第27卷第1()期 2014年1O月 广东电力 GUANGDONG ELECIRIC POWER Vol_27 NO.10 Oct.2014 doi:10.3969/j.issn.1007—290X.2014.10.022 500 kV GIS断路器内置特高频传感器灵敏度校验方法 庞小峰 ,李兴旺 ,吕鸿 ,王增彬 ,吴建明 ,黎量 ,刘昌标。,郑书生 (1.广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;2.珠海市伊特高科技有限公司,广东珠海519060; 3.高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学),北京102206) 摘要:实际运行中的局放特高频传感器受诸如振动、温度、湿度、设备内外部的冲击信号等因素影响,很容易 损坏,如何科学有效的校验运行中的传感器、检测系统的灵敏度,对于保证设备安全可靠运行有着至关重要的 作用。目前常规方法均不适合现场校验,对此,采用基于等效注入场强的方式实现传感器的现场校验,并对某 500 kV气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal enelose switchgear,GIS)内置特高频传感器进行了实验 室部分的测试。测试结果表明,该传感器能检测到1 pC放电,等效注入场强的方式用于现场校验是可行的,且 注入信号的频谱与局放频谱相似。 关键词:气体绝缘金属封闭开关设备;局部放电;特高频;内置传感器;灵敏度校验 中图分类号:TM59l 文献标志码:B 文章编号:1007—290X(2014)10—01 12—04 Verification Method for Sensitivity of Built-in Ultra-high Frequency Sensor in 500 kV GIS Breaker PANG Xiaofeng ,LI Xingwang1,LO Hong1,WANG Zengbin ,WUJianmin ̄,LI Liang ̄,LIU Changbiao3,ZHENG Shusheng3 (1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510080,China;2. Zhuhai Electac High Technology Co.,Ltd.,Zhuhai,Guangdong 519060,China;3.Beijing Key Laboratory of High Volt— age&Electro—magnetic Compatibility,North China Electric Power University,Beijing 102206,China) Abstract:In practical operation,partial ultra—high frequency sensor is easy to be damaged for reasons of impact by vibration, temperature,humidity,internal and external shock signals and SO on.It is playing very important role in ensuring safe and reliable operation of equipments by scientifically and effectively verifying sensitivities of running sensor and detection sys— tern.But present conventional methods are not suitable for on—site verification.Therefore,a method based on equivalent in— jection of field intensity was used to realize on—site verification and experimental testing on built・in ultra—high frequency sen— sor in some 500 kV gas insulated metal enclosed switchgear was conducted.Testing results indicated that this sensor was able to detect 1 pC discharge,equivalent injection of field intensity was feasible for on-site verification and frequency spectrum of injected signals were similar with partial discharge frequency spectrum. Key words:gas insulated metal enclosed switchgear;partial discharge;ultra-high frequency;built—in sensor;sensitivity verification 当前,气体绝缘金属封闭开关设备(gas insu. 1ated metal enelose switechgear,GIS)局部放电在 线监测系统在全国电网中应用日益广泛,已经形成 一简单,对二次设备和检测人员而言,更加安全,因 而较之于其它检测方法具有明显的优势,已成为国 内外学者研究的热点l_2I5]。随着我国电力系统状态 检修工作开展的日益深入,局放特高频检测技术在 定规模。作为局部放电(以下简称局放)检测最有 效的方法之一,局放特高频的检测频带在300~3 高压电气设备(GIS、电缆和电力变压器等)上的应 用越来越广泛l61]。 000 MHz之间,具有抗干扰能力强、灵敏度高等 特点_1]。该检测方法为非接触式的测量,系统结构 特高频传感器检测灵敏度及抗干扰能力决定着 整个检测装置的应用效果[8 ]。对于实际运行中的 收稿日期:2014—01.()9返回日期:2(/14 09—01 传感器,其性能受诸多原因影响,如振动、温度、 第10期 庞小峰,等:500 kV GIS断路器内置特高频传感器灵敏度校验方法 113 湿度、设备内外部大的冲击信号等,这些因素都可 能损害传感器的特性,如何科学有效的校验运行中 所示。 的传感器、检测系统的灵敏度,对于保证设备安全 可靠运行有着至关重要的作用。当前,在入网测试 中,局放特高频传感器及检测装置灵敏度科学有效 的评估方法是等效高度测试,该方法是利用吉赫兹 横电磁波(gigahertz transverse electromagnetic, g 骂 趔 GTEM)小室产生一均匀的场强实现对传感器的标 图2运行状态下尖刺模型1 pC放电量时的频域波形 定,不适合现场校验。同时,在出厂对传感器和检 测系统的校验中,不可能在其中制造5 pC放电, 因此出厂检验方法不适合现场校验。 针对这一问题,本文采用基于等效注入场强的 方式对运行中的特高频传感器灵敏度进行校核,并 阐述了该方法的具体操作步骤。同时,对某 500 kV GIS内置特高频传感器进行了实验室部分 的测试。测试发现,该传感器能检测到1 pC放电, 等效注入场强的方式对于现场校验是可行,且其频 谱与局放频谱相似。最后,本文确定了该GIS在 运行和热备用状态下校验内置传感器灵敏度时所需 注入的等效脉冲幅值。 1 500 kV GIS特高频传感器出厂校验 常规的局放特高频传感器及检测系统灵敏度校 验的出厂试验方法是:在GIS内部制造一个5 pC 或更低的放电,判断传感器是否能检测到。图1为 某500 kV GIS断路器内置特高频传感器出厂检验 时的测试连接图,试验中的缺陷模型为尖刺,置于 GIS隔离开关处;放大器增益为40 dB,并对手机 信号频段进行了滤波处理。 高速示波器 图1 500 kV GIS传感器出厂检验测试连接图 当GIS处于运行状态时,即断路器和隔离开 关闭合、接地刀闸断开,模型放电量为1 pC,传 感器检测到的时域幅值为23 mV,频域波形如图2 当GIS处于热备用状态时,即隔离开关闭合、 断路器和接地刀闸断开,模型放电量为1 pC时, 传感器检测到的时域幅值为33 mV,频域波形如 图3所示。 囊 一10o占——— ——1 ——— —— 0 图3热备用状态下尖刺模型1pC放电的频域波形 测试结果表明:不论在运行状态还是在热备用 状态下,该传感器均能检测到1 pC放电量,满足 灵敏度要求;两种状态下局放的频谱很相似。 2基于等效场强的现场校验方法 基于等效场强的现场校验方法的基本原理是注 入一个与局放相当的等效脉冲信号,若传感器检测 到的注入信号幅值在局放幅值的±20%范围内,则 该传感器满足灵敏度要求,其测试原理如图4所 示,具体操作步骤如下: a)如图4(a)所示,在GIS设备上安装2个内 置式特高频传感器,即C1和C2。在安装C1的 GIS腔体内部设置局部放电缺陷,使其在外施电压 的作用下产生5 pC(GIS设备合格标准)的局部放 电,此时采用C2和特高频检测设备测量此局放发 射出的特高频电磁波信号,并记录信号幅值FA。 b)去掉第a)步中的局部放电缺陷。将脉冲发 生器(pulse generator,PG)与C1连接,通过C1 向GIS内部发射特高频电磁波信号,采用C2和特 高频检测设备测量,并观察信号幅值FB。如图4 (b)所示。PG的输出电压幅值连续可调。通过调 114 广东电力 第27卷 整PG输出电压可以改变其向GIS内部发射的特高 频电磁波强度。当此信号幅值与5 pC局部放电发 射出的特高频信号幅值相同(F =F )时,记录下 此时PG输出电压的幅值FPG。 c)在现场开展标定试验,如图4(c)所示。在 GIS设备上选择2个传感器,即:C1和C2。将脉 冲发生器与传感器C1连接,向GIS腔体内部注入 特高频电磁波信号。将特高频检测装置与传感器 C2连接,用于检测特高频信号。PG输出电压的 幅值为FPG,如此向GIS内部注入的信号的强度相 当于5 pC的局部放电。如果检测装置可检测到明 显的信号,则认为C2可检测到CI与C2位置之间 的5 pC的局部放电。 上述第a)、b)步为实验室测试部分,第c)步 为现场测试部分。 (a)局部放电特高频信号测量回路 l甲 (c)UHF检测仪器灵敏度检定现场试验回路 图4 818局部放电特高频检测系统灵敏度校验试验回路 若GIS上没有内置传感器,可采用外置传感 器作为注入天线,测试步骤与内置式相同。放电缺 陷可以是任意一种典型模型,为满足灵敏度要求, 放电量为5 pC或更小(如1 pC)。现场试验(即第 e)步)过程中,测试用的设备(脉冲发生器、电缆和 传感器)应与实验室测试中的一致。而现场检定的 信号源的波形,只需满足下列参数要求即可:罄~ a)信号源的上升沿时间小于1 ns; b)若信号源是矩形脉冲,其脉冲宽度应大于 500 ns;若为双指数脉冲,其半峰值时间应大于2() ns; c)为了避免多脉冲叠加,连续脉冲的间隔必须 大于特高频信号的持续时间。通常,重复率小于 一徽 10()kHz均可,如50 Hz或6()Hz。 采用上述方法对500 kV GIS断路器内置传感 器进行校验,测试了实验室部分的内容,试验回路 如图1所示。 由于该GIS只有一个内置传感器,所以采用 外置传感器注入,试验缺陷模型为尖刺,置于GIS 隔离开关处;DMS外置传感器通过接地隔离开关 的绝缘子向GIS内注入信号;脉冲源的上升沿时 间约为350 ps(小于1 ns),其输出波形如图5所 示;放大器增益为40 dB,并对手机信号频段进行 了滤波处理。 乏 {四 出 时间/ns 图5脉冲源输出波形 当GIS处于运行状态时,模型放电量为1 pC 时,传感器检测到的时域幅值为23 mV。通过外 置天线向GIS注人信号,不断调整脉冲源的注入 电压,直到检测幅值等于1 pC局放幅值,此时脉 冲源的输出电压为4 V,该幅值即为现场灵敏度检 定时需要注入的幅值,局放和注入信号的频谱如图 6所示。 昌 迥 晏 频率/GHz 图6运行状态下局放和注入信号的频谱 第10期 庞小峰,等:500 kV GIS断路器内置特高频传感器灵敏度校验方法 115 当GIS处于热备用状态时,模型放电量为1 pC时,传感器检测到的时域幅值为33 mV,当脉 冲源注入7 V时,检测幅值为33 mV,该幅值即 为现场灵敏度检定时需要注入的幅值,局放和注入 L3J MEIJER S,GULSKI E,SMIT J J.Pattern Analysis of Par. tial Discharges in SF6 GIS[J].IEEE Transactions on Dielec. trics and E1ectrical Insulation,1998,5(6):830.842. [41 TENBOHLEN S,DENISSOV D,HOEK S,et a1.Partial Discharge Measurement in the Ultra High Frequency Range 信号的频谱如图7所示。 (UHF)[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2008,15(6):1544.1552. [5]OKUBO H Recent Progress and Future Perspective on Condi- 吕 tion Monitoring and Diagnostic Techniques for Power Equip- 晏 j四 粤 频率/GHz 图7运行状态下局放和注入信号的频谱 测试结果表明:基于等效场强注入方式的特高 频传感器灵敏度现场校验方法可行,能找到与某一 放电量等效的注人电压,且局放信号的频谱与注入 信号频谱相似;后续对该传感器进行现场校验时, 运行状态脉冲源应注入4 V,热备用状态应注入 7 V。 3结论 本文给出了GIS特高频传感器灵敏度现场校 验的一整套方法,详细阐述了具体操作步骤,并对 某500 kV GIS的内置特高频传感器灵敏度校核进 行了实验室部分的测试,测试结果表明: a)不论在运行状态还是热备用状态,该500 kV GIS内置特高频传感器均能检测到1 pC放电, 满足灵敏度要求,且两种状态下的局放频谱相 似; b)基于等效注入场强的传感器灵敏度现场校 验方法可行,且局放频谱与注入信号频谱相似,能 找到与某一放电量等效的注入电压; c)后续对该传感器进行现场校验时,运行状态 应注入4 V,热备用状态应注入7 V。 参考文献: [1]唐志国.电力变压器局部放电特高频定位方法的研究[D].北 京:华北电力大学,2006. r2]JUDD M D,YANG Li,HUNTER L B B.Partial Discharge Monitoring of Power Transformers Using UHF Sensors Part 1: Sensors and Signal Interpretation[J]. 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SUNCaixin,XUGaofeng,TANG Ju,et a1.Model andPerform— ance of Inner Sensors Used for Partial Discharge Detection in Gis ⅢJ].Proceedings oftheCSEE,2004,24(8):89-94. 作者简介: 庞小峰(1975),男,海南琼海人。工程师,从事电网设备电气 试验与研究。 李兴旺(1985),男,甘肃武威人。工程师,工学硕士,从事高 压开关设备试验及绝缘诊断技术研究工作。 吕鸿(1982),男,广东潮州人。工程师,工学硕士,从事高电 压绝缘及高压设备状态检测研究工作。 (编辑王朋)