GIS光局放診斷及閃弧偵測保護(hù)系統(tǒng)的研究

左 程，吳志峰，李既明，李 治

（湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省長沙市 410200）

0 引言

GIS設(shè)備在生產(chǎn)制造及運(yùn)行中，局部放電會(huì)引起絕緣劣化，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣事故。當(dāng)前主要的GIS局部放電檢測手段主要有特高頻法（UHF）、超聲波法、耦合電容法、光學(xué)法、化學(xué)法等[1、3]。近年來特高頻法在國內(nèi)應(yīng)用越來越多，從多年大量實(shí)際應(yīng)用情況看，特高頻法無法準(zhǔn)確定位局放位置，誤報(bào)警率高、抗干擾性差，造成GIS設(shè)備絕緣事故依然頻發(fā)，狀態(tài)檢修工作無法高效開展，影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

從國際主流最新應(yīng)用狀況表明，摒棄傳統(tǒng)的UHF等電測技術(shù)，采用高抗干擾的光測技術(shù)。光測法最大優(yōu)勢是，能夠精準(zhǔn)定位局部放電位置[1]，對電磁波、機(jī)械波及雜波等干擾信號(hào)免疫，具有強(qiáng)大的抗干擾能力，設(shè)備誤報(bào)警率極低，非常適合應(yīng)用于現(xiàn)場在線監(jiān)測，目前已有應(yīng)用于開關(guān)柜的弧光監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)[4-5]。本文研究的光局放診斷及閃弧偵測保護(hù)系統(tǒng)是基于弧光技術(shù)的GIS局部放電監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光局放診斷系統(tǒng)和閃弧偵測保護(hù)系統(tǒng)兩部分組成。光局放診斷系統(tǒng)用于局放信號(hào)的參數(shù)診斷，適用于在線診斷或帶電檢測。閃弧偵測保護(hù)系統(tǒng)則用于偵測GIS設(shè)備內(nèi)部因故障產(chǎn)生的弧光信號(hào)，適用于在線監(jiān)測。

1 光局放檢測原理及構(gòu)成

1.1 GIS設(shè)備局部放電主要類型

GIS設(shè)備局部放電的主要類型有：

（1）松動(dòng)金屬部件產(chǎn)生的懸浮電位體放電。

（2）固體絕緣內(nèi)部開裂、氣隙等缺陷引起的絕緣件內(nèi)部氣隙放電。

（3）絕緣表面金屬顆粒或絕緣表面臟污導(dǎo)致的沿面放電。

（4）處于高電位或低電位的金屬毛刺或尖端導(dǎo)致的尖端毛刺放電。

（5）金屬顆粒和金屬顆粒間的局部放電，金屬顆粒和金屬部件間的自由顆粒放電。

1.2 電弧成因

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，是電流通過某些絕緣介質(zhì)產(chǎn)生的瞬間火花現(xiàn)象。根據(jù)電弧發(fā)生的不同部位可以將電弧分為以下三類：

（1）帶電導(dǎo)體間的電弧放電。

（2）帶電導(dǎo)體與地之間的電弧放電。

（3）絕緣體表面的沿面放電（爬電）。

1.3 光局放檢測原理

當(dāng)電力設(shè)備的內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時(shí)，會(huì)伴隨有很多不同的效應(yīng)出現(xiàn)，如：電磁效應(yīng)、光效應(yīng)、熱效應(yīng)、聲效應(yīng)、壓力效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等，利用以上的光效應(yīng)，通過相應(yīng)的傳感技術(shù)能夠有效地監(jiān)測GIS設(shè)備內(nèi)部的電弧，并及時(shí)預(yù)測和定位故障位置。由于各類電弧與放電現(xiàn)象產(chǎn)生的光效應(yīng)不同，所以針對弧光特性進(jìn)行分析診斷，通過對不同光的研究，電弧弧光有其特殊的波長范圍和頻率范圍[2]，分析和篩選合適的光信號(hào)，就能夠準(zhǔn)確地判斷電弧放電故障，并準(zhǔn)確地測量得到局部放電的各項(xiàng)參數(shù)及圖譜。

光局放檢測手段的基本原理是基于對氣態(tài)放電過程中由于介質(zhì)的離子化、激發(fā)效應(yīng)以及復(fù)合過程等多個(gè)過程中產(chǎn)生的光的檢測來完成的。在GIS 設(shè)備內(nèi)部，放電過程中產(chǎn)生的光的特征（如波長），受到到了所在環(huán)境各種因素的影響，如放電類型、氣體壓力、介質(zhì)種類、電場強(qiáng)度等。同時(shí)這些光線也會(huì)被介質(zhì)氣體吸收、GIS 內(nèi)表面反射等影響，光通量也會(huì)隨著不同環(huán)境改變。研究表明：放電光通量Ip可以由公式給出，決定了光檢測系統(tǒng)的靈敏度。

式中k——介質(zhì)氣體的光吸收系數(shù)；

Ri——GIS的內(nèi)表面光反射系數(shù)，≤1。

紫外輻射強(qiáng)度與局部放電強(qiáng)度的相關(guān)性：局部放電發(fā)生時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，放電過程中的光輻射本質(zhì)上是放電電流能量的轉(zhuǎn)移和釋放。光輻射功率是放電功率的一部分，在外部環(huán)境因素（氣壓、溫度、濕度）不發(fā)生改變的情況下，能量轉(zhuǎn)化的比例是恒定的，紫外光輻射能量占放電總能量的比例是一定的。隨著放電的增強(qiáng)，電離區(qū)域單位體積內(nèi)的離子和自由電子的密度增加，電子的溫度增加，則相應(yīng)光輻射的功率增加。假設(shè)放電的功率為P，而相應(yīng)的光輻射的功率為Pl，則光輻射功率Pl與放電功率P近似滿足：

式中λ1——光輻射功率與放電功率之間的關(guān)系系數(shù)。

1.4 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

通過分析GIS內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的光效應(yīng)，開發(fā)了一種新型的基于弧光技術(shù)的光局放監(jiān)測系統(tǒng)，其組成包括光局放診斷系統(tǒng)和閃弧偵測保護(hù)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 System structure diagra

GIS設(shè)備發(fā)生局放，伴隨產(chǎn)生電弧。閃弧偵測傳感器捕捉到電弧弧光信號(hào)，通過光纖傳輸?shù)介W弧偵測保護(hù)裝置，裝置在極短時(shí)間內(nèi)向后臺(tái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。而通過光局放診斷系統(tǒng)可確認(rèn)局部放電的發(fā)生，獲取相應(yīng)局部放電位置及類型、局放量等相關(guān)信息。運(yùn)維人員將光局放傳感器連接到閃弧偵測傳感器上，通過局放傳感器的光電信號(hào)處理，把弧光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給信號(hào)采集裝置，進(jìn)行信號(hào)的進(jìn)一步處理，最后上傳至后臺(tái)軟件，將局放圖譜、局放相位等信息展現(xiàn)在界面上，從而完成局部放電的監(jiān)測和測量。

2 光局放診斷系統(tǒng)

光局放診斷系統(tǒng)主要包括：光局放傳感器、便攜式信號(hào)采集裝置、筆記本和軟件等，用于檢測發(fā)生在局部放電中的光學(xué)現(xiàn)象，與高電壓頻率的同步，獲得相位關(guān)系，使得能夠在用戶界面上顯示出這種光學(xué)現(xiàn)象，根據(jù)位置和局部放電位置，信號(hào)顯示為任何的正或負(fù)半波，由此可以判定局部放電的局放類型。該系統(tǒng)適用于帶電運(yùn)行中的GIS設(shè)備，以及GIS出廠型式試驗(yàn)等各種工況的局部放電檢測。

2.1 光局放傳感器

光局放傳感器用于檢測由局部放電產(chǎn)生的光信號(hào)，其原理為：一個(gè)高度敏感的光電元件，捕獲局放產(chǎn)生的光信號(hào)[3]。傳感器通過連接線纜接到信號(hào)采集裝置，由局部放電產(chǎn)生的電壓脈沖，在其結(jié)束時(shí)通過信號(hào)處理鏈，顯示為軟件圖形用戶界面上的測量點(diǎn)。

2.2 信號(hào)采集裝置

信號(hào)采集裝置做為光局放傳感器與筆記本電腦之間的接口，傳感器的信號(hào)被進(jìn)一步處理，并通過光纜傳輸至筆記本電腦。該裝置還具有同步傳感器的采樣速率與GIS中的高電壓頻率，從而獲取相位信息。

2.3 分析軟件

安裝于筆記本電腦的專用的分析軟件，可分析局部放電信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫比對，直觀地展示出局部放電的圖譜、放電量等信息參量，軟件界面如圖2所示。

圖2 光局放診斷系統(tǒng)界面Figure 2 A diagnostic system interface

2.4 試驗(yàn)分析

將光測法與IEC60270標(biāo)準(zhǔn)電測法進(jìn)行了詳細(xì)地試驗(yàn)分析，其試驗(yàn)測量原理圖如圖3所示。

圖3 對比試驗(yàn)原理圖Figure 3 Comparison test schematic diagram

經(jīng)過大量的試驗(yàn)分析，共獲取了17種標(biāo)準(zhǔn)的光測法圖譜，對于后續(xù)的油污顆粒放電、工具引起的懸浮放電、GIS導(dǎo)體上的沿面放電，光測法均能準(zhǔn)確檢測識(shí)別，說明光測法具有更強(qiáng)的抗電磁干擾能力和故障識(shí)別能力[4]。

3 閃弧偵測保護(hù)系統(tǒng)

閃弧偵測保護(hù)系統(tǒng)主要包括：閃弧測量傳感器、閃弧偵測保護(hù)裝置、VE連接光纖等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 閃弧偵測保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 4 An arc detection protection system structure diagram

傳感器安裝在GIS設(shè)備本體，通過VE光纖連接到閃弧偵測保護(hù)裝置，用于在線偵測GIS設(shè)備內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的電弧。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部因局部放電而產(chǎn)生電弧，弧光信號(hào)通過傳感器傳送到監(jiān)測主機(jī)進(jìn)行判斷分析，系統(tǒng)能夠早于故障電流劇增（接地后200ms）前，在極短時(shí)間（20ms）內(nèi)發(fā)出報(bào)警，精準(zhǔn)定位局部放電發(fā)生的具體氣室。

3.1 閃弧測量傳感器

閃弧測量傳感器為內(nèi)置式，體積小，伸入GIS內(nèi)部的探頭部分不含任何金屬，每個(gè)氣室安裝1只，在設(shè)備上開孔小，重量輕，對GIS設(shè)備運(yùn)行及其電磁場不會(huì)造成任何影響，其作用是捕捉因GIS內(nèi)局部放電產(chǎn)生的弧光信號(hào)，外形如圖5所示。閃弧測量傳感器適用室內(nèi)外各種場合，根據(jù)具體應(yīng)用分為兩大類：一類是GIS直埋式測量傳感器，適用于新GIS；另一類是T型復(fù)合測量傳感器，適用于舊GIS改造。GIS內(nèi)發(fā)生的光學(xué)現(xiàn)象通過光路傳輸?shù)焦鈧鞲衅?，再通過光纖傳送至遠(yuǎn)方。

圖5 閃弧測量傳感器Figure 5 Flash-arc measurement sensor

3.2 閃弧偵測保護(hù)裝置

閃弧偵測保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)原理為：電子單元將從光纖接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，與參考信號(hào)進(jìn)行對比分析，將對比分析的結(jié)果顯示出來[5]。在電源失電的情況下，信號(hào)會(huì)被暫時(shí)存儲(chǔ)在電子單元內(nèi)，待供電恢復(fù)，繼續(xù)將信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心。單個(gè)信號(hào)和信號(hào)組都可以通過地址通道進(jìn)行傳輸，從而能夠便捷地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

裝置有24通道型和40通道型，每個(gè)信號(hào)采集板卡有4個(gè)通道，每臺(tái)裝置最多6塊板卡或10塊板卡，裝置具有故障指示、測試模式、修正模式、復(fù)位按鈕等。

3.3 VE連接光纖

使用含有特殊聚合物的VE光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，其顯著特點(diǎn)是信號(hào)傳輸損耗小，傳輸效率高，特殊設(shè)計(jì)的插頭式連接，鋪設(shè)簡單。

4 結(jié)束語

多年來各地GIS設(shè)備頻發(fā)因局部放電而發(fā)生絕緣事故，究其原因就是所采用的局部放電監(jiān)測手段不可靠，新型的GIS閃弧偵測保護(hù)及光局放診斷系統(tǒng)的開發(fā)解決了此難題。通過引入新的GIS設(shè)備局部放電檢測手段，帶電檢測式的光局放診斷系統(tǒng)能夠直觀明了地確定局部放電位置及類型，通過多次檢測了解不同氣室局放的發(fā)展趨勢；在線監(jiān)測式的閃弧偵測保護(hù)系統(tǒng)可對GIS進(jìn)行長期監(jiān)測，當(dāng)局部放電超限時(shí)進(jìn)行快速報(bào)警和精準(zhǔn)定位，保證狀態(tài)檢修的順利開展。該系統(tǒng)極大地提高了GIS設(shè)備局部放電監(jiān)測的可靠性與安全性，必將成為未來GIS設(shè)備智能化的重要組成部分。