CN109444781A - 一种基于信号传播特性的gis局放特高频灵敏度校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信号传播特性的GIS局放特高频灵敏度校验方法。针对不同电压等级、不同结构的GIS、不同的传感器安装方式，局部放电特高频信号具有不同的衰减特性，而现有校验方法未能给出具体有效的注入信号电平确定方法。本发明采用的技术方案包括步骤：1)根据不同UHF传感器安装方式来确定UHF传感器的注入效率，即辐射电场注入脉冲电压的变换曲线；2)建立典型GIS结构UHF信号传播衰减数据库；3)确定现场校核脉冲注入量。本发明针对典型结构和电压等级GIS信号传播衰减特性建库，有效解决了现场局放检测系统灵敏度校核中信号注入的问题。

Description

一种基于信号传播特性的GIS局放特高频灵敏度校验方法

技术领域

本发明涉及全封闭气体绝缘开关设备(GIS)局部放电特高频在线检测技术领域，具体地说是一种基于信号传播特性的GIS局放特高频灵敏度校验方法。

背景技术

局部放电特高频检测技术已在GIS局部放电检测中得到广泛应用，其检测系统灵敏度对GIS局部放电的检测效果至关重要。目前，特高频法在现场应用中传感器的布置均是根据经验进行，不同厂家、不同电压等级GIS的传感器布置方案差异很大，其布局的经济合理性缺乏科学的检验；在长期运行中UHF传感器和检测仪的灵敏度可能会下降，并导致无法对局放信号进行有效检测，从而产生漏报情况。因此，对已投运GIS局放在线检测的传感器及检测系统的灵敏度和有效性进行现场校核，是确保发挥局放监测系统作用，提升GIS运行可靠性的重要环节。

目前对GIS局部放电UHF在线监测系统灵敏度的现场校核，均是基于CIGRE TaskForce15/33.03.05推荐的校核方法，该方法分为实验室测试和现场测试两部分，其中实验室测试又分两步进行，来确定用于现场测试的注入脉冲值；现场测试通过注入等效5pC人工脉冲来对在线监测系统性能进行校核。

(1)实验室测试

实验室第一步：如图1a所示，在GIS上安装特高频传感器C1和C2。在C1附近设置局部放电缺陷模型，对GIS进行加压并使缺陷产生5pC局放，此时，通过C2传感器及检测仪器测试UHF信号，并记录此信号幅值A。

实验室第二步：如图1b所示，去掉第一步GIS腔体中的局放缺陷模型，将标定脉冲源与C1连接，通过C1向GIS内部发射UHF电磁波信号，同样通过C2传感器及检测仪器测试UHF信号，信号幅值记作B。调整标定脉冲发生器输出电压，当C2信号幅值B与第一步中5pC局部放电发射出的UHF信号幅值A相同时(误差允许在±20％内)。记录此时脉冲发生器输出电压的幅值V，作为GIS内等效5pC局部放电量的人工注入脉冲电压值，此值将用于现场测试。

(2)现场测试

在现场校核中，注入人工脉冲时要求所用脉冲信号源、线缆、注入传感器及UHF检测系统均与实验室测试时一致，对于内置传感器，只能从与待校传感器相邻的传感器注入信号。对于外置传感器，考虑将与待校传感器相邻的传感器拆卸，换上实验室测试所用的注入传感器，通过此传感器进行注入。调节脉冲信号源的幅值为V，若检测系统可以检测到注入脉冲信号，说明传感器有足够的灵敏度可检测到任意位置5pC局放。如图2，传感器C3和C4为两相邻传感器，要校核C4传感器灵敏度，则通过C3(与实验室C1传感器一致)注入幅值为V的脉冲信号，若UHF局放检测系统可以检测到信号，则说明此传感器可以满足灵敏度要求。

CIGRE提出现场校核标准是待校传感器可以检测到从相邻传感器注入的等效5pC脉冲，也就是说如果可以检测到相邻传感器处5pC局放，意味着待校系统灵敏度及布点均合理，反过来，如果检测不到5pC等效脉冲，就不能确定到底是传感器布置不合理还是系统灵敏度不够，这样做还要求现场校核中先将相邻传感器拆掉换上与实验室部分一样的注入传感器，但现场中UHF传感器的拆卸很繁琐，而且来回拆卸会对线缆及传感器接头造成一定的损坏。

近年来各网省电科院针对电网公司管辖的重要超高压及特高压站GIS进行了多次现场校核测试，通过从相邻传感器注入一定电平的脉冲信号，观察待校系统响应，发现了很多传感器配置不足的问题，但是对于注入信号幅度并未考虑GIS结构差异，缺乏统一的标准和量化评价。

发明内容

针对不同电压等级、不同结构的GIS、不同的传感器安装方式，局部放电特高频信号具有不同的衰减特性，而现有校验方法未能给出具体有效的注入信号电平确定方法，本发明提供一种基于信号传播特性的GIS局放特高频灵敏度校验方法，针对典型结构和电压等级GIS信号传播衰减特性建库，有效解决现场局放检测系统灵敏度校核中信号注入的问题。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种基于信号传播特性的GIS局放特高频灵敏度校验方法，其包括步骤：

1)根据不同UHF传感器安装方式来确定UHF传感器的注入效率，即辐射电场注入脉冲电压的变换曲线；

2)建立典型GIS结构UHF信号传播衰减数据库；

3)确定现场校核脉冲注入量。

作为上述技术方案的补充，步骤1)中，UHF传感器注入效率的计算步骤包括：

通过标定脉冲信号源分别向内置传感器及外置传感器注入脉冲信号，调节脉冲信号源的输出辐值，利用示波器读取单极探针参考传感器的输出脉冲电压信号波形u_or(t)；

基于单极探针参考传感器的传递函数H_ref(f)，根据下式反算出入射场的频域形式E(f)，

式中，U_or(f)为电压u_or(t)的频域表示，即U_or(f)＝FFT[u_or(t)]，通过傅里叶反变换即得到入射场的电场E(t)。

作为上述技术方案的补充，步骤2)的具体内容如下：

21)采用现场最多发的自由金属颗粒缺陷模型，获得等效辐射强度；

22)利用自由金属颗粒缺陷模型进行局放信号衰减测试；

23)注入脉冲信号衰减量测试，建立数据库。

作为上述技术方案的补充，步骤22)的具体内容如下：在GIS各盆子处安装性能一致的特高频传感器，并将自由金属颗粒缺陷模型安装到相应位置，通过示波器记录各特高频传感器背景信号；升高电压使缺陷模型产生稳定局部放电，此时通过示波器读取各特高频传感器的输出信号。

作为上述技术方案的补充，步骤23)的具体内容如下：

取出局部放电信号衰减测试时的自由金属颗粒缺陷模型，将其中一个特高频传感器端口与脉冲信号源相连，调节脉冲信号源幅值、脉冲重复频率和脉宽，通过该特高频传感器向GIS腔体内注入脉冲信号，利用示波器读取其它各传感器的输出信号；

通过下式计算注入脉冲信号经过GIS各典型结构的衰减量Dⁱ _PD：

式中，u_i+1为第i+1个传感器输出电压峰值；u_i为第i个传感器输出电压峰值；

利用上述得到的衰减量建立数据库。

作为上述技术方案的补充，步骤3)中，根据不同传感器安装方式下UHF检测系统仪灵敏度标准Est、注入脉冲信号经过GIS各典型结构的衰减量Dⁱ _PD及注入脉冲幅值与所辐射电场之间的关系，通过下式计算注入电场E_in，通过辐射电场注入脉冲电压的变换曲线得到注入脉冲幅值：

式中：E_st为检测系统灵敏度，D_in为注入点到待测传感器之间UHF信号衰减量。

本发明针对典型结构和电压等级GIS信号传播衰减特性建库，现场通过查表匹配的方式确定合理的注入信号方案，有效解决了现场局放检测系统灵敏度校核中信号注入的问题。

附图说明

图1为现有UHF检测系统灵敏度校核实验室测试示意图(图1a为高压测试，图1b为低压测试)；

图2为现有UHF检测系统灵敏度校核现场测试示意图；

图3为本发明实施例中不同UHF传感器安装方式下的注入示意图(图3a采用内置传感器，图3b采用外置传感器)；

图4为本发明实施例中不同传感器安装方式注入效率曲线图。

图5为本发明实施例中某厂家典型220kVGIS结构图；

图6为本发明实施例中自由金属颗粒缺陷模型结构图；

图7为本发明实施例中脉冲电压波形图；

图8为本发明应用例中UHF监测系统灵敏度现场校核图(图8a为母线侧传感器校核，图8b为出线侧传感器校核)；

图9为本发明应用例中注入脉冲前后UHF检测仪器的PRPD图谱(图9a为脉冲注入前，图9b为脉冲注入后母线端系统响应图，图9c为脉冲注入后出线端系统响应图)。

具体实施方式

图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案进行详细介绍。

本发明为一种基于信号传播特性的GIS局放特高频灵敏度校验方法，包括以下步骤：

1)确定UHF传感器注入效率

考虑到制造成本及不同电压等级GIS运行安全需求，不同电压等级GIS盆子结构往往不同，UHF传感器的安装方式也不尽相同。110kV GIS盆子往往为裸盆子，以外置UHF传感器为主；220kV GIS盆子以浇注孔盆子为主，而在运行的GIS还有很大一部分为裸盆子，同样以外置UHF传感器为主；500kV GIS盆子以浇注孔盆子为主，常常在出厂时就安装有内置UHF传感器。

因此，需要根据不同UHF传感器安装方式来确定UHF传感器的注入效率，即辐射电场随注入脉冲电压的变换曲线。

注入效率计算子步骤：

101)如图3所示，通过标定脉冲信号源分别向内置传感器及外置传感器(裸盆子和浇注孔盆子)注入脉冲信号，调节脉冲源的输出幅值，利用示波器读取单极探针参考传感器的输出脉冲电压信号波形u_or(t)。

102)基于单极探针参考传感器的传递函数H_ref(f)(已知)，根据式(1)反算出入射场的频域形式E(f)，

式中，U_or(f)为电压u_or(t)的频域表示，即U_or(f)＝FFT[u_or(t)]。通过傅里叶反变换即可得到入射场的电场E(t)。表1为对应的注入电压及辐射场电场强度的测试结果，图4为不同注入方式下的传感器注入效率的曲线。

表1注入电压及辐射电场关系

2)典型GIS结构UHF信号衰减数据库建立

201)测试方法：如图5为某厂家典型220kVGIS结构实物图，包括电压互感器(PT)、隔离开关(DS)、断路器(CS)、U型、T型等结构组成，所安装盆子均为屏蔽盆子且盆子上有20*55mm的浇注孔，S1～S8均为外置特高频传感器。

实验所用主要仪器有：加压装置、局放仪、缺陷模型、外置特高频传感器、高速示波器、陡脉冲信号源及所需线缆等，采用现场最多发的自由金属颗粒缺陷模型，获得等效辐射强度。图6为试验用缺陷模型设计结构图。

202)局放信号衰减测试：如图5所示，在GIS各盆子处安装性能基本一致的特高频传感器，并将缺陷模型安装到相应位置，通过示波器记录各传感器背景信号；升高电压使缺陷模型产生稳定局部放电，此时通过示波器读取各传感器的输出信号。

在缺陷位于缺陷1位置处，所加电压为30kV时，模型产生局放量为20pC；在缺陷位于缺陷2位置处，所加电压为14.3kV时，模型产生局放量为9pC，各接收传感器的输出信号峰值如表2所示。

表2各传感器检测到局部放电UHF信号幅值

(表中，编号Sx-y，x代表传感器序号，y代表缺陷位置)

编号	S1-1	S2-1	S3-1	S4-1	S5-1	S6-1	S7-1
								峰值(mV)	338.9	357.4	60.3	12.3	28.2	24.0	23.2
编号	S8-1	S9-2	S10-2	S11-2	S12-2	S2-2	S13-2
								峰值(mV)	6.17	48.2	11.1	3.6	1.4	47	14.8

203)注入脉冲信号衰减量测试：取出局部放电信号衰减测试时的缺陷模型，将S2传感器端口与脉冲信号源相连，调节脉冲信号源幅值为150V、脉冲重复频率为50Hz，脉宽为0.3ns(20％～80％)，注入脉冲波形如图7所示，标准双指数充放电波形，上升沿(20％～80％)：≤300ps；下降沿：5±10％ns；电压输出：0V～200V可调；幅值误差不超过±10％。

通过S2、S3向GIS腔体内注入信号，利用示波器读取其它各传感器的输出信号，测试结果如表3所示。

表3各传感器检测到注入UHF信号幅值

(编号Sx-y，x代表接收传感器序号，y代表注入传感器编号)

编号	S1-13	S2-13	S3-13	S4-13	S5-13	S6-13	S7-13
								峰值(mV)	102.1	161.9	30.5	140.5	40.1	34.5	132.9
编号	S8-13	S9-3	S10-3	S11-3	S12-3	S2-3	S13-3
								峰值(mV)	47.2	126.2	36.0	15.2	6.4	47.0	17.7

通过式(2)计算注入信号经过GIS各典型结构的衰减量各种情况下的计算结果见表4。

式中，u_i+1为第i+1个传感器输出电压峰值；u_i为第i个传感器输出电压峰值。

表4 110kV GIS各典型结构衰减量统计

3)现场校核脉冲注入量的确定

根据权威机构出具的不同传感器安装方式下UHF检测系统仪灵敏度标准(Est)、注入脉冲信号经过GIS各典型结构的衰减量及注入脉冲幅值与所辐射电场之间的关系等重要参量，通过式(3)计算注入电场E_in，通过图4得到注入脉冲电平。

式中：E_st为检测系统灵敏度，D_in为注入点到待测传感器之间UHF信号衰减量。

4)现场校验效果评价

根据现场被校验检测系统响应情况，判定传感器、检测系统的灵敏度情况。如果无响应，表明不满足检测要求；响应幅度越高，表明系统灵敏度越高。

应用例

利用以上方法对现场某220kVGIS上的UHF检测系统灵敏度进行校核，其中每个间隔分别在A相出线、B相出线、C相出线侧、B相1M及B相2M盆子处安装了5个UHF传感器(S1、S2、S3、S4、S5)，其盆子均为带20mm*55mm浇注孔的封闭盆子，如图8所示为母线传感器及出线侧感器安装位置，图8a)为母线传感器，为检测B相母线侧监测系统灵敏度，选择在A相母线处注入脉冲信号，则注入传感器到待校传感器之间经过了一个盆子和一个母线U型结构，图8b)为出线侧监测系统灵敏度校核，根据就近选择原则，注入点选择如图8b)所示，其中注入传感器到校核传感器之间经过了一个断路器(CB)、两个电流互感器(CT)、两个隔离开关(DS)、一个接地开关(FES)和一个盆子，注入传感器和待校传感器之间的结构及衰减量见表5，可以看出校核母线传感器时衰减量D_in＝10.1dB，校核出线传感器时衰减量D_in＝29.5dB。由于注入传感器及待校传感器安装方式均为浇筑孔式，据此选择检测系统灵敏度Est＝5V/m。根据式(1)计算得到母线传感器及出线传感器校核时注入场强应为54.4V/m和507.45V/m，根据图4传感器注入效率曲线即可得到母线及出线传感器校核时所需注入脉冲值。

在现场校核时往往只需将相关参数输入计算软件中，即可得到所需注入脉冲幅值，其中母线传感器校核时需要注入4V脉冲信号，而出线侧传感器校核时需要注入36.4V脉冲。通过脉冲信号源注入相应脉冲幅值，观察校核系统响应，如图9为注入脉冲前后UHF检测仪器的PRPD图谱，可以看出这两个通道均满足灵敏度要求。

表5注入传感器和待校传感器之间的结构及衰减量

母线侧传感器校核

GIS结构	母线U型	盆子	-	-	-	总衰减
							衰减量dB	6.3	3.8	-	-	-	10.1

出线侧传感器校核

GIS结构

DS

CT

ES/DS

CB

盆子

总衰减

衰减量dB

4.3

2*3.6

7.2

7.0

3.8

29.5

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于信号传播特性的GIS局放特高频灵敏度校验方法，其特征在于，包括步骤：

1)根据不同UHF传感器安装方式来确定UHF传感器的注入效率，即辐射电场注入脉冲电压的变换曲线；

2)建立典型GIS结构UHF信号传播衰减数据库；

3)确定现场校核脉冲注入量。

2.根据权利要求1所述的GIS局放特高频灵敏度校验方法，其特征在于，步骤1)中，UHF传感器注入效率的计算步骤包括：

通过标定脉冲信号源分别向内置传感器及外置传感器注入脉冲信号，调节脉冲信号源的输出辐值，利用示波器读取单极探针参考传感器的输出脉冲电压信号波形u_or(t)；

基于单极探针参考传感器的传递函数H_ref(f)，根据下式反算出入射场的频域形式E(f)，

式中，U_or(f)为电压u_or(t)的频域表示，即U_or(f)＝FFT[u_or(t)]，通过傅里叶反变换即得到入射场的电场E(t)。

3.根据权利要求1或2所述的GIS局放特高频灵敏度校验方法，其特征在于，步骤2)的具体内容如下：

21)采用现场最多发的自由金属颗粒缺陷模型，获得等效辐射强度；

22)利用自由金属颗粒缺陷模型进行局放信号衰减测试；

23)注入脉冲信号衰减量测试，建立数据库。

4.根据权利要求3所述的GIS局放特高频灵敏度校验方法，其特征在于，步骤22)的具体内容如下：在GIS各盆子处安装性能一致的特高频传感器，并将自由金属颗粒缺陷模型安装到相应位置，通过示波器记录各特高频传感器背景信号；升高电压使缺陷模型产生稳定局部放电，此时通过示波器读取各特高频传感器的输出信号。

5.根据权利要求4所述的GIS局放特高频灵敏度校验方法，其特征在于，步骤23)的具体内容如下：

取出局部放电信号衰减测试时的自由金属颗粒缺陷模型，将其中一个特高频传感器端口与脉冲信号源相连，调节脉冲信号源幅值、脉冲重复频率和脉宽，通过该特高频传感器向GIS腔体内注入脉冲信号，利用示波器读取其它各传感器的输出信号；

通过下式计算注入脉冲信号经过GIS各典型结构的衰减量

式中，u_i+1为第i+1个传感器输出电压峰值；u_i为第i个传感器输出电压峰值；

利用上述得到的衰减量建立数据库。

6.根据权利要求3所述的GIS局放特高频灵敏度校验方法，其特征在于，步骤3)中，根据不同传感器安装方式下UHF检测系统仪灵敏度标准Est、注入脉冲信号经过GIS各典型结构的衰减量及注入脉冲幅值与所辐射电场之间的关系，通过下式计算注入电场E_in，通过辐射电场注入脉冲电压的变换曲线得到注入脉冲幅值：

式中：E_st为检测系统灵敏度，D_in为注入点到待测传感器之间UHF信号衰减量。