相封闭式结构。
（a）（b）
（a）结构布线图（b）主接线
图1-1GIS的内部结构图
对于运行中的GIS绝缘件表面覆盖有SF6电弧分解物，在气体中含水分很少时，这些分解物是绝缘的。
因此设备在完成短路开断试验后，只要内部气体为受潮，一般都能忍受住产品规定的高压实验：
如果在SF6气体含水分较多时，受潮的固体分解物呈半导体特性，会使绝缘子表面的绝缘电阻下降，就可能引起局部放电，将会进一步劣化绝缘状态。
SF6气体被电弧或放电分解后生成许多低氟化物，大多数在极短时间内复合成SF气体。
SF电弧分解物通常没有剧毒的S2F10。
基本上具有很高的耐电强度，对气体间的耐电强度没有什么影响，即便是在气体分解物浓度达到30%时耐电强度也没有什么变化。
不过这些气体分解物对材料有腐蚀作用，尤其是SF4，会与含有SiO2填充剂的绝缘材料产生化学反应，使SiO2使变成粉状的SiF4，如果SF6中有水分，SF4与水反应生成腐蚀性更强的HF,HF与SiO2反应不但会强烈的侵蚀了绝缘材料，而且又析出水分，形成一个“酸—腐蚀—水”的恶性循环。
伴随绝缘的劣化，设备的局部放电频率与强度也会不断上升，这时局部放电的发展将危及GIS内绝缘安全。
1.2.2局部放电的特点和信号传播特性[5][6]
GIS内场强很高，当设备内部由于制造工艺或者运行的原因存在下述缺陷时会产生局部放电，放电机理如图：
图1-1GIS内局放机理示意图
GIS的内部故障以绝缘故障的比例为多，且后果严重。
绝缘故障产生的原因可以有以下几种：
（1）固体绝缘材料如环氧树脂的浇铸件内部缺陷损伤造成。
（2）由于制造工艺不良、滑动部分磨损、触头烧损和安装不慎等因素在GIS内部残留的金属屑末（或称导电微粒）引起的放电。
（3）高压道题导体表面的突出物（由于偶然因素遗留在导体表面造成的高场强点）引起的电晕放电。
（4）由于触头接触不良，金属屏蔽罩固定处接触不良造成浮电位而引发重复的火花放电。
由于GIS内部存在上述缺陷，所以容易发生局部放电，一般来说放电的类型可以分成以下几类：
根据放电类型的识别有助于判断局部放电危害程度，不同类型缺陷将会使运行GIS发生故障的概率以及放电特征有所不同：
（1）约占故障总数的20%是由于GIS设备内存在自由颗粒和异物所产生的。
自由颗粒和异物主要来自两个方面，一个GIS设备安装过程中残留下来并在交流耐压实验过程未能完全去除的。
二是GIS在运行后因元件磨损或振动等原因而产生的。
由于GIS中自由导电微粒有积累电荷能力，静电力在交流电压作用下可以使导电微粒在GIS筒内跳动，如直立旋转、舞动运动等，这种运动与放电的出现在很大程度上是时随机的，这一过程与所加电压大小和微粒的特性有关。
一旦有跳动的微粒接近或运动至GIS中高场强区时，伴随产生的局部放电有可能形成导电通道，造成局部击穿，因此，金属颗粒放电对GIS的危害相对较大。
金属颗粒放电常伴有金属微振动，其放电类型可以结合超声波振动测量进行判断。
（2）接触不良导致的故障约占总故障的29%，这一类缺陷包括屏蔽罩等导体的接触不良。
故障常常发生在运行以后，常规实验难以发现。
在对运行GIS进行局部放电检测中可以发现，接触不良导致所产生的UHF的幅值较大。
（3）GIS内的电晕放电导致的故障约占5%，主要原因是GIS中高压导体表面存在毛刺等尖端，一般情况下，UFH信号的幅值较小。
（4）约占10%故障是由于绝缘子存在缺陷导致的。
绝缘子缺陷主要是其内存在微小气隙，在运行电压下产生气隙放电，其UHF信号的幅值一般较小。
目前，在我国放电类型识别的研究仍处于试验室研究阶段，难点在于各种缺陷类型的超高频信号特征不十分明显。
放电谱图法[4]有助于放电类型的识别，该方法首先对各种放电产生的UHF信号进行检波，通过计算机处理获得检波信号的二维、三维谱图，根据放电检波信号的相位、幅值以及脉冲次数等参数判断放电的类型。
1.2.3GIS局部放电在线检测方法[2][3][5]
GIS设备中的局部放电会在GIS设备外壳上产生流动的电磁波，使接地线上有高频放电脉冲电流流过，从而导致外壳对地呈现高频电压并向周围空间传播。
局部放电还会使通道气体压力骤增，在GIS设备气体中产生纵波或超声波，并在金属外壳上出现各种声波，主要有纵波、横波和表面波等。
GIS设备中的局部放电也可导致SF6气体分解或发光。
根据这些物理和化学变化的特征，将有助于GIS设备局部放电的检测。
因此，局部放电的在线监测方法可分为电的方法和非电的方法，其中电的方法包括化学、机械、光学的方法，主要有以下几种:
。
（1）化学的检测法。
化学的检测法根据用变色指示剂检测SF6因局部放电分解产生的气体。
当GIS内部产生局部放电时，会引起SF6气体分解，产生多种活泼气体。
用化学分析法分解出来的气体进行检查，就会测出GIS内部发生的局部放电。
这种方法优点在于试验设备体积小、重量轻，携带方便，易于操作，不受电气机械噪音的影响。
（2）机械的方法。
机械检测法就是用压电式加速度计检测由于局部放电使金属容器壁产生的振动，或采用超声波探头或微音器拾取放电产生的超声波。
在高压电气设备中，早已有人对超声波检测局部放电的方法进行过大量的研究，由于振动波要经过多种物质（金属、绝缘体、气体）传播，在加上不同物质的传播速度和衰减程度各异，要通过换算和经验识别，所以要精确测定局部放电定量并定位是困难的。
并且最小检测灵敏度受噪音的影响较大，
（3）光学方法。
由于局部放电会产生光辐射，故可以用一种安装在GIS内部的光传感器进行测量。
常用检测器包括一只传感器和一台控制单元。
把传感器装在金属外壳的窗口上，以便检测GIS内部局部放电产生的光信号，测量到的信号通过电缆送到控制单元进行处理。
使用这种方法时，需要在GIS的密封外壳上开窗，但这种方法却不会受到背景干扰的影响。
虽然非电的方法各自有其特点，但总的来说，检测灵敏度还不够高，所以工业应用前景并不乐观。
常规的电气检测方法主要有以下几种:
（1）外复电极法
在GIS外壳上敷上绝缘薄膜和金属电极，外壳与金属电极形成的小电容作为拾取信号的耦合器，局部放电引起的脉冲信号通过小电容耦合到监测阻抗上，经过放大后被监测出来，小电容和监测阻抗对低频信号还起到隔离作用。
另一种观点则认为GIS内的局部放电将在导电杆及外壳上产生流动波。
由于肌肤效应，在开始阶段流动波只能在外壳内壁流动，只有当流动波达到外壳不连续处（如盆式绝缘子）时，才能泄露到外壳外表面。
通过电容测量到的信号是泄露出的流动波所产生的电压差。
这种方法由于监测阻抗一端接电容，另一端接地，形成一个大环路，易受外界电磁波干扰。
改进的方法是将两个电容传感器分别置于绝缘子两侧，信号取自绝缘子两侧。
在此情况下，信号电路环绕的空间面积很小，电磁烦扰显著减弱，改进后的监测频带也从0.1MHZ~1MHZ提高为20MHz~40MHZ,现场的监测灵敏度从改进前的500pC提高为100pC~200pC。
原英国Roblnson公司曾根据这个原理研制了TEV-646便携式放电定位器，配一对电容传感器，带宽15MHz~80MHz，定位准确度为200mm~300mm,重量仅为5kg.
（2）内部电极法
该方法是将GIS法兰稍加改造，在法兰内部加装金属电极与外壳形成电容，以此电容传感器提取局部放电的脉冲信号。
当采用两个电容传感器时即可定位。
定位原理系采用信号到达两个传感器的时间差确定。
据称定位准确度可达100mm，局部放电的监测灵敏度可达70pC.另一种内电极法是在盆式绝缘子内的靠近接地端子处先埋设一个电极，我国华通开关的GIS盆式绝缘子即预埋有内电极此方法灵敏度高，当采取抗干扰措施时，可监测出5pC的局部放电。
放电量的标定需在停电离线条件下，参照国家标准GB/T7354-2000有关规定进行。
（3）接地电流传感器也称为电磁结合法（罗柯夫斯基线圈检测）上述方法的改进形式是在GIS设备的接地线上加装脉冲电流传感器。
由于现场GIS设备通常是多处接地，很难从外壳接地线上检测脉冲电流，所以该方法的应用具有很大的局限性。
此外还有GlS内绝缘异常的光学、化学诊断和SF6气体泄漏诊断方法等等。
上述这些方法在实验室检测GIS设备内部的局部放电时，灵敏度可高达几十pC，甚至十几pC。
不过在运行现场常常受电磁干扰和机械噪声的严重影响，以至于测量灵敏度将大大降低甚至无法检测，因此，目前上述局部放电测量方法在现场的应用受到极大限制。
为了克服常规的GIS内部的局部放电监测方法面临的困难，通过采用外部天线接收GSI内局部放电时发出的电磁波来检测局部放电，在近年得到了迅速发展。
这种方法是基于:
在高压力的SF6中，局部放电发生在很小的范围内，因此具有极快击穿时间的特征。
这种具有快速上升时沿的局部放电脉冲包含有从直流到超过1GHz的频率成份。
GIS的同轴结构本身是一个良好的波导，较高频率的电磁波可在其内部有效地传播，一部分电磁波将通过母线绝缘支撑物中间所夹的法兰圈向外传播，可由外部天线接收电磁波信号检测。
其中一种方法是在GIS周围安置数个双锥形天线（频带20一20oMHz），将所接收的信号经过数字示波器同时采样，并由计算机读取处理。
实验表明这种方法检测GIS的局部放电是十分有效的。
但由于天线安装位置距电磁波的泄漏位置（绝缘支撑物的法兰圈）较远，高频电磁波在空气中传播衰减很快，影响了测量的精度。
因此，本文采用紧贴在绝缘子外表面安装的长方形开口天线，提高了检测的灵敏度。
并且在GIS不停电的情况下可以简单的安装和回收天线，和其它外部天线相比简单经济，适用于GIS的在线检测。
1.3GIS在线监测的意义[4][6]
GIS在运行过程中不可避免地会产生绝缘缺陷，在运行中受到电、磁、热和机械应力等因素的作用，绝缘状态会劣化，最终导致丧失绝缘的功能出现事故，造成的后果比分离式敞开设备严重得多，故障修复更为复杂，需要更长的时间才能修复，所以GIS的运行检测十分重要，进一步发展GIS的在线监测技术，及时发现各种可能的绝缘异常或故障预兆,及时进行处理。
绝缘系统中的绝缘缺陷通常可以分成两大类:
一类是集中性缺陷，指缺陷集中于绝缘的某一个或某几个部分。
它又可分为贯穿性缺陷和非贯穿性缺陷，这类缺陷的发展速度较快，因而具有较大的危险性;另一类是分布性缺陷，指由于过热、动力负荷及长时间过电压的作用导致的电气设备整体绝缘.性能下降，它是一种普遍性的劣化，是缓慢演变而发展的，绝缘内部有了这两类缺陷后。
它的特性就要发生一定的变化。
这些缺陷如果不及时发现，就可能导致设备发生故障，甚至引发突发性的电力事故，造成巨大的直接和间接经济损失。
至今，我国电力部门执行的是定期维修制，且是属于离线试验，为保证电力系统的可靠运行起了不可低估的作用，然而，其不足之处也很明显:
①由于定期维修对故障的针对性不强，会造成人力物力的浪费;
②由于预防性试验是定期进行，故障可能在两次试验间隔期间内;
③停电后设备试验状态与运行工况状态不一致，影响判断准确性;
④由于停电试验，对电力用户会产生一定的影响;
⑤维修现场条件的限制，使维修后的设备的某些指标难以达到规定要求，甚
至由于维修不当或条件的限制造成设备的损伤。
由于GIS特有的全封闭结构导致外部测量其内部放电信号有一定的难度，研究新型在线智慧诊断技术显得非常迫切。
运用在线智慧诊断技术可随时监察GIS的绝缘劣化进程、及时回馈设备运行状态的信息，提高故障判断的工作效率，大大缩短排除故障的时间，减少维护人员的劳动强度，同时减少因停电造成的损失，将定期维修制变为视情维修，为实现变电站的无人值班创造条件。
1.4本文主要工作
利用GIS内部放电所产生的电磁波信号可通过母线绝缘支撑物向外泄漏这个特点，可通过紧贴在放电设备绝缘支撑物外表面安装的天线接收其电磁波信号。
在放电源不变的情况下，根据信号到达各个天线的时间差对放电源进行定位。
由于所要测量的时差在ns级，这不仅会因测量记录环节引入误差，基于以上分析，本文针对通过时间差法定位的具体问题，作了下面的工作。
1.获得用于进行时延计算和放电点定位的高信噪比信号。
2.重点对利用两路天线信号的时间差进行局放点定位展开研究。
3.利用求取的两天线时间差对放电源进行定位。
第2章实验方法和干扰分析及抑制
2.1局部放电机理[2][5]
通常用电子碰撞电离理论和流注放电理论来描述绝缘系统内部发生局部放电的机理:
1）电子碰撞电离理论:
自由电子在电场中被加速并与气体中性分子碰撞，如果电子的动能足够高，将会使中性分子激发出电子，形成新的自由电子和正离子，新的自由电子和原来的自由电子在电场下继续加速，并和其它的中性分子碰撞，又会激发出新的自由电子。
这样自由电子数将会成α倍的增长，形成电子雪崩当满足自持放电条件γ（ead一l）时（γ为正离子引起的次级电子发射系数，a是体积电离系数，d是电子运动距离），就发生持续的局部放电。
2）流注放电理论:
在气隙放电中，除了电子碰撞电离外，光致电离对放电的发展起了主要作用。
在电场足够高的情况下，先是电子碰撞电离而形成电子雪崩，称为雪崩。
在电子雪崩中，电子集中在尖端部位崩头。
加强了崩头到阳极附近的场强。
正离子集中在崩尾，加强了崩尾到阴极附近的场强。
在电子崩地中部电场很弱，为等离
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