浙江电力 ２０１４年第７期 ＺＨＥＪＩＡＮＧ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ＧＩＳ电晕放电时特高频和超声波信号的特征分析 徐 华 ，肖国磊 ，邵先军 （１．国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州３１００１４；２．国网浙江省电力公司，杭州３１０００７） 摘 要：分析了ＧＩＳ超声波和特高频检测测量技术的优缺点，构建了２５２ ｋＶ ＧＩＳ局放仿真平台，并测 试了平台的一、二次电压相角差。设置了导体尖端和壳体内部尖端电晕放电缺陷，借助仿真平台获取测 量信号，详细分析了在这类缺陷下特高频和超声波信号的特征及规律，为ＧＩＳ带电检测诊断提供参考。 关键词：组合电器；电晕放电；特高频；超声波；信号；特征；分析 中图分类号：ＴＭ５９５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００７—１８８１（２０１４）０７—０００１—０５ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ＵＨＦ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗａｖｅ Ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ＧＩＳ Ｃｏｒｏｎａ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ＸＵ Ｈｕａ ，ＸＩＡ０ Ｇｕｏｌｅｉ ，ＳＨＡ０ Ｘｉａｎｊｕｎ （１．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１０００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ａｎｄ ＵＨＦ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ＧＩＳ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ２５２ ｋＶ ＧＩＳ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ａｎｇｌｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ．Ｐｏｉｎｔ ｃｏｒｏｎａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ａｎｄ ｓｈｅｌｌ ａｒｅ ｓｅｔ，ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｉｇｎａｌｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｌａｗｓ ｏｆ ＵＨＦ ａｎｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ｄｅｆｅｃｔｓ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｌｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ＧＩＳ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ；ｃｏｒｏｎａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ＵＨＦ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ；ｓｉｇｎａｌ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ａｎａｌｙｓｉｓ ＧＩＳ（气体绝缘金属封闭开关设备）以结构紧 凑、可靠性高等优点已成为超、特高压电力系统 中的主流设备。由于制造、运输、现场装配等多 种原因，ＧＩＳ不可避免地存在绝缘缺陷而影响工 听与捕捉设备内部故障，如局放、部件松动、电 弧与过热等产生的瞬态超声脉冲信号，并通过适 当的处理，如相位特征识别与定位等，判别设备 的故障状态。图１给出了ＡＥ检测ＧＩＳ设备局部 放电的原理框图。 作可靠性。局部放电（简称局放）信号包含了丰富 的绝缘状态信息…，ＧＩＳ局部放电检测对保证ＧＩＳ 正常运行具有重要的意义【 】。 笔者研制了２５２ ｋＶ ＧＩＳ局放仿真平台，在 Ｈ翼 平台上模拟了ＧＩＳ电晕放电模型，使用ＧＩＳ特高 频和超声波局放检测仪器采集局部放电信号。为 ＧＩＳ局部放电ＵＨＦ（特高频）和ＡＥ（超声波）检测 及局部放电模式识别提供参考。 修改参Ｌ＿数测量ｌ ｌ＿Ｊ数据Ｌ＿＿Ｊ信号Ｌ＿一信号Ｌ—一其他辅 显示ｌ ｌ处理ｌ ｌ放大器Ｉ Ｉ助信息 图１ ＡＥ检测局部放电原理框图 １ ＡＥ和ＵＨＦ局放测量技术 １．１ ＡＥ局放测量技术 ＡＥ局放检测就是将传感器贴于设备表面倾 ＡＥ测量技术有以下特点： （１）抗干扰能力强，检测频带一般取１０－１００ ｋＨｚ； ２ 浙江电力 ２０１４年第７期 （２）易实现局部放电定位； （３）根据超声信号的波形特征、频谱特征和 传播衰减等特征进行故障诊断，ＡＥ信号在Ｓ 气体中传播速度约１４０ ｍ／ｓ，在钢板中传播速度 约６ ０００ ｍ／ｓ； （４）ＧＩＳ体外传感，仪器简单，使用方便安全； （５）超声信号衰减大，在Ｓ 中约２６ ｄＢ／ｍ（在 空气中０．９ ｄＢ／ｍ） １．２ ＵＨＦ局放测量技术 ＧＩＳ局部放电ＵＨＦ信号传感技术由英国格 拉斯哥的Ｓｔｒａｔｈｃｌｙｄｅ大学首先提出和研究，在检 测灵敏度和抗干扰能力方面显示了良好的特性。 ＧＩＳ内发生局放时，伴随有一个很陡的电流脉冲 （上升时间小于１ ｎｓ）．并在ＧＩＳ腔体内激励频率 高达数ＧＨｚ的电磁波。ＵＨＦ测量就是使用ＵＨＦ 传感器检测该电磁波信号，图２给出了ＵＨＦ检测 ＧＩＳ设备局部放电的原理框图。 图２ ＵＨＦ检测局部放电原理框图 ＵＨＦ测量技术有以下特点： （１）避开了电网中的电磁干扰频段（主要集中 在３００ ＭＨｚ以下）。具有良好的抗电磁干扰能力， 检测频带３００～１ ５００ ＭＨｚ； （２）对ＧＩＳ的各种放电性缺陷均有较高的灵 敏度，但不能发现垫圈松动、粉尘飞舞等非放电 性缺陷： （３）根据电磁波信号的衰减和时差，可进行 局放定位： （４）根据放电脉冲的波形特征和ＵＨＦ信号的 频谱特征，可进行故障诊断； （５）信号传播衰减小，绝缘屏障会使信号衰 减２ ｄＢ，转角结构会造成６ ｄＢ信号衰减。 ２局放仿真平台 ２．１仿真平台构成 ＧＩＳ仿真平台如图３所示，额定电压２５２ ｋＶ， 由套管、２相３工位隔离开关、接地开关、电流 互感器、电压互感器、ＳＰ１和ＳＰ２两个模型气室 （中心导体可拆卸）组成。 仿真平台ＳＦ６额定压力０．５８ ＭＰａ，报警压力 ０．５３ ＭＰａ，整个模型对地电容约３００ ｐＦ，电压互 感器仅设置１个二次绕组。变比２ ２００，容量 ２ ０００ ｋＶＡ。不带电压互感器时，局放仿真平台通 过绝缘试验（４６０ ｋＶ，１ ｍｉｎ无击穿，１．２倍额定电 压下局放量小于２ ｐＣ）。 图３中黑色粗线方框表示盆式绝缘子是隔 盆，其余均是通盆。在ＳＰ１和ＳＰ２气室内各设置 １个内置ＵＨＦ局放传感器。每个盆式绝缘子金属 法兰封闭但留有金属浇注孑Ｌ。用于外置ＵＨＦ局 放检测。 图３仿真平台 ２．２仿真平台一、二次电压角差测量 在仿真平台的高压套管侧并联一标准电压互 感器（经计量，一次侧和二次侧角差不超过Ｏ．５％）， 电源经调压器输出至试验模型电压互感器二次 侧，缓慢加压直至高压导体侧电压达１２７ ｋＶ。将 标准电压互感器二次侧电压信号和系统２２０ Ｖ电 源信号接人示波器，在加压过程中测试２个信号 的相角差。 经测试２个信号的相位差基本固定，仿真平 台高压导体与系统输入电源之间存在９。的相角 差．即局放设备电源与局放仿真平台高压导体间 存在９。的角差。 ２．３电晕放电模型设计 设计了导体尖端放电和壳体尖端放电２种模 型。回收仿真平台ＳＰ１两侧相邻气室的Ｓ 气体 至额定压力的一半，再回收ＳＰ１气室全部的Ｓ 气体。在ＳＰ１气室中心导体上插入大头针（大头针 高出导体约３０ ｍｍ），并用锡箔纸紧固（锡箔纸不 超出高压导体边缘） 如图４所示。 ４ 浙江电力 ０ 有效值 ０／０．５６ ２ｍＶ ０ 有效值 ２０１４年第７期 ０／３．９５ ２０ｍＶ 变Ｓ 压力，ＵＨＦ信号变化不大。 ■■■■Ｉ＿．＿＿－。＿ ＿－＿－＿＿●＿＿＿－＿－●－＿－＿－＿Ｊ－－＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿－－＿＿－＿＿●＿－＿－＿－・－＿－＿－－＿●＿－－一■—一 Ｉ＿＿＿－＿＿Ｊ ．－＾－＿－＿＿＿－－．＿＿Ｌ＿－・＿－＿●・＿－－＿＿Ｊ ＿＿＿＿＿－‘＿＿＿＿＿＿●＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿－．＿Ｊ＿．－一随着放电的发展，１ Ｓ内正、负半周信号最 大值、平均值、放电相位宽度与放电次数的关系 分别如图７和８所示。 ｎ 周期峰值 ０，３．８ｌ ５ｍＶ ０ 周期峰值 ０／２４．１２ ５０ｍＶ ｌ－＿＿＿＿＿＿●＿－－＿－＿ ＿＿＿．－＿‘＿＿－＿－＿●－－－＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿●＿＿＿＿＿＿Ｊ－．－＿－＿ ＿－，＿＿＿●＿＿－一■———■■——一 ｌ—●■——一 —■■■一 Ｉ＿．＿＿＿＿Ｊ －．＿＿＿．－＿＿－－＿・ ＿－＿－＿・‘－－＿・＿－●＿＿・－－＿Ｊ ＿＿＿・＿＿‘＿＿＿＿＿＿Ｊ＿＿＿＿＿－．‘－．＿Ｊ ０ 频率成分１ ｏ，０．２１ ０．５ ｍＶ ０ 频率成分ｌ ０／２＿３２ ５ｍＶ ３．２ ＡＥ信号特征 不同阶段下的超声波连续信号谱图见图９， 信号具有明显的５Ｏ Ｈｚ（频率成分１）和１００ Ｈｚ（频 率成分２）相关性：ＡＥ信号随着放电加剧，信号有 效值、峰值、５０ Ｈｚ和１００ Ｈｚ相关性均增加；信 号在电压工频相位零点附近都有一簇较宽的脉冲 信号，信号的上升沿和下降沿较平缓，下降沿较 上升沿更平缓：正半周附近的脉冲信号幅值要明 显大于负半周附近的信号；信号连续性强，每个 周波内信号不问断；每个周波的信号峰值差异不 翻—— ＿０ 频率成分２ ０／０１２ ０．５ ｍＶ ０ 频率成分２ ０／１．８７ ５ ｍＶ —＿—■—一 图９不同阶段下的超声波连续信号谱图 半周信号幅值、放电次数和放电相位宽度继续增 加，正半周信号幅值要高于负半周信号，但正半 周放电次数要少于负半周放电次数；负半周信号 幅值逐步超过正半周信号幅值，正半周信号呈现 不稳定趋势，且放电次数出现明显下降，信号幅 值也呈现减小趋势；随着放电加剧．负半周信号 大；改变Ｓ 压力，ＡＥ局放信号变化不大。 ４ 壳体内壁尖端缺陷下的ＵＨＦ和ＡＥ 信号特征 ４．１ ＵＨＦ信号特征 不同阶段下的ＰＲＰＳ谱图见图１０。起始放电 时ＵＨＦ信号出现在正半周峰值处，相位在５７。～ １０１。间．主要发生在９０。附近较小的相位区间内， 幅值、放电次数、放电相位宽度继续发展增加。 正半周信号继续出现不稳定趋势。 在负半周信号幅值接近５Ｏ％（一４５ ｄＢｍ）时，正 半周放电次数逐步超过负半周放电次数，信号幅 值仍然低较多，正半周信号仍然不稳定，但正半 周部分信号幅值呈现增加趋势；放电继续发展． 负半周信号幅值、放电次数和放电相位宽度继续 增加，正半周信号放电次数继续增加，放电相位 宽度继续增加，但幅值仍不稳定。剧烈放电（出现 明显声响）时，正负半周信号均稳定且幅值相当． 绝大多数信号幅值接近１００％，放电次数、放电相 ６０ ４０ 、 信号幅值低于２％，在放电初期局放信号的间歇 性明显：然后负半周开始出现放电，负半周起始 信号出现在２６５。 ３０４。间。随着放电加剧，正、负 差８Ｏ Ｏ ２Ｏ Ｏ０ ８０ ６０ ４０ 一 —ｒ ／ ／／ ２０ 图７ １ ｓ内正半周信号最大值、平均值、放电相位宽度与放电次数的关系 ． 一Ｌ！ Ｊ二警 Ｊ１ —一 ．◆／ —＼ 、、． ●— ／懈 ◆—一 — ＼■、 、～＼Ｉ —● ＼＼ ■、 －、、▲ 脚 ０ ２００ ４００ ６００ ８００ １ ０００ ０ ２００ ４００ ６００ ８００ １ ０００ 放电／次 放电／次 图８ １ ｓ内负半周信号最大值、平均值、放电相位宽度与放电次数的关系 ３６ 任广振，等：惯性陀螺仪定位三维测量技术在非开挖电力管线探测中的应用 ２０１４年第７期 为验证惯性陀螺定位仪的实际测量精度，对 所测的非开挖电力管线进行了２处开挖验证，开 测量新建成未运行管线。对于现有运行管线，必 须有预留空管方能测量，一些老旧管线如被淤泥 挖深度分别为２ Ｉｌｌ和４．５ ｍ。开挖结果见表２。 堵塞而不能穿行时，同样也不能进行测量。 惯性陀螺定位仪三维测量技术不受管线材 质、管线埋深、周围环境和地质情况等因素影 响，特别适用于非开挖定向钻入敷设管线的探测 从工程实例中可以看出，惯性陀螺定位不受 环境电磁波及地层等干扰因素影响，测量精度 高，定位准确可靠，所测量数据，除入口与出口 点坐标由传统测量方法获得，其余数据皆由设备 自行运算，消除人为误差，并可重复验证，可以 解决非开挖电力管道的准确测量问题。 工作，能够测量出待测管线的精确三维坐标，为 管线管理及维护提供准确可靠的基础资料。 参考文献： ［１］ 张汉春．非开挖特深管线的探测技术分析及展望【Ｊ】．地 球物理学进展．２０１０（６）：１０９２—１０９３． ５ 结论 惯性陀螺定位测量采用陀螺导航定向技术， 并将测量设备直接置入管内，采用置中技术测量 管道中心轴线位置，所以在目前已知的非开挖测 量技术中，其测量精度最高。 ［２］ 黄迁辉，温俊涛．非开挖技术在城市建设中的作用【Ｊ】． 非开挖技术，２０１０，４（１）：８１—８２． 该系统工作时无须操作人员于地面进行追踪 定位，所以不受地面环境、交通、天气、光线等 影响，理论上讲可以２４ ｈ全天候进行作业。 由于惯性陀螺定位仪采用的是管内直接测量 法，要求必须能够穿行于管线中，因此，较适合 寞一寞一 套一奠一 一 鼻一 ，套 套一 一 一 一套 １．一鼻一寞一 一 一套一奠一 一 一羹 收稿日期：２０１４—０２—１７ 作者简介：任广振（１９８３－），男，山东荷泽人，硕士，工程师， 主要从事电力电缆运行维护管理工作。 （本文编辑：杨 勇） 一套一 一寞一奠一叁一 一奠 一奠一奠一 一套一寞一寞 寞一套一安一 一寞一女一 一奠一受 （上接第５页） ９０。和２７０。为中心，对称较好。 参考文献： ［１］ 王昌长，李福祺．高胜友．电力设备的在线监测与故障 诊断【Ｍ】．北京：清华大学 版社，２００６． （２）电晕剧烈放电前ＵＨＦ信号仅在半个周波 内连续，另外半个周波内间歇性明显，ＡＥ信号 连续：剧烈放电时，ＵＨＦ信号在整个周波内连 续，且正负半周内信号幅值及放电次数基本相 【２】 高凯，倪浩，杨凌辉．ＧＩＳ局部放电检测的技术发展和 分析【Ｊ］．华东电力，２０１２，４ｏ（８）：１３８４—１３８８． ［３］吴张建，李成榕，齐波，等．ＧＩＳ局部放电检测中特高频 法与超声灵敏度的对比研究『¨现代电力，２０１０，２７（３０）： ３】－３６． 当．导体尖端下每个工频周波内ＡＥ信号连续， 壳体内壁尖端下ＡＥ信号间歇性明显 （３）导体尖端下ＡＥ局放信号幅值正负半周 差异不大。信号５Ｏ Ｈｚ和１００ Ｈｚ相关性明显：壳 体内壁尖端下ＡＥ局放信号幅值正负半周差异较 大，信号５０与１００ Ｈｚ相关性不明显：壳体内壁 尖端下ＡＥ局放信号较导体尖端下大。 收稿日期：２０１４—０３—０３ 作者简介：徐华（１９７９一），男，湖北石首人，工程师，从事 （４）改变ＳＦ６气体压力，电晕放电下ＵＨＦ和 电力开关类设备状态检修、在线监测及故障诊断研究工作。 （本文编辑：杨．勇） ＡＥ局放信号变化不明显。
