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GIS中典型局部放电的频谱特征及传播特性
2017-08-18 09:09:51  作者:丁登伟 唐诚等  来源:中国设计师网  
  •   局部放电水平是高压开关设备状态监测的关键指标,目前广泛采用特高频检测法监测气体绝缘组合开关中的局部放电。为此,本文利用整套GIS设备建立了试验平台,研究了GIS内部典型缺陷产生的局部放电在盆式绝缘子处泄露出特高频信号的频谱特征。利用多传感器同时测量,研究了特高频信号峰–峰值和累积能量经过GIS中盆式绝缘子、L形拐弯结构、隔离开关和电流互感器等结构的传播衰减特性。试验发现:悬浮金属体放电频谱分布在400MHz~2GHz之间,而金属尖端放电所泄露出频谱分布在600MHz~1GHz和1 4GHz~1 7GHz之间;GIS结构中快速隔离开关和电流互感器对局部放电信号累积能量衰减约7dB,隔离开关打开时对特高频信号累积能量的衰减值比开关闭合时大5dB。根据以上结论优化特高频检测的频带选择,可提高局部放电特高频检测的灵敏度,合理布置局部放电外置特高频在线传感器,提高监测效率。

  国网四川省电力公司电力科学研究院 丁登伟

  清华平高联合研究中心 唐诚

  电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室 高文胜 刘卫东

  深圳供电局有限公司 姚森敬 赵宇明

  1 引言

  气体绝缘组合开关由于较高的可靠性和紧凑性被广泛采用。但运行经验表明GIS仍可能由于内部的绝缘缺陷引起故障。在绝缘击穿之前经常会出现局部放电。为了提高GIS运行可靠性,局部放电检测对诊断GIS内部早期绝缘缺陷意义重大[1-4]。由于特高频法灵敏度高,抗干扰能力强,被广泛用来检测GIS中的局部放电[5]。

  GIS中以SF6为绝缘介质,内部发生的局部放电上升沿十分陡峭,可激发频带超过3GHz的电磁波信号[6]。高频电磁波在GIS管道中传播时,GIS各结构将引起电磁波衰减,包括盆式绝缘子、L形和T形结构、隔离开关和接地开关、电流互感器等。对于运行中的GIS设备,常将传感器置于盆式绝缘子外沿,接受此处泄漏出的电磁波,从而检测GIS内部是否存在局部放电。为了提高外置特高频检测的灵敏度,优化局部放电外置在线传感器的布置,很多研究关注了GIS中典型局部放电的频谱分布特征和传播衰减特征[7-8]。

  研究发现高频电磁波在GIS中传播,除了横电磁波还存在高次模波,包括横电波和横磁波。高次模波有相应的截止频率,与GIS的结构尺寸相关[9-10]。GIS中局部放电源激发出各种模态的电磁波,不同模态的电磁波传播衰减特性区别较大[11]。当电磁波在GIS中传播时,过程相当复杂,将发生多次反射和模式转换[12-15]。本文通过试验和仿真研究了电磁波通过盆式绝缘子、L形结构和T形结构时,时域幅值的衰减变化[16-19]。这些研究中,大多只分析了特高频信号时域幅值的变化,对信号频谱的变化缺少分析。由于影响时域幅值的因素众多,因此只分析时域幅值不够全面[20]。之前的研究只讨论了高压电极的尖端放电产生的局部放电信号在GIS中的传播特征。由于不同类型的放电产生的信号频谱差异较大,传播特性也可能不一样,有必要引入其他典型放电源,验证局部放电传播特性的一致性。此外以往的研究中只采用了简单的GIS管道进行试验,没有实际GIS包含的各种机构,如电流互感器和隔离开关,研究结论有所局限。

  为了提高外置特高频检测的灵敏度,优化外置局部放电在线监测传感器的布置,本文利用即将投运的110kV三相分箱GIS建立试验平台。试验采用的典型缺陷,除了高压电极上的金属尖端外,还增加了悬浮金属体。通过在盆式绝缘子外侧检测局部放电产生的特高频信号,分析两种缺陷局部放电的频谱分布特征和传播衰减特征。

  2 试验平台

  本文试验利用某开关厂整套的110kV三相分箱GIS设备,试验平台结构图如图1所示。GIS内导体直径60mm,外导体内径350mm,盆式绝缘子厚度为约25mm。在GIS上部管道的端部和底部母线筒内设置典型局部放电源,包括悬浮金属体和金属尖端。利用外置特高频检测传感器在GIS 的盘式绝缘子外侧检测泄漏出的特高频信号,11个测量点如图2所示。用安捷伦DSO9254A 示波器接受并存储局部放电的特高频原始信号,采样频率为10GHz,带宽为2.5 GHz,记录长度为400ns。

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  本文试验中选取了悬浮金属体和金属尖端分别进行试验,缺陷的结构示意图和实物如图3所示。悬浮金属体模型中利用环氧树脂做支撑,上面固定一段铜丝,与高压电极保持一定距离。当电压升高超过小间隙的击穿电压,悬浮铜丝与高压电极之间将产生局部放电。金属尖端缺陷中,尖端直径约为0.5 mm,长度位于8 cm。当电压升高后,电极端部将出现电晕放电,激发电磁波。试验中采用偶极子天线作为外置特高频传感器接收缺陷放电激发的特高频信号。

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  试验中采用偶极子天线作为外置特高频传感器,利用频谱仪测量特高频传感器的频谱响应特性曲线,如图4所示。由图中可见,频率超过300MHz时,天线衰减在10dB~30dB之间,而且随着频率的增长而变小,所以偶极子天线适合用来接收缺陷局部放电激发的特高频信号。

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