徐先新,孫鵬,王科,彭晶,項(xiàng)恩新,孫宏斌

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217; 2.云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217; 3.江蘇金湖供電公司,江蘇 金湖 211600)

電脈沖、超聲和超高頻局放傳感器檢測(cè)波形對(duì)比

徐先新1,孫鵬2,王科2,彭晶2,項(xiàng)恩新2,孫宏斌3

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217; 2.云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217; 3.江蘇金湖供電公司,江蘇 金湖 211600)

基于傳感器獲取局部放電信號(hào),在對(duì)信號(hào)特征及信號(hào)分布進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)不同類型局放傳感器對(duì)不同絕緣介質(zhì)下典型缺陷的基于頻譜、放電量、放電機(jī)理、放電類型的基礎(chǔ)研究。本文對(duì)電脈沖、超聲、超高頻傳感器獲取的波形對(duì)比分析進(jìn)行了綜述,并介紹了基于波形獲取的對(duì)比分析平臺(tái),以后可以依托此平臺(tái)開展相關(guān)研究。

局部放電;傳感器;波形

1　前言

局部放電是造成設(shè)備絕緣劣化進(jìn)而引發(fā)電力系統(tǒng)事故的重要原因,也是反映設(shè)備絕緣狀況的重要征象,因此局部放電檢測(cè)和基于檢測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)也就成為絕緣狀況監(jiān)測(cè)的重要手段[1-2]。

在局部放電的過程中,除了伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗之外,同時(shí)也產(chǎn)生了各種非電的信息,如產(chǎn)生聲波、發(fā)光、以及出現(xiàn)新的生成物等。通過檢測(cè)產(chǎn)生這些現(xiàn)象所伴生的脈沖電流、電磁波、聲波等物理量可以開展放電狀態(tài)的判定,由此相應(yīng)地出現(xiàn)了很多局部放電檢測(cè)技術(shù)[3-7],其中脈沖電流法、AE(超聲法)和UHF的研究與應(yīng)用居多,是最常用的三種局放檢測(cè)技術(shù)。從表1給出的常見局放檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)比較分析可以看出,每種技術(shù)均有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)與適用范圍。進(jìn)行不同檢測(cè)技術(shù)局放結(jié)果的對(duì)比分析,優(yōu)選檢測(cè)儀器,成為了國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的方向[8-13]。文中從電脈沖、超聲和超高頻傳感器獲取的局放波形出發(fā),綜述了不同檢測(cè)技術(shù)波形對(duì)比研究現(xiàn)狀,搭建了基于波形獲取的局放研究平臺(tái)并初步驗(yàn)證了平臺(tái)設(shè)備的試驗(yàn)性能。

2　超高頻法與電脈沖法波形對(duì)比

脈沖電流法可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)放電量的定量檢測(cè),但是不能很好地適應(yīng)帶電檢測(cè)以及防止現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中電磁干擾的影響,而UHF提供了一種非接觸式的局放檢測(cè)方法,由于其檢測(cè)頻率高等特點(diǎn),在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。通過超高頻與電脈沖法的原始信號(hào)波形對(duì)比分析,研究?jī)煞N方法的信號(hào)關(guān)系,使在線、定量檢測(cè)局部放電成為可能,成為了目前局放領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外眾研究者搭建了相關(guān)實(shí)驗(yàn)室局放模型,利用示波器采集UHF與脈沖電流法的信號(hào)波形,進(jìn)行了很多基于局放波形的兩種技術(shù)對(duì)比分析研究。

2.1超高頻信號(hào)幅值與視在放電量關(guān)系

視在放電量 (pC)可以由成熟應(yīng)用的基于IEC60270的裝置測(cè)得,研究通過示波器采集到的UHF信號(hào)幅值 (mV)與視在放電量的關(guān)系,以UHF信號(hào)幅值為標(biāo)準(zhǔn)直觀地判斷視在放電量的大小,是一種基礎(chǔ)、有效的研究方向。

相關(guān)研究證明,UHF信號(hào)幅值與視在放電量的關(guān)系受到不同絕緣介質(zhì)、不同缺陷類型、UHF傳感器相對(duì)于放電源的角度和距離的影響,但是均存在線性關(guān)系[14-15]。

2.2超高頻信號(hào)能量與視在放電量的關(guān)系

考慮到超高頻與脈沖電流法的參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系,很多研究者將檢測(cè)到的UHF信號(hào)幅值 (dBmV)轉(zhuǎn)換為信號(hào)功率 (dBm)與視在放電量進(jìn)行了對(duì)比。

文獻(xiàn) [16]的作者設(shè)計(jì)了油中內(nèi)部缺陷、沿面放電、油-屏障放電、懸浮放電四種模型,研究了變壓器典型缺陷的UHF信號(hào)功率與視在放電量的關(guān)系,只有沿面放電模型下的參數(shù)關(guān)系與擬合曲線y=-123+56x1/12有很好的吻合度,而其他三種模型的參數(shù)關(guān)系不是很明顯,但是四種模型的參數(shù)關(guān)系均證明了UHF與脈沖電流法有著相同的變化趨勢(shì)。

由于dBm并非電磁能量的真實(shí)數(shù)值,很多研究者提出以UHF瞬時(shí)輸出功率的數(shù)值積分作為UHF信號(hào)的能量,即

其中：Vi是UHF信號(hào)波形的第i次采樣值, RL是檢測(cè)阻抗,Δt是采樣間隔。

Glary與Mudd[17]等人采取了以下近似步驟：

1)UHF傳感器是無(wú)源、線性的,則傳感器輸出信號(hào) V與傳感器探頭處輻射場(chǎng)強(qiáng)度 E成正比。

表1　脈沖電流法、AE、UHF特點(diǎn)比較分析

2)E是脈沖電流變化率di/dt的函數(shù),若僅考慮電流脈沖波形的幅值,則di/dt與電流峰值IP存在比例關(guān)系,所以 E與 IP的幅值是正比關(guān)系。

3)因?yàn)槊}沖電流波形是相似的,則其電流峰值IP與視在放電量q存在正比的關(guān)系。

以上推導(dǎo)再結(jié)合式 (1)可得出U∝q2。

為了證明這一關(guān)系,Glary搭建了油中尖板、自由金屬微粒等缺陷模型,利用示波器采集到的兩種信號(hào)進(jìn)行了處理并加以對(duì)比。證明了尖板缺陷模型下,正半周期的U與q存在二次曲線的關(guān)系,即U∝q2,負(fù)半周期的U與q就不存在此種關(guān)系。而自由金屬微粒缺陷模型下,正負(fù)周期的曲線均滿足U∝q2。

在以上成果的基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)的唐炬等人定義了一個(gè)新的計(jì)算放電量q的公式[18]：

式中,q為放電量,RL是檢測(cè)阻抗,Ui是檢測(cè)阻抗測(cè)到的一次波形中的第i個(gè)值,Δt是采樣間隔。

搭建了油中自由金屬微粒放電缺陷模型,驗(yàn)證了銅屑、銅片、銅粉三種金屬微粒缺陷在不同電壓下的q與UHF累計(jì)能量U式 (1)的關(guān)系,結(jié)果證明其存在二次曲線的關(guān)系,可以通過計(jì)算UHF累計(jì)能量U來獲得視在放電量。

GIS中UHF信號(hào)與放電量的關(guān)系也是UHF檢測(cè)的難點(diǎn),張曉星[19]等人搭建了GIS金屬突出物缺陷、自由金屬微粒缺陷、絕緣子表面污染物缺陷等實(shí)驗(yàn)室模型,研究了不同電壓下UHF信號(hào)能量式 (1)與放電量 (IEC60270標(biāo)準(zhǔn))的關(guān)系,引入可決系數(shù)fd來判定兩者的相關(guān)程度：

試驗(yàn)結(jié)果證明GIS中缺陷類型的UHF信號(hào)累計(jì)能量U與q2的線性關(guān)系具有很高的可決系數(shù),其中金屬突出物的fd在0.9以上,可以利用UHF信號(hào)累計(jì)能量進(jìn)行視在放電量的定量分析。

2.3超高頻與脈沖電流法的波形

每一次局放放電都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)陡的電流脈沖,輻射出大量的電磁波。若能通過電磁信號(hào)波形推測(cè)出脈沖信號(hào)波形或參數(shù),則通過對(duì)電磁波形的處理,就能解決定量分析局放嚴(yán)重程度的問題。

周立行[20]等人從電磁輻射理論出發(fā),分析了局放脈沖電流輻射場(chǎng)的橫電磁波特性,推導(dǎo)出在近場(chǎng)條件下的局放脈沖電流i(t)與輻射電磁場(chǎng)的時(shí)間積分存在正比的關(guān)系,即：

為了驗(yàn)證這一公式,利用采集到的油中針-板放電UHF信號(hào)波形進(jìn)行波形反演,并將反演出的脈沖信號(hào)波形與真實(shí)波形進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果證明反演估算的波形與真實(shí)波形基本接近,僅在上升沿存在誤差。

3　超聲法與脈沖電流法的波形對(duì)比

超聲法具有較高的靈敏度,在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中得到了很快的發(fā)展,廣泛應(yīng)用于局放定位等領(lǐng)域,研究超聲信號(hào)與電脈沖信號(hào)的關(guān)系,利用超聲信號(hào)評(píng)定局放嚴(yán)重程度,成為了超聲法研究的難點(diǎn)。類比UHF與脈沖電流法的對(duì)比分析方法,利用什么特征量、在什么檢測(cè)環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比,很多學(xué)者進(jìn)行了研究。

3.1檢測(cè)時(shí)域選擇

文獻(xiàn) [21]的設(shè)計(jì)了油箱模擬變壓器環(huán)境,在兩塊圓板電極間設(shè)置多張油浸絕緣紙模擬內(nèi)部放電缺陷,三個(gè)超聲傳感器分別放置于油箱的三個(gè)面,并將超聲信號(hào)接入多通道示波器,脈沖電流的信號(hào)為超聲信號(hào)的時(shí)間參考。分析了超聲傳感器所檢測(cè)到的局放事件數(shù)與超聲信號(hào)到達(dá)時(shí)間TOA的關(guān)系,在對(duì)應(yīng)最大局放事件數(shù)的TOA±5 μs范圍內(nèi),對(duì)比了三個(gè)超聲傳感器信號(hào) (V)與脈沖信號(hào) (V)的關(guān)系,證明了其存在線性的關(guān)系。

3.2檢測(cè)頻域選擇

文獻(xiàn) [22]的作者研究了不同頻帶對(duì)電脈沖信號(hào)和超聲信號(hào)的對(duì)比分析結(jié)果影響。研究過程如下：

1)選擇油中尖板缺陷模型,以處理過的超聲信號(hào)為基準(zhǔn),研究正負(fù)流注放電與不同檢測(cè)帶寬下的視在放電量與超聲信號(hào)關(guān)聯(lián)度最優(yōu)的檢測(cè)帶寬。

2)在這一最優(yōu)帶寬下,進(jìn)一步研究了包括不同間距的尖板缺陷、沿面放電、內(nèi)部放電等油中缺陷的超聲信號(hào)與視在放電量的關(guān)聯(lián)度。

3)試驗(yàn)結(jié)果證明,不同間距的尖板缺陷關(guān)聯(lián)度大體相似,僅僅在幅值上略有不同,沿面放電與內(nèi)部放電的關(guān)聯(lián)度不明顯,并且內(nèi)部放電的AE信號(hào)幅值比較小,可能是由于AE信號(hào)在油紙層中的衰減所致。

4　分析與討論

1)對(duì)于局放信號(hào)波形的對(duì)比分析研究,主要集中于利用UHF信號(hào)與電脈沖信號(hào)的關(guān)聯(lián)性解決UHF定量檢測(cè)局放的問題,國(guó)內(nèi)外的研究成果至今為止都僅給出一個(gè)初步的定量結(jié)果,沒有能給出涉及常見絕緣介質(zhì)、缺陷類型等的綜合性研究結(jié)果。故對(duì)于今后的研究而言,應(yīng)該在完善局放機(jī)理的過程中,得出絕緣介質(zhì)、缺陷類型、檢測(cè)環(huán)境、檢測(cè)設(shè)備等因素對(duì)關(guān)聯(lián)性影響的綜合分析結(jié)果,尋找建立標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件的可能。

2)超聲與電脈沖波形信號(hào)的對(duì)比分析研究成果較少。隨著技術(shù)的發(fā)展,充分發(fā)揮超聲檢測(cè)法在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)電脈沖法無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的不足,以實(shí)現(xiàn)超聲法的定量檢測(cè)為目的研究還有待開展。

3)局放類型識(shí)別方面,現(xiàn)有研究主要以二維Φ-q、三維Φ-q-n等譜圖來實(shí)現(xiàn)類型識(shí)別,利用波形特征進(jìn)行類型識(shí)別的研究較少。高采樣率UHF信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中存在樣本存儲(chǔ)量大等問題,而基于波形對(duì)比分析的局放類型識(shí)別只提取單個(gè)或多個(gè)放電脈沖,分析不同的時(shí)域信號(hào)特征與分布,在解決存儲(chǔ)問題的同時(shí)又能全面了解局放的本質(zhì)特征,提高檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別放電信號(hào)和干擾信號(hào)的能力。

5 基于波形獲取的對(duì)比分析平臺(tái)

搭建了基于波形獲取的對(duì)比分析平臺(tái),為防止當(dāng)試品擊穿后過大的電流損壞測(cè)試儀器,采用并聯(lián)法回路進(jìn)行檢測(cè)。其中T1為調(diào)壓器,T2為交直流無(wú)暈試驗(yàn)變壓器;R為保護(hù)電阻,起限流作用;Ck為耦合電容;Zm為脈沖電流檢測(cè)阻抗; UHF和超聲的傳感器放置在試品附近,距離可調(diào)。當(dāng)試品中產(chǎn)生局放信號(hào)時(shí),既可以通過示波器和頻譜儀記錄不同傳感器信號(hào)的波形和頻譜,也可以通過局放檢測(cè)儀進(jìn)行常規(guī)測(cè)量。

根據(jù)電氣設(shè)備采用絕緣介質(zhì)的不同,制作了三類主要缺陷模型,分別是充油缺陷模型、空氣缺陷模型、SF6填充缺陷模型?？梢阅M包括變壓器、GIS、開關(guān)柜、斷路器等設(shè)備的常見絕緣缺陷,諸如尖端放電、自由金屬微粒放電、懸浮電位放電、內(nèi)部放電等。如圖1(缺陷模型在不充SF6和油的情況下,均可以模擬空氣中的放電缺陷)所示。

圖1　試驗(yàn)平臺(tái)接線圖

本平臺(tái)配置有多種常規(guī)局放檢測(cè)儀和時(shí)頻信號(hào)采集設(shè)備包括多通道數(shù)字采樣示波器、頻譜儀、MPD600脈沖電流檢測(cè)儀、DMS超高頻檢測(cè)儀、AIA超聲檢測(cè)儀及多種類型傳感器,圖2為基于各類測(cè)試儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了電脈沖、超聲和超高頻局放傳感器檢測(cè)波形對(duì)比研究現(xiàn)狀,介紹了基于波形獲取的對(duì)比分析平臺(tái),依托本平臺(tái)可開展：

1)常用局部放電傳感器信號(hào)的關(guān)聯(lián)性對(duì)比分析,尋找關(guān)聯(lián)度最優(yōu)的檢測(cè)條件,探討優(yōu)選檢測(cè)儀器的可能性。

圖2　各類型測(cè)試儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)

2)常用局部放電傳感器信號(hào)的波形對(duì)比分析,研究基于波形特征參數(shù)的局放識(shí)別方法,并將其與常規(guī)檢測(cè)法進(jìn)行比對(duì)。

3)不同放電階段信號(hào)的時(shí)域與頻域特征分析。通過特征量的聚類與關(guān)聯(lián)分析,研究利用信號(hào)的時(shí)頻特性作為定量評(píng)估放電程度的參數(shù)研究。

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12月13日從平高集團(tuán)獲悉,國(guó)內(nèi)首臺(tái)550 kV柱式復(fù)合套管斷路器日前由該集團(tuán)研制成功。

為完全掌握高電壓等級(jí)復(fù)合套管斷路器核心技術(shù)、搶占行業(yè)制高點(diǎn)、打破國(guó)外企業(yè)的技術(shù)壟斷,平高集團(tuán)于2012年6月立項(xiàng)啟動(dòng)LW10B-550(F)/YT5000-63型柱式斷路器研制項(xiàng)目。項(xiàng)目依托 “寧東-浙江鹵800 kV特高壓直流輸電工程”,由國(guó)網(wǎng)直流建設(shè)部牽頭,平高集團(tuán)為主要實(shí)施部門研制和推進(jìn)國(guó)內(nèi)斷路器套管復(fù)合化。

550 kV柱式復(fù)合套管斷路器的研制成功,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)550 kV電壓等級(jí)復(fù)合套管斷路器的空白,為復(fù)合套管在高電壓、大容量斷路器上的應(yīng)用做好了相應(yīng)的技術(shù)研究?jī)?chǔ)備工作,為下階段復(fù)合套管斷路器的推廣應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。(信息來源：北極星智能電網(wǎng)在線)

Based on the analytical and statistical of distribution and characteristic of signal acquired from PD sensor.You can achieve basic research based on typical defects,apparent discharge,discharge mechanism,type of discharge in different types of partial discharge sensors under different insulating medium.In this paper,comparative analysis studies of acquired signals from pulse current method,AE,UHF sensor were summarized and introduced the comparative analysis research platform based on the acquired signals,then Platform can be applied to related research.

partial discharge;sensor;waveform

TM83

B

1006-7345(2014)01-0063-05

2013-05-30

徐先新 (1987),男,碩士研究生,云南電網(wǎng)公司華北電力大學(xué)研究生工作站,專業(yè)方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè) (e-mail) queenklomps@16 3.com。

Review of Comparison Research on PD Sensor Waveform from Electrica,Ultrasonic and UHF

XU Xianxin1,SUN Peng2,WANG Ke2,PENG Jing2,XIANG Enxin2,SUN Hongbin3

(1.Graduate Workstation of North China Electric Power University&Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650217; 2.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217; 3.Power Administration of Jinhu,Jinhu,Jiangsu 211600)