一种适用于陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断方法及装置
技术领域
本发明涉及GIS绝缘状态在线监测领域,更具体地说,涉及一种适用于陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断方法及装置。
背景技术
气体绝缘金属封闭式组合电器(Gas Insulated Switchgear,简称GIS)在实际运行和实验中发现,GIS内部的隔离开关在切合小容量负载时,由于触头运动速度慢、隔离开关灭弧能力弱等原因,触头间可能会发生重击穿,产生波头很陡的行波,在GIS内发生多次折反射,形成频率高达MHz数量级的操作过电压,称之为快速暂态过电压(very fast transient over-voltage,VFTO)。VFTO含有三个主要的频率分量:2MHz的基本振荡频率、10MHz的高频分量和40MHz的快速暂态分量,其中40MHz的快速暂态分量是陡形侵入波在GIS中发展形成的,直接影响着GIS的绝缘。
在实际运行中多次发生由VFTO过电压引发的事故,GIS中的支撑绝缘子通常是GIS绝缘中最薄弱的环节,GIS在制造和运行中都难免会产生由于导电微粒等原因所导致的电场集中,特别是GIS在加工、装配过程中以及开关操作时的电弧燃烧都会产生一些导电微粒,导电微粒在电场作用下很容易附着在绝缘子表面,使绝缘子沿面闪络电压显著降低。研究结果表明:当GIS中的盆式绝缘子表面无导电微粒附着时,VFTO作用下的SF6气隙击穿电压并不比其在雷电作用下的击穿电压低(在GIS设备选型时,就是以雷电冲击过电压为依据加以选择的)。而当绝缘子表面存在由金属微粒或表面电荷集聚等原因造成的局部电场集中时,即使在实际应用气压范围(0.3-0.5MPa)内,VFTO作用下的绝缘子沿面放电电压也远低于雷电作用下的沿面放电电压值。
无论是雷电冲击电压还是由GIS中的隔离开关分合母线电容电流时产生的快速暂态过电压,均具有上升时间短及幅值高的特点,因此当这些陡波侵入GIS中时,可能会在GIS的不同部位,如高压开关本身、绝缘间隙、绝缘子、套管等出现故障,这不仅影响金属封闭开关设备本身的可靠性,而且对其邻近的电力变压器绝缘结构也造成很大危险。
当运行工况下GIS遭遇陡波电压侵入时,可能使本来不发生局部放电的GIS类设备发生局部放电。假定当两种电压叠加时,陡波与交流的放电机理相互没有影响,当冲击电压的幅值足够高时,使得总的电压幅值达到主放电的电压UcB时,出现放电。这次放电建立起很高的反向电压,随着陡波冲击电压下降,就会在几十μs内出现几次放电,这过程与冲击电压下的局部放电过程相同。在冲击电压消失后,气隙上经过几次放电会留下一定的残余反向电压Up,这个电压叠加在交流电压上,随着交流电压瞬时值UC’的升高,一旦达到气隙的交流击穿电压UcB时,又出现放电,如图1(a)表示只发生一次放电,以后就不会再出现放电;图1(b)表示不仅在第一个半周出现放电,而且在以后各个半周期内都会持续出现放电,显然后者对绝缘的破坏严重得多。是否会出现这种情况,决定于交流电压的幅值、冲击放电的剩余电压幅值、冲击电压作用在交流电压上的相位以及缺陷的放电电压等。绝缘劣化缺陷在冲击电压下产生放电后,绝缘缺陷的击穿电压会降低,再加上剩余电压的叠加影响,总是会加剧局部放电,因此,实时在线监测陡波侵入GIS绝缘状态变化,对于GIS类设备安全运行具有重要的实际意义。因此陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断方法具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,提供一种适用于陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断方法及装置,可实时监测陡波电压侵入前后GIS绝缘状态变化,提供陡波侵入电压类型、GIS局部放电类型及击穿定位结果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种适用于陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断方法,包括以下步骤:
S1、采用窄带电流传感器和宽带高频电流传感器穿套在GIS设备接地线上,用于接收接地电流信号,接地电流信号转换为电压信号,电压信号通过陡波过电压侵入保护后端处理器的浪涌保护器;
S2、将超声波传感器分别布置在各气室支撑绝缘子旁,并布置相应供电单元和前置放大器,陡波侵入运行工况GIS类设备时,超声波将接收到相应超声波信号;
S3、GIS设备在运行工况下出现陡波侵入时,窄带电流传感器将接收频率范围在20kHz-3MHz内的陡波基本振荡频率信号,记时刻T1,最大幅值记为A1,宽带高频电流传感器将接收频率范围在1MHz-50MHz的陡波高频振荡频率信号,记时刻T2,最大幅值记为A2;记A=A1-A2,T=(T1+T2)/2;
S4、若A>0,则表示该陡波侵入信号主分量为基本振荡频率信号,对GIS绝缘损伤较小,可继续执行监测;
S5、若A<0,则表示陡波侵入信号主分量为高频振荡频率信号,须报警;提取T后一段时间内局部放电高频脉冲电流信号和超声局部放电信号特征参量,包括局部放电平均幅值、幅值分散性、周期性和信号波形;根据所述特征参量确定GIS绝缘缺陷类型;
按上述方案,在所述步骤S5中:
A、若局部放电平均幅值>标定视在放电量,即记为高,局部放电平均幅值>标定视在放电量,即记为低;
B、若幅度波动率超过80%,幅值分散性记为变化,否则为稳定;
C、综合局部放电信号高频脉冲电流和超声波监测数据,判断局部放电是否具有50Hz或100Hz的周期性,不具有则为否;
D、根据超声振荡波时延信息进行判断,超声波起始波头时刻记为t1,振荡结束时刻记为t2,t=t2-t1,若t<10μs则为脉冲型信号,若t>10μs则为非脉冲型信号。
按上述方案,在所述步骤S5中,所述GIS绝缘缺陷类型与特征参量的对应关系为:
A、自由粒子:幅值高、幅值分散性为变化、周期性为否、脉冲型信号;
B、电晕:幅值高、幅值分散性为稳定、周期为50Hz或100Hz、非脉冲型信号;
C、悬浮电极:幅值高、幅值分散性为稳定、周期为100Hz、非脉冲型信号;
D、绝缘子上微粒:幅值分散性为变化、周期为50Hz、脉冲型信号;
E、绝缘子上沿面:幅值高、幅值分散性为变化、周期性为50Hz、非脉冲型信号。
按上述方案,还包括:
S6、若陡波侵入前,所有超声波传感器未接收到超声波局部放电信号,陡波侵入后,超声波传感器频繁出现局部放电信号,即GIS绝缘因陡波侵入产生缺陷,绝缘损伤程度判别方法为:
(1)在30min内,排除偶发因素,超声波局部放电幅值逐渐减小,且放电频次逐步递减,表征GIS绝缘轻微劣化;
(2)在30min内,超声波局部放电间歇式发展,且工频相位特征明显,放电频率平稳,表征陡波侵入后GIS绝缘产生永久性缺陷;
(3)陡波侵入后引起GIS击穿后,通过击穿同一时刻超声波信号幅值强弱程度寻找击穿点所在区域。
本发明还提供了一种适用于陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断装置,包括超声波传感器、供电单元、前置放大器,窄带电流传感器、宽带高频电流传感器、浪涌保护器和信号处理系统,
所述超声波传感器分别布置在GIS设备各气室支撑绝缘子旁,所述超声波传感器接收GIS局部放电或击穿时产生的超声波信号,经供电单元和前置放大单元输出至信号处理系统;
所述窄带电流传感器和宽带高频电流传感器穿套在GIS设备接地线上,用于接收接地电流信号,并将接地电流信号转换为电压信号,电压信号通过陡波过电压侵入保护后端处理器的浪涌保护器输出至信号处理系统;
所述信号处理系统包括控制与处理单元、信号调理单元、信号预处理单元、模数转换单元和显示单元,所述前置放大单元和浪涌保护器输出的信号通过信号调理单元、信号预处理单元和模数转换单元后,在显示系统上实时显示监测数据图谱,所述控制与处理单元分别控制所述信号调理单元、信号预处理单元和模数转换单元。
按上述方案,所述信号处理系统为服务器接口监测平台。
按上述方案,所述超声波传感器的接收器采用压电陶瓷制作,接收频率范围为60kHz-400kHz。
按上述方案,所述窄带电流传感器采用罗氏线圈电流传感器,频率范围是20kHz-3MHz。
按上述方案,所述宽带高频电流传感器采用罗氏线圈电流传感器,频率范围是1MHz-50MHz。
按上述方案,所述浪涌保护器标称放电电流10kA,限制电压<120V,频率范围>100MHz。
实施本发明的适用于陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断方法及装置,具有以下有益效果:
1、本发明采用声电联合方式在线监测陡波电压侵入GIS类设备绝缘状态,实时监测GIS类设备绝缘损伤,对提高电力系统运行的安全性和可靠性具有重用意义;
2、本发明采用非电连接方式提取陡波侵入电压波形信息,采用两个不同频带的电流传感器采集陡波基本振荡频率信号和高频快速暂态信号,建立绝缘预损伤报警模式,提高GIS类设备绝缘安全管理水平;
3、本发明通过提取陡波侵入GIS类设备引起超声波局部放电特征参量,提出标定绝缘损伤缺陷类型方法,并建立绝缘损伤程度判别方法,对超/特高压GIS类设备绝缘状态管理和系统的稳定运行都有重大意义。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1(a)、图1(b)为陡波电压侵入运行工况GIS类设备后GIS绝缘劣化严重程度的局部放电表征。
图2(a)、图2(b)为典型雷电冲击电压侵入波和快速暂态过电压侵入波;
图3为本发明适用于陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断装置的结构框图;
图4(a)、图4(b)为本发明宽带高频电流传感器监测典型陡波侵入电压信号及其频率特性;
图5为本发明中宽带高频电流传感器监测典型陡波侵入GIS类设备引起局部放电信号;
图6为本发明中超声波传感器监测典型陡波侵入GIS类设备引起局部放电信号;
图7为本发明中超声波传感器监测典型陡波侵入GIS类设备引起击穿的信号;
图8为本发明中依据超声波局部放电特征参量对陡波侵入GIS类设备引起绝缘缺陷类型的评判标准。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明适用于陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断方法,具体包括以下步骤:
S1、首先采用窄带电流传感器和宽带高频电流传感器穿套在GIS设备接地线上,用于接收接地电流信号,接地电流信号转换为电压信号,电压信号通过陡波过电压侵入保护后端处理器的浪涌保护器,然后进入后端处理器,如图3所示。窄带电流传感器和宽带高频电流传感器可以采用罗氏线圈电流传感器。
S2、将超声波传感器分别布置在各气室支撑绝缘子旁,并布置相应供电单元和前置放大器,陡波侵入运行工况GIS类设备,超声波将接收到相应超声波信号,进入后端处理器;
S3、GIS设备在运行工况下出现陡波侵入时,窄带电流传感器将接收频率范围在20kHz-3MHz内的陡波基本振荡频率信号,记时刻T1,最大幅值记为A1,宽带高频电流传感器将接收频率范围在1MHz-50MHz的陡波高频振荡频率信号,记时刻T2,最大幅值记为A2;记A=A1-A2,T=(T1+T2)/2;图4为典型陡波侵入电压信号及其频率特性。
S4、若A>0,则表示该陡波侵入信号主分量为基本振荡频率信号,对GIS绝缘损伤较小,可继续执行监测。
S5、若A<0,则表示陡波侵入信号主分量为高频振荡频率信号,须报警,查看大于(T+60)秒的局部放电信号波形图谱,图5为宽带高频脉冲电流信号,图6为典型超声波局部放电图谱,图7为典型GIS击穿时超声波信号图谱,记在(T+60)秒到(T+1800)秒内脉冲电流信号幅值为(x1,x2,x3,……,xn),超声波局部放电信号幅值为(a1,a2,a3,……,an)。
陡波侵入后,GIS绝缘产生缺陷,提取局部放电高频脉冲电流信号和超声局部放电信号特征参量,包括放电平均幅值、幅值分散性、周期性和信号波形对自由粒子、电晕、悬浮电极、绝缘子颗粒和沿面,缺陷类型评判标准如图8所示。
特征参量的判断参照以下方法:
A、在加装监测设备时需采用标准方波校准发生器对宽带高频脉冲电流传感器进行校准,标定500pC视在放电量,特征参量之一局部放电平均幅值>500pC,即记为高,局部放电平均幅值<500pC,即记为低;
B、记录特征参量之一幅值分散性,幅度波动率超过80%记为变化,否则为稳定,极限波动值设为300pC,即下述S>80%为变化,S<80%即为稳定。通过以下程序可以实现:
S=0;%幅度波动比例
N=0;%幅度波动超过极限值
For i=1:n
N=N+1;
End
End
S=N/n;
C、记录特征参量之一周期性,综合局部放电信号高频脉冲电流和超声波监测数据,局部放电是否具有50Hz或100Hz的周期性,不具有则为否;
D、记录特征参量之一脉冲型信号,根据超声振荡波时延信息进行判断,超声波起始波头时刻记为t1,振荡结束时刻记为t2,t=t2-t1,若t<10μs则为脉冲型信号,若t>10μs则为非脉冲型信号。
S6、若陡波侵入前,所有超声波传感器未接收到超声波局部放电信号,陡波侵入后,超声波传感器频繁出现局部放电信号,即GIS绝缘因陡波侵入产生缺陷,绝缘损伤程度判别方法:
(1)在30min内,排除偶发因素,超声波局部放电幅值逐渐减小,且放电频次逐步递减,表征GIS绝缘轻微劣化;
(2)在30min内,超声波局部放电间歇式发展,且工频相位特征明显,放电频率平稳,表征陡波侵入后GIS绝缘产生永久性缺陷;
(3)陡波侵入后引起GIS击穿后,通过击穿同一时刻超声波信号幅值强弱程度寻找击穿点所在区域。
如图3所示,本发明还提供了一种适用于陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断装置,包括超声波传感器2、供电单元3、前置放大器4,窄带电流传感器5、宽带高频电流传感器6、浪涌保护器7和信号处理系统8。
超声波传感器2分别布置在GIS设备1各气室支撑绝缘子旁,超声波传感器2接收GIS局部放电或击穿时产生的超声波信号,经供电单元3和前置放大单元输出至信号处理系统8。优选的,超声波传感器2的接收器采用压电陶瓷制作,接收频率范围为60kHz-400kHz。接收器接收超声波产生机械振动,将其变换成电能量,经供电单元3和前置放大器4产生放大的超声波电信号输出,并使用双层屏蔽同轴电缆将电压信号传输至后信号处理系统8。供电单元3输出电压24V,输出电流1.5A,额定功率50W。
窄带电流传感器5和宽带高频电流传感器6穿套在GIS设备1接地线上,用于接收接地电流信号,并将接地电流信号转换为电压信号,电压信号通过陡波过电压侵入保护后端处理器的浪涌保护器7并使用双层屏蔽同轴电缆输出至信号处理系统8。本实施例中,窄带电流传感器5采用罗氏线圈电流传感器,频率范围是20kHz-3MHz。宽带高频电流传感器6采用罗氏线圈电流传感器,频率范围是1MHz-50MHz。浪涌保护器7标称放电电流10kA,限制电压<120V,频率范围>100MHz。
信号处理系统8包括控制与处理单元805、信号调理单元801、信号预处理单元802、模数转换单元803和显示单元804,前置放大单元和浪涌保护器7输出的信号通过信号调理单元801、信号预处理单元802和模数转换单元803后,在显示系统上实时显示监测数据图谱,控制与处理单元805分别控制信号调理单元801、信号预处理单元802和模数转换单元803。本实施例中,信号处理系统8为服务器接口监测平台。控制与处理单元805还可以根据前述的适用于陡波侵入GIS绝缘状态在线监测诊断方法,对输入的信号进行处理,实现报警和诊断的功能。
本发明主要用于现场雷电冲击电压和快速暂态过电压等陡波电压侵入运行工况下GIS的绝缘状态在线监测及诊断及定位,特别适用于陡波电压侵入运行工况超/特高压GIS类设备绝缘状态在线监测诊断及定位。本发明采用声电联合方式在线监测陡波电压侵入GIS类设备绝缘状态,实时监测GIS类设备绝缘损伤,对提高电力系统运行的安全性和可靠性具有重用意义。本发明采用非电连接方式提取陡波侵入电压波形信息,采用两个不同频带的电流传感器采集陡波基本振荡频率信号和高频快速暂态信号,建立绝缘预损伤报警模式,提高GIS类设备绝缘安全管理水平。本发明通过提取陡波侵入GIS类设备引起超声波局部放电特征参量,提出标定绝缘损伤缺陷类型方法,并建立绝缘损伤程度判别方法,对超/特高压GIS类设备绝缘状态管理和系统的稳定运行都有重大意义。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。