陶詩洋，程  序，王文山，任志剛，吳麟琳，李明憶

　?。▏W(wǎng)北京電科院，北京100075）

　　摘  要： 為了開展GIS特高頻局部放電傳感器現(xiàn)場檢驗(yàn)工作，筆者通過利用陡脈沖源注入信號法與傳遞特性試驗(yàn)法在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)研究工作，試驗(yàn)結(jié)果表明兩種方法在現(xiàn)場開展特高頻內(nèi)置傳感器校驗(yàn)的可行性，并具有很好的相關(guān)性，通過試驗(yàn)得出不同結(jié)構(gòu)GIS安裝的特高頻內(nèi)置傳感器對信號的衰減特性，并提出了對于現(xiàn)場特高頻傳感器優(yōu)化布置的建議。

　　關(guān)鍵詞： 局部放電；特高頻檢測；靈敏度；檢驗(yàn)方法；氣體絕緣組合電器

0 引言

　　為保證氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Substation，GIS)可靠運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛在隱患，目前GIS廣泛采用特高頻局部放電在線監(jiān)測裝置進(jìn)行局放缺陷的實(shí)時(shí)監(jiān)測，目前絕緣在發(fā)生貫穿性擊穿前，通常會產(chǎn)生局部放電，因此通過監(jiān)測局部放電可有效預(yù)防絕緣故障[1-8]。

　　隨著GIS局部放電特高頻在線監(jiān)測裝置的廣泛運(yùn)用，為保證在線監(jiān)測裝置的準(zhǔn)確性、靈敏性和有效性，需對局部放電特高頻檢測系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢驗(yàn)[9-11]，目前普遍采用 CIGRE草案中建議的檢驗(yàn)方法[12-15]。CIGRE草案建議的方法為通過記錄5 pC真實(shí)放電下特高頻內(nèi)置傳感器信號幅值，之后利用脈沖發(fā)生器從相鄰的內(nèi)置傳感器注入脈沖信號，記錄與5 pC真實(shí)放電響應(yīng)特性相同下脈沖發(fā)生器幅值。此方法目前由于仍在討論階段，存在以下幾個(gè)問題，不利于現(xiàn)場推廣應(yīng)用。一是沒有明確規(guī)定5 pC的放電量為何種放電類型的放電，而且5 pC的真實(shí)放電不易實(shí)現(xiàn)和模擬，不利于此種方法的推廣應(yīng)用；二是針對不同廠家、不同電壓等級的GIS結(jié)構(gòu)均不相同，在實(shí)驗(yàn)室難以對其進(jìn)行模擬試驗(yàn)，不利于此種方法的應(yīng)用與推廣。三是針對不同氣室特高頻傳感器的布置方式均不同，而被測傳感器的靈敏度特性需要能夠兼顧其相鄰傳感器之間的范圍，此種校驗(yàn)方法盡管考慮了傳感器附近區(qū)域的檢測靈敏度，但對現(xiàn)場裝置布置方式的校驗(yàn)不具備指導(dǎo)意義。

　　本文通過搭建GIS現(xiàn)場檢驗(yàn)系統(tǒng)，建立基于GIS內(nèi)置特高頻傳感器的現(xiàn)場校驗(yàn)方法，并在已安裝特高頻內(nèi)置傳感器GIS上開展靈敏度特性校驗(yàn)研究，針對不同結(jié)構(gòu)設(shè)備與不同布置方式傳感器開展現(xiàn)場檢驗(yàn)試驗(yàn)，從而驗(yàn)證此種方法的有效性。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

　　為了檢驗(yàn)GIS內(nèi)置特高頻局部放電傳感器靈敏度，本次實(shí)驗(yàn)考核了進(jìn)線端相鄰特高頻內(nèi)置傳感器、斷路器兩端相鄰特高頻內(nèi)置傳感器、母線相鄰兩特高頻傳感器間的靈敏度。實(shí)驗(yàn)主要的檢測儀器有：陡脈沖信號發(fā)生器、特高頻內(nèi)置傳感器、40 dB功率放大器(放大器頻譜圖如圖1所示)、高速示波器和網(wǎng)絡(luò)分析儀。

　　本文采用陡脈沖信號發(fā)生器激發(fā)模擬特高頻局放電磁波信號，信號源脈沖上升沿約700 ps，重復(fù)頻率200 Hz，電壓幅值范圍為0至200 V，脈沖寬度為2 ns，波形及頻域譜圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中示波器的設(shè)置為：采樣率為10 GS/s，帶寬為2 GHz，時(shí)間窗為100 ns/div，耦合方式為DC 50 。網(wǎng)絡(luò)分析儀的設(shè)置為：頻帶為5 Hz～3 GHz，掃描點(diǎn)為1 601，掃描時(shí)間為5 s，延遲時(shí)間2 ms，輸出功率10 dBm。

2 方案設(shè)計(jì)

　　試驗(yàn)通過陡脈沖信號源在特高頻相鄰傳感器輸入陡脈沖信號，在相鄰傳感器通過40 dB信號放大器和示波器檢測響應(yīng)信號，脈沖信號源輸出電壓從200 V逐漸減小，直到示波器讀取波形信噪比等于2時(shí)，記錄此時(shí)脈沖源的輸出電壓，檢測不同輸入信號幅值下相鄰傳感器檢測到的注入信號，同時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量兩相鄰傳感器之間的傳遞特性，比較不同GIS結(jié)構(gòu)下傳感器響應(yīng)特性的變化情況，從而對已安裝的傳感器進(jìn)行有效性的現(xiàn)場檢驗(yàn)，試驗(yàn)接線如圖3、4所示。

　　2.1 進(jìn)線端相鄰特高頻傳感器靈敏度考核方案

　　試驗(yàn)現(xiàn)場GIS進(jìn)線端在三相套管處和其相鄰串內(nèi)倉體均安裝了特高頻局放傳感器，分別為A1、B1、C1和A2、B2、C2號傳感器，各傳感器位置如圖3、4所示，本項(xiàng)試驗(yàn)主要考核套管至串內(nèi)段GIS兩側(cè)傳感器的有效性，信號注入試驗(yàn)接線圖如圖3所示，傳遞特性試驗(yàn)設(shè)備接線圖如圖4所示。兩傳感器間結(jié)構(gòu)如表1所示。陡脈沖信號通過A1、B1、C1特高頻傳感器向GIS腔體注入，并通過A2、B2、C2特高頻傳感器檢測該注入信號。隨后，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量相鄰傳感器的兩端口網(wǎng)絡(luò)特性。

　　2.2 斷路器兩側(cè)相鄰特高頻傳感器靈敏度考核方案

　　試驗(yàn)現(xiàn)場GIS斷路器兩側(cè)均安裝了特高頻傳感器，分別為A2、B2、C2和A3、B3、C3號傳感器，各傳感器位置如圖3、4所示，本項(xiàng)試驗(yàn)主要考核GIS斷路器兩側(cè)傳感器的有效性，信號注入試驗(yàn)接線圖如圖3所示，傳遞特性試驗(yàn)設(shè)備接線圖如圖4所示。兩傳感器間結(jié)構(gòu)如表2所示。陡脈沖信號通過A2、B2、C2特高頻傳感器向GIS腔體注入，A3、B3、C3特高頻傳感器檢測該注入信號。隨后，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量相鄰傳感器的兩端口網(wǎng)絡(luò)特性。

　　2.3 母線上相鄰兩特高頻傳感器靈敏度考核方案

　　試驗(yàn)現(xiàn)場GIS母線均按照一定間距安裝了特高頻傳感器，分別為A4、B4、C4和A5、B5、C5號傳感器，各傳感器位置如圖3、4所示，本項(xiàng)試驗(yàn)主要考核GIS母線相鄰兩傳感器的有效性，信號注入試驗(yàn)接線圖如圖3所示，傳遞特性試驗(yàn)設(shè)備接線圖如圖4所示。兩傳感器間結(jié)構(gòu)如表3所示。陡脈沖信號通過A4、B4、C4特高頻傳感器向GIS腔體注入，并通過A5、B5、C5特高頻傳感器檢測該注入信號。隨后，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量相鄰傳感器的兩端口網(wǎng)絡(luò)特性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　3.1 變壓器進(jìn)線端相鄰特高頻傳感器信號注入試驗(yàn)

　　如圖5所示為A、B、C三相最小檢測注入信號時(shí)域波形圖，A、B相最小可檢測到90 V的注入陡脈沖信號，C相最小可檢測到140 V注入陡脈沖信號，三相傳感器所檢測到的最小幅值均在3 V左右。

　　圖6所示為A、B、C檢測到的信號強(qiáng)度隨注入電壓幅值變化趨勢圖，當(dāng)注入相同的電壓值時(shí)，B相檢測到的幅值最大，同時(shí)A相檢測的幅值大于C相。A相在注入200 V時(shí)檢測到的幅值反而小于注入180 V時(shí)檢測到的幅值，這可能是測量誤差引起的，可知檢測到的幅值隨注入電壓增大基本呈線性關(guān)系，且A與B斜率基本一致，可能的原因是AB相的GIS腔體結(jié)構(gòu)一致，只是長度不同，C相斜率偏差較大的原因可能是由于C相母線過長，導(dǎo)致檢測到的信號信噪比降低誤差增大。

　　如圖7所示為A、B、C三相檢測到的注入信號相鄰傳感器頻譜分布圖，由測量結(jié)果可知A相、B相檢測到的信號頻譜主要分布在450～750 MHz、950 MHz～1.15 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)，C相檢測到的信號頻譜主要分布在450～750 MHz和1 GHz附近，這是由于C相腔體過長造成高次諧波截止頻率降低造成，A、B、C三相在1.2～2 GHz間最大衰減約10 dB，主要原因是由于放大器在1.2～2 GHz頻帶的傳輸幅頻特性下降造成的。

　　圖8為網(wǎng)分測試的A、B、C三相兩傳感器之間的S12參數(shù)頻譜圖，可知網(wǎng)分測試的三相的S21參數(shù)的頻譜覆蓋范圍基本相同，其中A、B相信號響應(yīng)峰值明顯大于C相，這與注入信號結(jié)果是一致。

　　圖9為A2傳感器檢測到的注入信號頻譜與網(wǎng)分測量的S21傳遞參數(shù)的對比圖，由圖可見注入信號的頻譜和S21參數(shù)頻譜在450～750 MHz和950 MHz～1.15 GHz覆蓋范圍一致，在1.2～1.7 GHz兩者存在明顯的差異，注入信號和S21參數(shù)的底噪水平相差約12 dB，這主要是由于注入信號時(shí)使用的放大器在1.2～2 GHz的傳輸幅頻特性引起。

　　3.2 斷路器兩側(cè)相鄰特高頻傳感器靈敏度測試分析

　　圖10為在A2、B2、C2傳感器處在注入200 V陡脈沖信號時(shí)相鄰A3、B3、C3號傳感器檢測到的信號譜圖?？梢娫谛盘栐醋畲筝敵?00 V電壓情況下，斷路器另外一端相鄰特高頻傳感器檢測到的信號與背景信號相同，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀也檢測不到相關(guān)信號，證明此種傳感器布置方法在200 V的陡脈沖激勵(lì)下無法完成校驗(yàn)工作。

　　3.3 母線上相鄰兩特高頻傳感器靈敏度測試分析

　　圖11為在A4傳感器處注入不同大小信號在A5傳感器處檢測信號幅值變化趨勢圖，由圖可見檢測到的信號隨注入信號的增大基本成線性增大，具有橋型結(jié)構(gòu)的母線兩側(cè)的傳感器最小能檢測到50 V注入信號。

　　圖12為A相與注入信號相鄰的傳感器檢測到的信號的頻譜分布圖，可知相鄰傳感器檢測到的注入信號的頻譜主要分布在500 MHz～1.2 GHz范圍內(nèi)，信號通過GIS腔體后在600 MHz、700 MHz和800 MHz處有很大的衰減。

4 結(jié)論

　　(1)信號注入實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)線與母線相鄰傳感器檢測到的信號幅值隨注入信號電壓增大呈線性增大，增大的比例是一定的，利用陡脈沖注入信號法可以在固定發(fā)射信號幅值下進(jìn)行相鄰特高頻傳感器的靈敏度檢測，為現(xiàn)場校驗(yàn)工作提供實(shí)踐依據(jù)。

　　(2)對于相似結(jié)構(gòu)的GIS兩傳感器間倉體注入信號法與傳遞特性法試驗(yàn)中，由于UHF信號的傳播結(jié)構(gòu)尺寸一致，檢測到的信號頻譜覆蓋范圍基本一致，但檢測信號會隨結(jié)構(gòu)數(shù)量與倉體長度的增加會逐漸減小。

　　(3)在信號源輸出最大的情況下，斷路器兩側(cè)相鄰特高頻傳感器在200 V陡脈沖信號下無法檢測到注入信號，而在母線上兩相鄰傳感器可檢測到最小50 V注入信號，在進(jìn)線上相鄰傳感器可檢測到最小90 V的信號，所以在傳感器布置上應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)和長度GIS倉體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮不同部件的缺陷發(fā)生率與重要程度進(jìn)行傳感器的布置。

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