| 标题 | 基于特高频和超声波联合GIS局部放电定位方法研究 |
| 范文 | 李章能+杨小磊 摘要：本文根据分析超声波定位法和特高频定位法在GIS局部放电研究中的优缺点，采用了超声波和特高频的联合定位的方法进行GIS设备局部放电定位研究。据此，该课题研制了超高频-超声阵列传感器，建立了声电定位方法系统，进行了相应的实际定位研究。经现场研究表明，该方法能有效的排除现场各类信号干扰，实现运行中的GIS设备局部放电检测，提高了高压配电设备的运行检修效率。 关键词：气体绝缘组合电器（GIS）；超声波；特高频；局部放电；定位 中图分类号：TM59 文献标识码：A 1 GIS局部放电定位技术 1.1 超声阵列定位法 1）超声传播特性 根据声学理论，声波在空气中传播衰减非常厉害。经过对比研究发现，不同频率的超声波在各材料介质中的传播速度、吸收系数等特性各不相同。 2）超声阵列定位原理 超声波定位法的基本理论是通过测量局部放电产生的超声信号传播到多个不同位置的超声阵列传感器的时延或时间差，根据时延和超声波传播速度，利用空间解析几何的方法计算局部放电源的位置，实现绝缘缺陷定位。超声定位法主要有V型曲线法、双曲面定位法、球面定位法、多点定位法以及顺序定位法和模式识别定位法等。本文采用波达方向估计实现GIS局部放电定位。 1.2 特高频定位原理 1）局放特高频产生原理 在试验和应用中，封闭组合绝缘电器的局部放电点视为一个点源。当由于毛刺等原因引发局部放电的时候，产生的电磁脉冲随时间的变化产生电磁波。电磁波遵循基本的麦克斯韦定律。这里的研究引入动态向量位和动态标量位来分析局部放电产生的时变电磁场。 2）UFH局放检测 该UHF传感器使用的是等臂阿基米德平面螺旋天线。传感器前端介质相对介电常数为5.00，工作频率在500MHz到1500MHz之间，波长对应为：60cm到20.0cm。传感器的信号变换使用1：4双孔磁芯变换器。与该UHF传感器匹配的信号放大器频谱在0.5～3GHz之间，设计增益最大值为28dB，增益平坦度小于±3dB，输入阻抗为DC50Ω。 2 定位方法系统 2.1 联合传感器制作 本文中使用的GIS局部放电UHF和超声联合检测系统的传感器结构示意图如图1所示。 图1GIS局放传感器结构示意图 该联合传感器是将一内置超声阵列传感器与UHF特高频传感器用环氧树脂进行封装。用环氧树脂主要是其操作方便、固化快和很好的耐油性，而且固化后易于清除，探头和天线可重复其它试验。由于超声阵列传感器位于UHF传感器中心位置，超声阵列传感器外壳为金属材料，会对UHF传感器的性能产生一定影响，信号幅值减小以及传感器频带发生变化。而本文中UHF信号主要是做定性分析，在不作定量分析情况下这种影响可以不作考虑。 2.2 研究系统结构图 在研究过程中，采用4个联合传感器。传感器分别布置在GIS设备的不同的位置。传感器接受到的信号经信号放大器之后到达高速示波器。在示波器中显示得到的信号。再把采样信号传到PC机计算系统，计算得到实际的放点位置。 3 定位方法应用研究 根据上述的传感器结构和研究系统，研究中通过自主研制的声电联合检测系统对该地区的110kV变电站GIS配电装置进行设备局部放电排查。该地区大部分110kV变电站110kVGIS配电装置采用内桥接线，110kV进线间隔两个，主变进线间隔两个，内桥间隔一个。如下图2中， ch1通道记录UHF信号，ch2到ch4通道记录超声波信号，示波器通道档位为：ch1—0.3V/div，ch2到ch4通道—6V/div。 在某个110kV变电站的排查过程中发现，该站GIS存在局部放电。发现后及采用这四组传感器对该GIS设备进行仔细定位。 图2 现场定位研究超声信号 定位过程中发现其中一个气室存在超声信号。随后对该气室选择了4个位置进行布点检测。布点信号采样过程中发现仅有一组传感器的特高频信号和超声信号比较强烈。如上图2所示。 信号的采样中，传感器以特高频信号为采样触发点。在信号图中分析发现，以UHF特高频信号为时间起始点，超声阵列传感器信号中直达波的时延Δt=12μs处为超声信号的脉冲点。根据超声信号和特高频信号的传播特性分析计算得到，在一个传感器位置导体和绝缘盆连接处13mm对外壳悬浮电位放电。经停电检修中发现，该点缺陷是由于开关触头落实松动螺帽掉落后引起的对外壳的悬浮放电所致，放电点距绝缘盆0.7mm。可见，该定位方法比较准确，有很好的实用性。 结语 该方法通过整合特高频传感器和超声传感器的合成进行GIS的局部放电定位研究。通过二者的有效结合，对GIS局部放电定位较为准确，能很好的实现设备绝缘状态的有效监测，为设备运行提供重要的保障。但是也看到，该系统还无法实现设备的在线监测，同时限于传感器的联合，定位精度还有提升的空间。 参考文献 [1]王国利，郝艳捧，李彦明.用于变压器局部放电检测的超高频传感器的初步研究[J].中国电机工程学报，2002，22(04):154 -160. [2]王伟，唐志国，李成榕，等.用超高频(UHF)法检测电力变压器局部放电的研究[J].高电压技术，2003，29(10),32. [3]罗勇芬，李彦明.用于油中局部放电定位的超声相控接收阵传感器的研究[J].西安交通大学学报，2005，39(04):402-406.
摘要：本文根据分析超声波定位法和特高频定位法在GIS局部放电研究中的优缺点，采用了超声波和特高频的联合定位的方法进行GIS设备局部放电定位研究。据此，该课题研制了超高频-超声阵列传感器，建立了声电定位方法系统，进行了相应的实际定位研究。经现场研究表明，该方法能有效的排除现场各类信号干扰，实现运行中的GIS设备局部放电检测，提高了高压配电设备的运行检修效率。 关键词：气体绝缘组合电器（GIS）；超声波；特高频；局部放电；定位 中图分类号：TM59 文献标识码：A 1 GIS局部放电定位技术 1.1 超声阵列定位法 1）超声传播特性 根据声学理论，声波在空气中传播衰减非常厉害。经过对比研究发现，不同频率的超声波在各材料介质中的传播速度、吸收系数等特性各不相同。 2）超声阵列定位原理 超声波定位法的基本理论是通过测量局部放电产生的超声信号传播到多个不同位置的超声阵列传感器的时延或时间差，根据时延和超声波传播速度，利用空间解析几何的方法计算局部放电源的位置，实现绝缘缺陷定位。超声定位法主要有V型曲线法、双曲面定位法、球面定位法、多点定位法以及顺序定位法和模式识别定位法等。本文采用波达方向估计实现GIS局部放电定位。 1.2 特高频定位原理 1）局放特高频产生原理 在试验和应用中，封闭组合绝缘电器的局部放电点视为一个点源。当由于毛刺等原因引发局部放电的时候，产生的电磁脉冲随时间的变化产生电磁波。电磁波遵循基本的麦克斯韦定律。这里的研究引入动态向量位和动态标量位来分析局部放电产生的时变电磁场。 2）UFH局放检测 该UHF传感器使用的是等臂阿基米德平面螺旋天线。传感器前端介质相对介电常数为5.00，工作频率在500MHz到1500MHz之间，波长对应为：60cm到20.0cm。传感器的信号变换使用1：4双孔磁芯变换器。与该UHF传感器匹配的信号放大器频谱在0.5～3GHz之间，设计增益最大值为28dB，增益平坦度小于±3dB，输入阻抗为DC50Ω。 2 定位方法系统 2.1 联合传感器制作 本文中使用的GIS局部放电UHF和超声联合检测系统的传感器结构示意图如图1所示。 图1GIS局放传感器结构示意图 该联合传感器是将一内置超声阵列传感器与UHF特高频传感器用环氧树脂进行封装。用环氧树脂主要是其操作方便、固化快和很好的耐油性，而且固化后易于清除，探头和天线可重复其它试验。由于超声阵列传感器位于UHF传感器中心位置，超声阵列传感器外壳为金属材料，会对UHF传感器的性能产生一定影响，信号幅值减小以及传感器频带发生变化。而本文中UHF信号主要是做定性分析，在不作定量分析情况下这种影响可以不作考虑。 2.2 研究系统结构图 在研究过程中，采用4个联合传感器。传感器分别布置在GIS设备的不同的位置。传感器接受到的信号经信号放大器之后到达高速示波器。在示波器中显示得到的信号。再把采样信号传到PC机计算系统，计算得到实际的放点位置。 3 定位方法应用研究 根据上述的传感器结构和研究系统，研究中通过自主研制的声电联合检测系统对该地区的110kV变电站GIS配电装置进行设备局部放电排查。该地区大部分110kV变电站110kVGIS配电装置采用内桥接线，110kV进线间隔两个，主变进线间隔两个，内桥间隔一个。如下图2中， ch1通道记录UHF信号，ch2到ch4通道记录超声波信号，示波器通道档位为：ch1—0.3V/div，ch2到ch4通道—6V/div。 在某个110kV变电站的排查过程中发现，该站GIS存在局部放电。发现后及采用这四组传感器对该GIS设备进行仔细定位。 图2 现场定位研究超声信号 定位过程中发现其中一个气室存在超声信号。随后对该气室选择了4个位置进行布点检测。布点信号采样过程中发现仅有一组传感器的特高频信号和超声信号比较强烈。如上图2所示。 信号的采样中，传感器以特高频信号为采样触发点。在信号图中分析发现，以UHF特高频信号为时间起始点，超声阵列传感器信号中直达波的时延Δt=12μs处为超声信号的脉冲点。根据超声信号和特高频信号的传播特性分析计算得到，在一个传感器位置导体和绝缘盆连接处13mm对外壳悬浮电位放电。经停电检修中发现，该点缺陷是由于开关触头落实松动螺帽掉落后引起的对外壳的悬浮放电所致，放电点距绝缘盆0.7mm。可见，该定位方法比较准确，有很好的实用性。 结语 该方法通过整合特高频传感器和超声传感器的合成进行GIS的局部放电定位研究。通过二者的有效结合，对GIS局部放电定位较为准确，能很好的实现设备绝缘状态的有效监测，为设备运行提供重要的保障。但是也看到，该系统还无法实现设备的在线监测，同时限于传感器的联合，定位精度还有提升的空间。 参考文献 [1]王国利，郝艳捧，李彦明.用于变压器局部放电检测的超高频传感器的初步研究[J].中国电机工程学报，2002，22(04):154 -160. [2]王伟，唐志国，李成榕，等.用超高频(UHF)法检测电力变压器局部放电的研究[J].高电压技术，2003，29(10),32. [3]罗勇芬，李彦明.用于油中局部放电定位的超声相控接收阵传感器的研究[J].西安交通大学学报，2005，39(04):402-406.
摘要：本文根据分析超声波定位法和特高频定位法在GIS局部放电研究中的优缺点，采用了超声波和特高频的联合定位的方法进行GIS设备局部放电定位研究。据此，该课题研制了超高频-超声阵列传感器，建立了声电定位方法系统，进行了相应的实际定位研究。经现场研究表明，该方法能有效的排除现场各类信号干扰，实现运行中的GIS设备局部放电检测，提高了高压配电设备的运行检修效率。 关键词：气体绝缘组合电器（GIS）；超声波；特高频；局部放电；定位 中图分类号：TM59 文献标识码：A 1 GIS局部放电定位技术 1.1 超声阵列定位法 1）超声传播特性 根据声学理论，声波在空气中传播衰减非常厉害。经过对比研究发现，不同频率的超声波在各材料介质中的传播速度、吸收系数等特性各不相同。 2）超声阵列定位原理 超声波定位法的基本理论是通过测量局部放电产生的超声信号传播到多个不同位置的超声阵列传感器的时延或时间差，根据时延和超声波传播速度，利用空间解析几何的方法计算局部放电源的位置，实现绝缘缺陷定位。超声定位法主要有V型曲线法、双曲面定位法、球面定位法、多点定位法以及顺序定位法和模式识别定位法等。本文采用波达方向估计实现GIS局部放电定位。 1.2 特高频定位原理 1）局放特高频产生原理 在试验和应用中，封闭组合绝缘电器的局部放电点视为一个点源。当由于毛刺等原因引发局部放电的时候，产生的电磁脉冲随时间的变化产生电磁波。电磁波遵循基本的麦克斯韦定律。这里的研究引入动态向量位和动态标量位来分析局部放电产生的时变电磁场。 2）UFH局放检测 该UHF传感器使用的是等臂阿基米德平面螺旋天线。传感器前端介质相对介电常数为5.00，工作频率在500MHz到1500MHz之间，波长对应为：60cm到20.0cm。传感器的信号变换使用1：4双孔磁芯变换器。与该UHF传感器匹配的信号放大器频谱在0.5～3GHz之间，设计增益最大值为28dB，增益平坦度小于±3dB，输入阻抗为DC50Ω。 2 定位方法系统 2.1 联合传感器制作 本文中使用的GIS局部放电UHF和超声联合检测系统的传感器结构示意图如图1所示。 图1GIS局放传感器结构示意图 该联合传感器是将一内置超声阵列传感器与UHF特高频传感器用环氧树脂进行封装。用环氧树脂主要是其操作方便、固化快和很好的耐油性，而且固化后易于清除，探头和天线可重复其它试验。由于超声阵列传感器位于UHF传感器中心位置，超声阵列传感器外壳为金属材料，会对UHF传感器的性能产生一定影响，信号幅值减小以及传感器频带发生变化。而本文中UHF信号主要是做定性分析，在不作定量分析情况下这种影响可以不作考虑。 2.2 研究系统结构图 在研究过程中，采用4个联合传感器。传感器分别布置在GIS设备的不同的位置。传感器接受到的信号经信号放大器之后到达高速示波器。在示波器中显示得到的信号。再把采样信号传到PC机计算系统，计算得到实际的放点位置。 3 定位方法应用研究 根据上述的传感器结构和研究系统，研究中通过自主研制的声电联合检测系统对该地区的110kV变电站GIS配电装置进行设备局部放电排查。该地区大部分110kV变电站110kVGIS配电装置采用内桥接线，110kV进线间隔两个，主变进线间隔两个，内桥间隔一个。如下图2中， ch1通道记录UHF信号，ch2到ch4通道记录超声波信号，示波器通道档位为：ch1—0.3V/div，ch2到ch4通道—6V/div。 在某个110kV变电站的排查过程中发现，该站GIS存在局部放电。发现后及采用这四组传感器对该GIS设备进行仔细定位。 图2 现场定位研究超声信号 定位过程中发现其中一个气室存在超声信号。随后对该气室选择了4个位置进行布点检测。布点信号采样过程中发现仅有一组传感器的特高频信号和超声信号比较强烈。如上图2所示。 信号的采样中，传感器以特高频信号为采样触发点。在信号图中分析发现，以UHF特高频信号为时间起始点，超声阵列传感器信号中直达波的时延Δt=12μs处为超声信号的脉冲点。根据超声信号和特高频信号的传播特性分析计算得到，在一个传感器位置导体和绝缘盆连接处13mm对外壳悬浮电位放电。经停电检修中发现，该点缺陷是由于开关触头落实松动螺帽掉落后引起的对外壳的悬浮放电所致，放电点距绝缘盆0.7mm。可见，该定位方法比较准确，有很好的实用性。 结语 该方法通过整合特高频传感器和超声传感器的合成进行GIS的局部放电定位研究。通过二者的有效结合，对GIS局部放电定位较为准确，能很好的实现设备绝缘状态的有效监测，为设备运行提供重要的保障。但是也看到，该系统还无法实现设备的在线监测，同时限于传感器的联合，定位精度还有提升的空间。 参考文献 [1]王国利，郝艳捧，李彦明.用于变压器局部放电检测的超高频传感器的初步研究[J].中国电机工程学报，2002，22(04):154 -160. [2]王伟，唐志国，李成榕，等.用超高频(UHF)法检测电力变压器局部放电的研究[J].高电压技术，2003，29(10),32. [3]罗勇芬，李彦明.用于油中局部放电定位的超声相控接收阵传感器的研究[J].西安交通大学学报，2005，39(04):402-406.
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