湯會(huì)增陳富安駱亞毫管世鋒魏海浩

（1. 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，鄭州 450052；2. 河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450007；3. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

1000kV GIS特高頻在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

湯會(huì)增1陳富安2駱亞毫3管世鋒1魏海浩3

（1. 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，鄭州 450052；2. 河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450007；3. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

提出了1000kV GIS局部放電特高頻在線檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，檢測(cè)系統(tǒng)首先通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)探頭采集到的高頻放電信號(hào)進(jìn)行處理，然后將信息送到以 TMS320單片機(jī)為控制核心的信息采集處理單元，最后通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)顯示最終結(jié)果。運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)四種絕緣缺陷進(jìn)行模擬試驗(yàn)，得出特高頻檢測(cè)法的特點(diǎn)。該系統(tǒng)成功發(fā)現(xiàn)某1000kV GIS盆式絕緣子故障，工程實(shí)際應(yīng)用效果良好。

特高頻；TMS320；1000kV GIS局部放電；信息處理

1000kV GIS氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）是高壓輸變電工程中的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，將可能造成電網(wǎng)重大事故發(fā)生［1］。絕緣降低是GIS設(shè)備故障的主要原因，對(duì)GIS進(jìn)行在線局部放電（Partial Discharge，PD）檢測(cè)可有效掌握GIS內(nèi)部絕緣狀況，預(yù)防GIS故障跳閘造成電網(wǎng)事故。GIS內(nèi)PD發(fā)生時(shí)，由于電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生ns級(jí)的電流脈沖和多種頻率的電磁信號(hào)，特高頻法（Ultrahigh Frequency，UHF）通過(guò)檢測(cè)PD發(fā)生產(chǎn)生300MHz～3GHz（通常干擾信號(hào)在500MHz以下）的局放電磁波來(lái)判別PD，是目前監(jiān)測(cè)GIS設(shè)備局放的有效方法之一［2-3］。

特高頻局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置目前雖然在特高壓工程中普遍應(yīng)用，但普遍存在在誤報(bào)漏報(bào)及不報(bào)等問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改進(jìn)，采用中心頻率 400MHz的微帶天線和基于μPC8211芯片為核心的放大電路，通過(guò)五階切比雪夫高通濾波器濾來(lái)減小外界不同頻率電磁因素的影響，運(yùn)用對(duì)數(shù)檢波放大器 ADL5513檢波電路對(duì)以幅值和相位為主的信息進(jìn)行包絡(luò)提取及放大，可以提高其傳感器檢測(cè)精度和準(zhǔn)確性，有效避免誤報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象發(fā)生。

1　整體設(shè)計(jì)

在 1000kV GIS盆式絕緣子上安裝設(shè)特高頻探頭（天線），天線實(shí)時(shí)采集GIS放電信號(hào)并將這些信號(hào)用光纖傳輸?shù)焦庵欣^站，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后經(jīng)過(guò)放大、處理和存儲(chǔ)后，由上位機(jī)軟件進(jìn)行分析處理，并提供顯示、打印及遠(yuǎn)傳。系統(tǒng)故障定位技術(shù)采用到達(dá)時(shí)間差（Time Different of Arrival，TDOA）法，通過(guò)對(duì)某相同局放電磁信號(hào)到達(dá)不同傳感器的時(shí)間差、幅值進(jìn)行同步記錄，求出距多個(gè)傳感器的距離S1，S2，…，Sn，通過(guò)對(duì)所求距離的組合分析來(lái)確定放電位置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　特高頻檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件系統(tǒng)

主要硬件組成部分是特高頻天線、光中繼站、LAN前置放大器、HPF濾波電路、檢波電路、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)軟件等。特高頻傳感器接收PD的脈沖信號(hào)，首先經(jīng)UHF放大電路，再經(jīng)過(guò)高通濾波和檢波整形電路，將得到單極性寬脈沖信號(hào)最終送到采集單元進(jìn)行處理。主要技術(shù)參數(shù)如下：外置特高頻天線：帶寬約為340～440MHz，中心頻率約為 400MHz左右，其靈敏度大于-80dB；通道數(shù)：48個(gè)通道用于監(jiān)測(cè)GIS內(nèi)部的放電；運(yùn)用模式：66路采用并行模式；使用電源：AC 220V 500W。

圖2　特高頻傳感器安裝圖

圖3　現(xiàn)場(chǎng)光接收機(jī)

2.1特高頻天線

高靈敏度傳感器對(duì)局部放電檢測(cè)效果影響較大，系統(tǒng)采用中心頻率400MHz外置微帶天線，外觀如圖2所示。據(jù)天線貼片在400MHz下的方向圖4可知，θ =0°時(shí)，微帶天線方向性最好，因此安裝天線時(shí)，應(yīng)使天線正對(duì)GIS盆式絕緣子，以獲得最大的增益。通常還須對(duì)其外部加以金屬封閉，以屏蔽空間電磁干擾。

圖4　400MHz的微帶天線的方向圖

2.2LAN前置放大器

局部放電產(chǎn)生的特高頻信號(hào)，需要剔除現(xiàn)場(chǎng)噪音及電磁干擾因素。采用以μPC8211芯片為核心的放大電路，電源為3V時(shí)，其噪音為1.3dB，增益為18.5dB，功率損耗也比較小，不會(huì)產(chǎn)生非線性失真現(xiàn)象。其原理圖如圖5所示。

2.3HPF濾波電路

PD發(fā)生會(huì)產(chǎn)生300MHz～3GHz電磁波，而通常干擾信號(hào)在500MHz以下，因此需要對(duì)探頭檢測(cè)的 PD信號(hào)進(jìn)行高通濾波處理。采用切比雪夫逼近方法，由低通轉(zhuǎn)高通設(shè)計(jì)了五階切比雪夫?yàn)V波器，輸入阻抗50Ω，輸出阻抗50Ω，通過(guò)對(duì)濾波器參數(shù)S的設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化，最終得到濾波器端口 1反射波與入射波的比值在通帶500MHz處端口反射系是-11.6dB（＜-10dB），能夠滿足要求。其原理如圖6所示。

圖5　前端LNA放大器電路

圖6　切比雪夫高通濾波器原理圖

2.4檢波電路

經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)，運(yùn)用ADL5513多級(jí)對(duì)數(shù)檢波放大器（頻帶 0.1～4GHz、動(dòng)態(tài)范圍：80dB± 3.0dB、采用3V電壓時(shí)功耗30mA），對(duì)以幅值和相位為主的信息進(jìn)行包絡(luò)提取及放大后，可以將射頻信號(hào)精確的變換為分貝輸出，有助于對(duì)GIS故障類型識(shí)別提供有效信息。其原理如圖7所示。

圖7　ADL5513電路原理圖

3　客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端軟件采用 Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）進(jìn)行編程，運(yùn)用專家系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)多路特高頻信號(hào)的同步采集、傳輸、濾波、檢波、分析、報(bào)警、放電類型識(shí)別、放電位置定位、放電趨勢(shì)分析、二維（Q-φ，N-φ，N-Q）和三維（N-Q-φ）圖表顯示打印等功能。

圖8　軟件功能結(jié)構(gòu)圖

4　常見(jiàn)局放類型模擬試驗(yàn)

利用上述設(shè)計(jì)的特高頻在線監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì) GIS模型進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)圖9所示組建測(cè)試系統(tǒng)電路。其中變壓器采用工頻試驗(yàn)變壓器 200B4M-380V/ 1000kV；限流濾波阻抗 R為工頻試驗(yàn)保護(hù)電阻（GR1000-1/6）；帶寬 340～440MHz和中心頻率400MHz的外置探頭（天線）。

圖9　高壓測(cè)試系統(tǒng)圖

在GIS模型內(nèi)部分別設(shè)置4種絕緣缺陷：導(dǎo)電桿上系一根長(zhǎng)約為12mm的銅絲模擬突出物缺陷，絕緣子表面沾上直徑 0.2mm的銅絲模擬附著物缺陷，環(huán)氧樹脂絕緣棒中設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)約 15mm、直徑為10mm孔洞后再將表面封好來(lái)模擬絕緣子氣隙缺陷，用數(shù)個(gè)約 2×2mm2和 2×3mm2的矩形薄鋁片模擬微粒缺陷。緩慢升高試驗(yàn)電壓，特高頻局放測(cè)試裝置檢測(cè)出如圖 10所示局部放電相位分布（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD）指紋圖。

圖10　GIS四種缺陷下的PRPD圖

圖 10（a）氣隙缺陷中，在工頻相位的正、負(fù)半周均有稀少幅值相近的放電信號(hào)，且都在電壓峰值附近出現(xiàn)，放電次數(shù)隨電壓升高而增多。圖10（b）絕緣子表面附著物缺陷中，電壓低時(shí)在工頻相位的負(fù)半周附近出現(xiàn)稀少地放電量，電壓升高正半周出現(xiàn)放電現(xiàn)象，且幅值相對(duì)較大一些；直至臨近閃絡(luò)時(shí)放電量密集出現(xiàn)在正負(fù)半周工頻峰值附近，而且幅值和次數(shù)十分相近。圖 10（c）金屬突出物缺陷中，電壓低時(shí)只有工頻負(fù)半周峰值附近有放電現(xiàn)象，升高電壓后正半周也出現(xiàn)少量放電，且幅值比負(fù)半周較大；升高電壓后正、負(fù)半周的放電次數(shù)均有所增加，且負(fù)半周放電次數(shù)較多些。圖 10（d）自由金屬微粒缺陷中，放電信號(hào)在整個(gè)工頻周期內(nèi)呈現(xiàn)出分散性、隨機(jī)性，放電量密集出現(xiàn)在工頻正、負(fù)半周的峰值處。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，特高頻法受外界電磁干擾，通過(guò)采用帶通濾波器和放大檢波電路來(lái)減小外界不同頻率電磁因素的影響，傳感器安裝在盆式絕緣子上可以獲得較大的增益，在故障類型檢測(cè)中對(duì)金屬突出物缺陷引起的PD檢測(cè)效果最為明顯。

5　一起局部放電實(shí)例分析

2012年03月12日12∶24，某高壓變電站特高頻在線檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出告警信號(hào)，1000kV GIS組合電器C相隔接組合氣室盆式絕緣子處探頭放電量和放電脈沖均越限。如圖11（a）中C相C-T1通道放電量達(dá)到146pC，脈沖個(gè)數(shù)233，C-T1通道即為安裝在C相隔接組合氣室盆式絕緣子的特高頻探頭，由圖11（b）和圖11（c）可知，放電類型為盆式絕緣子故障放電。將故障間隔GIS轉(zhuǎn)檢修后解體檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣子內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)的裂紋，與特高頻檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果一致。

圖11　現(xiàn)場(chǎng)分析圖

6　結(jié)論

設(shè)計(jì)的基于TMS320單片機(jī)的1000kV GIS特高頻在線檢測(cè)系統(tǒng)，采用靈敏度高的微帶天線和基于μPC8211芯片為核心的放大電路，通過(guò)五階切比雪夫高通濾波器濾來(lái)減小外界不同頻率電磁因素的影響，運(yùn)用對(duì)數(shù)檢波放大器ADL5513檢波電路對(duì)以幅值和相位為主的信息進(jìn)行包絡(luò)提取及放大。該系統(tǒng)能夠識(shí)別不同類型的GIS絕緣故障，對(duì)金屬突出物缺陷引起的 PD檢測(cè)效果最為明顯，工程實(shí)際應(yīng)用效果良好。

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Design and Study on Application of On-line Ultrahigh Frequency Partial Discharge Detection in 1000kV GIS

Tang Huizeng1Chen Fuan2Luo Yahao3Guan Shifeng1Wei Haihao3
（1. State Grid He'nan Electric Power Corporation Maintenance Company， Zhengzhou 450052；2. He'nan University of Technology， Zhengzhou 450007；3. XJ Group Corporation， Xuchang， He'nan 461000）

This paper presents a overall design scheme of the UHF （Ultrahigh Frequency） partial discharge on-line detection method in 1000kV GIS （Gas Insulated Switchgear）. The high frequency discharge signal is processed by the signal conditioning circuit， then the information is sent to the information acquisition and processing unit with the TMS320 microcontroller as the control core， and the final results are displayed by the upper computer software. Using the system to simulate the four kinds of insulation defects， the characteristics of the high frequency detection method are obtained. The system successfully found a GIS 1000kV basin insulator fault， the practical application effect is good.

UHF； TMS320； 1000kV GIS partial discharge； information processing

湯會(huì)增（1982-），男，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，工程師，從事電力設(shè)備在線檢測(cè)技術(shù)研究和超特高壓變電運(yùn)維管理工作。