CN107505551B - 气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置及应用 - Google Patents

气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置及应用，其特征是：由无局放电压源、耦合电容、测量阻抗和局放仪构成局部放电脉冲电流测试平台，设置GIS模型，无局放电压源的正极端连接GIS模型中的金属导体，无局放电压源的负极端连接GIS模型的外壳并接地；在所述GIS模型中放置人工缺陷模型，在GIS模型上分别设置内置特高频传感器和外置特高频传感器，利用示波器对于内置特高频传感器和外置特高频传感器的输出信号进行检测。本发明用于在特高频传感器安装之前进行测试并确定最佳安装位置，为GIS传感器布置工作提供依据。

Description

气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置及应用
技术领域
本发明属于电气设备局部放电检测技术领域，尤其涉及气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置及试验方法。
背景技术
绝缘故障是电力设备在运行中可能发生的主要故障之一，电力设备发生绝缘故障前，通常会有一个逐渐发展的局部放电过程，即Partial Discharge，简称为局放或PD，最终导致绝缘击穿。因此，对于局部放电的在线监测可以为保障电力设备安全、稳定和可靠运行以及电力设备的状态检修提供技术支撑。上世纪80年代初期以来，针对气体绝缘组合开关设备(GasInsulated Switchgear，简称为GIS)的局部放电特高频(Ultra High Frequency，简称为UHF)检测技术迅速发展并逐步在工程中发挥了积极的作用，取得了大量的成果。当局部放电在很小的范围内发生时，气体击穿过程很快，将产生很陡的脉冲电流，其上升时间小于1ns，并在设备腔体内激发频率高达数GHz的电磁波。UHF检测技术的基本原理是通过UHF传感器对局部放电时产生的频率高达300MHz～3GHz的特高频电磁波信号进行检测，从而获得局部放电的相关信息。UHF检测法和其它局部放电在线检测技术相比，具有检测灵敏度高、现场抗干扰能力强、可实现局部放电在线定位和利于绝缘缺陷类型识别等优点。
UHF传感器是UHF局部放电在线监测系统的关键，按其安装位置可分为内置传感器和外置传感器。外置式传感器使用和维护方便，尺寸和机械性能要求较低，成本低，适用于无法或难以安装内置传感器的老式GIS。但由于电磁信号的衰减，以及传感器直接暴露在外界空间中受到的电磁干扰，外置式传感器的灵敏度相对较低。相比较下，内置式传感器灵敏度高、抗干扰能力强，但是制作和安装的成本也更高，一般在设备生产时直接安装在内部。在很多情况下，一个UHF传感器的有效范围无法完全覆盖整个GIS，因而在GIS中常常需要安装多个UHF传感器。从经济性和方便维护的角度来看，在满足局部放电监测要求的基础上，传感器的数目应该越少越好。无论是外置或内置，传感器布置方案的不同都会给检测结果带来具体影响；现有技术中对于GIS中传感器布置方法及相关的试验都是应用在验收过程中，即在传感器安装完成后，通过试验确定该布置方案是否满足实际要求；但对于如何获得传感器的最佳安装和布置方案迄今并没有相关报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置及应用，以便在能够在特高频传感器安装之前进行测试并确定最佳安装位置，为GIS传感器布置工作提供依据。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置的特点是：由无局放电压源、耦合电容、测量阻抗和局放仪构成局部放电脉冲电流测试平台，设置GIS模型，无局放电压源的正极端连接GIS模型5中的金属导体，无局放电压源的负极端连接GIS模型的外壳并接地；在所述GIS模型中放置人工缺陷模型，在所述GIS模型上分别设置内置特高频传感器和外置特高频传感器，利用示波器对于所述内置特高频传感器和外置特高频传感器的输出信号进行检测。
本发明气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置的结构特点也在于：所述GIS模型为直筒形，所述GIS模型由两个非屏蔽盆式绝缘子分隔为三个气室，两个非屏蔽盆式绝缘子之间相隔1000mm，处在中间的气室设置有圆形通孔，直径250mm，所述圆形通孔能够利用带有密封圈的金属盖板进行密封防止SF6气体泄漏；内置特高频传感器安装在所述金属盖板上置入GIS模型的圆形通孔中；外置特高频传感器利用固定装置安装在非屏蔽盆式绝缘子上。
本发明气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置的结构特点也在于：所述内置特高频传感器采用圆盘型传感器，所述外置特高频传感器采用对数周期型传感器。
本发明气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置的结构特点也在于：所述人工缺陷模型采用自由金属微粒模型，所述自由金属微粒模型采用筒形有机玻璃罩，在所述有机玻璃罩的顶部设置上极板、底部设置下极板，处在下极板上方的板电极由延长柱固定，在下极板上放置钢珠；利用上极板与GIS模型中的金属导体的高压端相连，下极板与GIS模型的外壳地相连，以钢珠模拟自由金属颗粒缺陷。
本发明气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验方法的特点是：采用所述气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置，按如下步骤进行试验：
步骤1、将待布置特高频传感器安装在GIS模型上，在GIS模型的内部放置人工缺陷模型，使人工缺陷模型处在接近特高频传感器的位置上；调节无局放电压源的电压值至示波器能检测到信号的最小输出，信噪比为2：1，记录此时局放仪上显示的局部放电量，作为检测系统的最小可测放电量qmin；
若待布置特高频传感器为内置特高频传感器，则将内置特高频传感器安装在金属盖板上置入GIS模型的圆形通孔中；
若待布置传感器为外置特高频传感器，则将外置特高频传感器利用固定装置安装在GIS模型的非屏蔽盆式绝缘子上；
步骤2、以5pC局部放电量估算在布置单个特高频传感器时允许的最大能量衰减Amax为：
Figure BDA0001415177120000031
步骤3、根据GIS模型的结构，在GIS模型的最为边缘的位置布置第一个特高频传感器，并向外拓展寻找到第二个特高频传感器的位置，使得两个位置间不连续部件衰减因子叠加和Σ不大于2Amax；同样的方法继续寻找第三个特高频传感器的安装位置，直至所有特高频传感器的有效检测距离覆盖整个GIS模型。
本发明气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验方法的特点也在于：所述不连续部件衰减因子分别为：首个盆式绝缘子7dB，后续盆式绝缘子3dB，L型结构10dB，T型结构直线部分6dB，T型结构垂直部分10dB。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明装置简单、试验方法高效，实际使用效果好，能够在传感器安装前进行测试并确定最佳安装位置，为GIS特高频传感器的布置工作提供可靠依据。
附图说明
图1为本发明中试验装置结构示意图；
图2是人工缺陷模型结构示意图。
图中标号：1无局放电压源，2耦合电容，3测量阻抗，4局放仪，5为GIS模型，6人工缺陷模型，7内置特高频传感器，8外置特高频传感器，9示波器，11有机玻璃罩，12上极板，13气孔，14延长柱，15板电极，16钢珠，17下极板。
具体实施方式
参见图1，本实施例中气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置的结构形式是：由无局放电压源1、耦合电容2、测量阻抗3和局放仪4按照GB/T 7354-2003标准《局部放电测量》构成局部放电脉冲电流测试平台；设置GIS模型5，无局放电压源1的正极端连接GIS模型5中的金属导体，无局放电压源1的负极端连接GIS模型5的外壳并接地；在GIS模型5中放置人工缺陷模型6，在GIS模型5上分别设置内置特高频传感器7和外置特高频传感器8，利用示波器9对于内置特高频传感器7和外置特高频传感器8的输出信号进行检测；示波器9选用泰克DPO70604B，具有四通道、6GHz带宽、25G采样率。
如图1所示，GIS模型5为直筒形，GIS模型5的内腔由两个非屏蔽盆式绝缘子分隔为三个气室，两个非屏蔽盆式绝缘子之间相隔1000mm，处在中间的气室的侧壁上设置有圆形通孔，直径250mm，圆形通孔能够利用带有密封圈的金属盖板进行密封防止SF6气体泄漏；内置特高频传感器7安装在金属盖板上置入GIS模型5的圆形通孔中；外置特高频传感器8利用固定装置安装在非屏蔽盆式绝缘子上；内置特高频传感器7采用圆盘型传感器，外置特高频传感器8采用对数周期型传感器。
参见图2，人工缺陷模型6采用自由金属微粒模型，自由金属微粒模型采用侧壁上设有气孔13的筒形有机玻璃罩11，在有机玻璃罩的顶部设置上极板12、底部设置下极板17，处在下极板17上方的板电极15由延长柱14固定，在下极板17上放置钢珠16；利用上极板12与GIS模型5中的金属导体的高压端相连，下极板17与GIS模型5的外壳地相连，以钢珠16模拟自由金属颗粒缺陷。自由金属微粒是GIS中最常见且危害最大的故障类型之一，自由金属微粒引发的局部放电因而成为局部放电监测过程中最重要的监视类型之一。国际大电网会议CIGRE在对UHF法和传统脉冲电流法进行比较时，推荐使用自由金属微粒作为局放源。
本实施例中气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验方法是，采用本实施例中气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置，按如下步骤进行试验：
步骤1、若待布置特高频传感器为内置特高频传感器，则将内置特高频传感器安装在金属盖板上置入GIS模型5的圆形通孔中；若待布置传感器为外置特高频传感器，则将外置特高频传感器利用固定装置安装在GIS模型5的非屏蔽盆式绝缘子上；在GIS模型5的内部放置人工缺陷模型6，使人工缺陷模型6处在接近特高频传感器的位置上。
步骤2，在完成局部放电脉冲电流测试平台的构建后，逐步提升无局放电压源1的测试电压，至示波器9能检测到信号的最小输出，即信噪比为2：1，停止升压；此时，示波器9上出现明显脉冲信号，记录此时局放仪4上显示的局部放电量，作为检测系统的最小可测放电量qmin。
步骤2、以5pC局部放电量估算在布置单个特高频传感器时允许的最大能量衰减Amax如式(1)：
Figure BDA0001415177120000041
步骤3、根据GIS模型5的结构，在GIS模型5的最为边缘的位置布置第一个特高频传感器，并向外拓展寻找到第二个特高频传感器的位置，使得两个位置间不连续部件衰减因子叠加和Σ不大于2Amax；同样的方法继续寻找第三个特高频传感器的安装位置，直至所有特高频传感器的有效检测距离覆盖整个GIS模型5。所指的在GIS模型5的最为边缘的位置布置第一个特高频传感器，可以是在GIS设备5的最右侧非屏蔽盆式绝缘子上布置第一个外置特高频传感器，或者是在GIS设备5的最右侧金属盖板上布置第一个内置特高频传感器。
不连续部件衰减因子分别为：首个盆式绝缘子7dB，后续盆式绝缘子3dB，L型结构10dB，T型结构直线部分6dB，T型结构垂直部分10dB。
最小可测放电量qmin为关键因素，利用最小可测放电量qmin找到布置方案中的极限值；最小可测放电量qmin的含义是检测系统在检定环境下针对特定典型局部放电类型所能检出的最小放电量pC，也称为检测灵敏度。在针对脉冲电流法的国际标准IEC60270中，要求GIS局放监测系统应该能够满足5pC的检测灵敏度，即电气设备在产生大于5pC的局放时，监测系统应该能够测到信号。然而在UHF局放监测法中，局部放电量是无法直接测量的，为此需要将UHF局放监测法中的输出量即脉冲电信号，与局放仪的输出量即放电量关联起来。研究发现，局部放电量的平方与信号UHF脉冲信号的能量之间存在正相关的线性关系。由此可以得到单个传感器布置时允许的最大能量衰减Amax如式(2)：
Figure BDA0001415177120000051
W5pc是5pC局部放电时对应的示波器信号能量，Wqmin是出现最小可测放电量时对应的示波器信号能量。

Claims (5)

1.一种气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置，其特征是：由无局放电压源(1)、耦合电容(2)、测量阻抗(3)和局放仪(4)构成局部放电脉冲电流测试平台，设置GIS模型(5)，无局放电压源(1)的正极端连接GIS模型5中的金属导体，无局放电压源(1)的负极端连接GIS模型(5)的外壳并接地；在所述GIS模型(5)中放置人工缺陷模型(6)，在所述GIS模型(5)上分别设置内置特高频传感器(7)和外置特高频传感器(8)，利用示波器(9)对于所述内置特高频传感器(7)和外置特高频传感器(8)的输出信号进行检测；所述气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置的试验方法是按如下步骤进行：
步骤1、将待布置特高频传感器安装在GIS模型(5)上，在GIS模型(5)的内部放置人工缺陷模型(6)，使人工缺陷模型(6)处在接近特高频传感器的位置上；调节无局放电压源(1)的电压值至示波器(9)能检测到信号的最小输出，信噪比为2：1，记录此时局放仪(4)上显示的局部放电量，作为检测系统的最小可测放电量qmin；
若待布置特高频传感器为内置特高频传感器，则将内置特高频传感器安装在金属盖板上置入GIS模型(5)的圆形通孔中；
若待布置传感器为外置特高频传感器，则将外置特高频传感器利用固定装置安装在GIS模型(5)的非屏蔽盆式绝缘子上；
步骤2、以5pC局部放电量估算在布置单个特高频传感器时允许的最大能量衰减Amax为：
Figure FDA0004119511060000011
步骤3、根据GIS模型(5)的结构，在GIS模型(5)的最为边缘的位置布置第一个特高频传感器，并向外拓展寻找到第二个特高频传感器的位置，使得两个位置间不连续部件衰减因子叠加和Σ不大于2Amax；同样的方法继续寻找第三个特高频传感器的安装位置，直至所有特高频传感器的有效检测距离覆盖整个GIS模型(5)。
2.根据权利要求1所述的气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置，其特征是：所述GIS模型(5)为直筒形，所述GIS模型(5)由两个非屏蔽盆式绝缘子分隔为三个气室，两个非屏蔽盆式绝缘子之间相隔1000mm，处在中间的气室设置有圆形通孔，直径250mm，所述圆形通孔能够利用带有密封圈的金属盖板进行密封防止SF6气体泄漏；内置特高频传感器(7)安装在所述金属盖板上置入GIS模型(5)的圆形通孔中；外置特高频传感器(8)利用固定装置安装在非屏蔽盆式绝缘子上。
3.根据权利要求1所述的气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置，其特征是：所述内置特高频传感器(7)采用圆盘型传感器，所述外置特高频传感器(8)采用对数周期型传感器。
4.根据权利要求1所述的气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置，其特征是：所述人工缺陷模型(6)采用自由金属微粒模型，所述自由金属微粒模型采用筒形有机玻璃罩(11)，在所述有机玻璃罩的顶部设置上极板(12)、底部设置下极板(17)，处在下极板(17)上方的板电极(15)由延长柱(14)固定，在下极板(17)上放置钢珠(16)；利用上极板(12)与GIS模型(5)中的金属导体的高压端相连，下极板(17)与GIS模型(5)的外壳地相连，以钢珠(16)模拟自由金属颗粒缺陷。
5.根据权利要求1所述的气体绝缘组合开关设备特高频传感器布置试验装置，其特征是：在所述试验方法中，所述不连续部件衰减因子分别为：首个盆式绝缘子7dB，后续盆式绝缘子3dB，L型结构10dB，T型结构直线部分6dB，T型结构垂直部分10dB。
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