李義鵬，胡海燕

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)是在其內(nèi)部充入一定壓力的SF6絕緣氣體，將高壓斷路器、互感器、母線等器件全部封閉在接地的金屬外殼中，組成的一個完整氣體絕緣開關(guān)站，因其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、檢修周期長、噪音低等優(yōu)點，正逐步取代傳統(tǒng)的敞開式設(shè)備。但近些年來，號稱“免維護(hù)”的GIS卻安全事故頻繁，據(jù)統(tǒng)計GIS故障率遠(yuǎn)大于IEC、CIGRE規(guī)定的每年每一百個間隔不超過0.1次。

研究表明，高壓電氣設(shè)備在故障發(fā)生前或發(fā)生時，會誘發(fā)局部放電，表現(xiàn)為氣體、液體、固體小范圍的局部重復(fù)擊穿，放電能量很小、時間很短、有微弱的脈沖信號出現(xiàn)，同時伴隨有聲、光、熱以及化學(xué)分解等特征，這些微弱的放電能逐漸劣化，最終導(dǎo)致設(shè)備整個絕緣擊穿。為提前發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的潛伏性運行隱患，基于微弱脈沖信號檢測的狀態(tài)檢測技術(shù)應(yīng)運而生，其主要包括高頻電流法、特高頻脈沖法、暫態(tài)對地電壓等，而目前應(yīng)用最廣泛的是特高頻信號檢測。特高頻信號頻率在300～3 000 MHz之間，具有較強的絕緣介質(zhì)穿透能力，通常通過內(nèi)置傳感器或外置傳感器進(jìn)行檢測[1-5]。外置傳感器安裝比較靈活，易于維護(hù)；內(nèi)置傳感器具有較高的靈敏度，但內(nèi)置傳感器的設(shè)計安裝通常在GIS制造時完成，已經(jīng)運行的GIS經(jīng)過改造后也可以安裝(如利用手孔處的蓋板替換)，但所能安裝的內(nèi)置傳感器的個數(shù)和安裝位置受到限制[6，7]。內(nèi)置傳感器安裝后，除非GIS停電大修，否則無法對傳感器進(jìn)行拆裝，因此運行中的GIS不易對內(nèi)置傳感器的可靠性及有效性進(jìn)行校驗，而內(nèi)置傳感器一般用于GIS局部放電在線監(jiān)測，一旦發(fā)生傳感器故障將無法表征GIS內(nèi)的局部放電情況，存在較大的安全隱患，對此開展相關(guān)研究工作。

1 特高頻信號在GIS內(nèi)的傳輸特點

GIS相當(dāng)于一些不同特性阻抗的低損同軸波導(dǎo)的串聯(lián)，并有許多不連續(xù)點，將引起駐波和復(fù)雜諧振。研究發(fā)現(xiàn)，GIS內(nèi)特高頻電磁波的傳播特性具有以下特點[8-11]。

a)在GIS直腔體中的傳播特性。在GIS腔體內(nèi)部由于原始波形和原始波在GIS腔體中不斷反射的波形疊加，使得特高頻信號在GIS腔體內(nèi)的電場強度最大值并不是一直減小，而是呈現(xiàn)出震蕩衰減的過程。大約每1 m特高頻信號會衰減1.5 dB，到了5 m位置時，信號衰減到了原來的一半。

b)絕緣子對UHF信號傳播的影響。UHF信號在GIS腔體中有絕緣子的情況下，在GIS腔體中傳播有時間和空間上的衰減，經(jīng)過一個環(huán)氧樹脂絕緣子后衰減了2.15 dB。而內(nèi)置傳感器直接安裝在GIS腔體內(nèi)，不會因絕緣子的存在產(chǎn)生信號衰減。

c)拐角T型頭對UHF信號傳播的影響。特高頻經(jīng)過拐角T型頭時，會出現(xiàn)一定的衰減，試驗結(jié)果表明，特高頻信號經(jīng)過每個GIS內(nèi)部的拐角T型頭后信號的衰減大約是1.78 dB。

2 內(nèi)置式特高頻傳感器校驗方法

特高頻傳感器既可以接收局部放電信號還可以作為天線發(fā)射局部放電信號，根據(jù)這一特點再結(jié)合GIS的結(jié)構(gòu)特點以及特高頻信號在GIS內(nèi)的傳輸特點[12-17]，提出以下方法對內(nèi)置式特高頻傳感器的有效性進(jìn)行校驗。

a)在GIS間隔上選擇一內(nèi)置式特高頻傳感器，并把固定的標(biāo)準(zhǔn)信號通過該傳感器注入到GIS內(nèi)。

b)在相鄰最近的內(nèi)置式特高頻傳感器上通過局放測試儀檢測信號的幅值大小。

c)依次選擇不同的內(nèi)置式特高頻傳感器，并把參數(shù)不變的標(biāo)準(zhǔn)信號通過該傳感器注入到GIS內(nèi)，在其相鄰最近的內(nèi)置式特高頻傳感器上檢測信號的幅值大小。

d)根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)特點以及特高頻信號在GIS內(nèi)的傳輸特點對比檢測數(shù)據(jù)，如果所檢測到數(shù)據(jù)相差不大，說明該GIS上的內(nèi)置式特高頻傳感器性能正常；如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)相差太大的情況，則在該內(nèi)置式特高頻傳感器相鄰的另一個傳感器上重復(fù)測試，并根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)及特高頻信號的傳播特點計算信號的衰減，確認(rèn)傳感器的有效性。檢測點的信號幅值可以根據(jù)公式(1)來計算。

式中:S——檢測點處的信號幅值，dB；

S0——標(biāo)準(zhǔn)信號的幅值，dB；

L——兩個測點的距離，m；

n——拐角T型頭個數(shù)。

e)傳感器校驗完畢后，通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步復(fù)核傳感器的有效性。

3 內(nèi)置式特高頻傳感器校驗方法現(xiàn)場應(yīng)用

某變電站220 kV GIS上應(yīng)用了內(nèi)置特高頻傳感器，應(yīng)用內(nèi)置式特高頻傳感器校驗方法對其進(jìn)行了現(xiàn)場校驗，如圖1所示。

圖1 特高頻內(nèi)置傳感器現(xiàn)場校驗

3.1 校驗設(shè)備

采用PDS-CL21特高頻信號發(fā)生器，該發(fā)生器能夠產(chǎn)生各種放電類型的特高頻局放信號，并且強度可調(diào)，可用于局放信號模擬。采用PDS-T95多功能局放巡檢儀檢測特高頻局放信號的幅值，該設(shè)備使用特高頻法、超聲波法對電力設(shè)備局放進(jìn)行檢測，手持式，快速判斷局放存在。設(shè)備照片如圖2所示。

圖2 校驗用設(shè)備

3.2 校驗結(jié)果

使用PDS-CL21特高頻信號發(fā)生器在GIS各間隔上的內(nèi)置傳感器上注入特高頻信號，使用PDS-T95多功能局放巡檢儀在其相鄰的內(nèi)置傳感器上檢測特高頻信號的幅值。經(jīng)現(xiàn)場測試，得到的結(jié)果見表1。

3.3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

從表1的校驗數(shù)據(jù)可以看出，該GIS內(nèi)除I母分段處的3個內(nèi)置傳感器外，其他位置傳感器檢測到的特高頻信號幅值基本接近，說明特高頻傳感器運行正常。I母分段處的3個傳感器，由于其與相鄰傳感器間存在多個盆式絕緣子以及T形頭，所以根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)特點以及特高頻信號在GIS內(nèi)的傳輸特點，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 內(nèi)置特高頻傳感器校驗數(shù)據(jù)

a)特高頻信號在GIS內(nèi)大約每1 m衰減1.5 dB。該GIS上，距離最近的傳感器其距離1 m且為直管段，檢測到特高頻信號為57 dB，則特高頻信號發(fā)生器發(fā)出的信號大約為58.5 dB。

b)特高頻信號在GIS內(nèi)大約每1 m衰減1.5 dB，特高頻信號經(jīng)過每個GIS內(nèi)部的拐角T型頭后信號的衰減大約是1.78 dB。I母分段距其最近的傳感器6 m左右，中間還有2個拐角T型頭。相鄰傳感器特高頻信號發(fā)生器發(fā)出的信號大約為58.5 dB，根據(jù)公式(1)可以計算出該位置的信號幅值約為45.94 dB，與檢測結(jié)果接近。

c)所有內(nèi)置傳感器均能夠正常工作，不影響特高頻信號的檢測。

3.4 傳感器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)復(fù)核

特高頻傳感器校驗完成后，傳感器復(fù)位并投入運行，監(jiān)測到的特高頻信號正常，其中典型的圖譜如圖所示，該圖譜有一定的局放特征，經(jīng)便攜式局放測試儀復(fù)核，判斷該處信號為干擾信號。

圖3 GIS內(nèi)特高頻局放圖譜

4 結(jié)論

根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)特點以及特高頻信號在GIS內(nèi)的傳輸特點，提出了一種簡單的特高頻內(nèi)置傳感器校驗方法，通過注入固定的特高頻信號，在相鄰傳感器上檢測信號幅值，結(jié)合幅值大小及信號衰減特性進(jìn)行計算，判斷特高頻傳感器的有效性。經(jīng)現(xiàn)場驗證，該方法簡單有效，可方便的對內(nèi)置特高頻傳感器的有效性進(jìn)行校驗。