概述
近年來，隨著城市電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，變電站的數(shù)量不斷增加，高壓電力設(shè)備如 GIS，變壓器，開關(guān)柜等亦不斷增加。由于高壓電力設(shè)備的運行電壓高、其內(nèi)空間極為有限，導(dǎo)致高壓電力設(shè)備的工作場強很高。另一方面，高壓設(shè)備中絕緣裕度相對較小，例如，在 GIS 中，在嚴(yán)格控制的環(huán)境條件下， GIS 設(shè)備中 SF6 氣體的擊穿強度可望達(dá)到相當(dāng)高的水平，但實際通常只能達(dá)到期望值的一半，甚至更低。而例如 GIS 設(shè)備等高壓電力設(shè)備在內(nèi)部出現(xiàn)某種缺陷時，極易發(fā)生設(shè)備故障。GIS、變壓器等設(shè)備內(nèi)部故障皆以絕緣性故障為多，而局部放電往往是絕緣性故障的先兆和表現(xiàn)形式，當(dāng)這些高壓設(shè)備中產(chǎn)生局部放電，在電力作用下將使設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)影響絕緣性能的情況，例如絕緣介質(zhì)(SF6、變壓器油等)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而分解，產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，破壞絕緣層或由于局部放電而導(dǎo)致溫度升高，絕緣層老化等等情況，最終引發(fā)絕緣擊穿。
實踐證明，開展局部放電檢測可以有效避免事故的發(fā)生。
我公司生產(chǎn)的 XZGIS-800 系列局放在線監(jiān)測裝置，采用超高頻在線監(jiān)測技術(shù)，可在線監(jiān)測如 GIS 內(nèi)部由于局部放電所產(chǎn)生的超高頻電磁波信號，進(jìn)而監(jiān)測并評估設(shè)備運行狀態(tài)，能有效預(yù)防事故的發(fā)生，避免 GIS 的突發(fā)性事故。
系統(tǒng)簡介
XZGIS-800 系列 GIS 局放在線監(jiān)測裝置（以下簡稱 XZGIS-800）采用超高頻（UHF）在線監(jiān)測技術(shù)，用于監(jiān)測并分析氣體絕緣組合電器（以下簡稱 GIS）的內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的電磁波信號，進(jìn)而監(jiān)測并評估設(shè)備運行狀態(tài)，能有效避免 GIS 的突發(fā)性事故。系統(tǒng)采用了 UHF 超高頻傳感器信號探測技術(shù)、傳感器優(yōu)化布置技術(shù)、SQL 數(shù)據(jù)庫專家分析技術(shù)。
XZGIS-800 主要應(yīng)用于 GIS 局部放電監(jiān)測，由內(nèi)置式或外置式超高頻傳感器組成的信號采集單元、同軸電纜線和通信線組成的信號傳輸單元、局放監(jiān)測 IED 的信號處理單元、后臺電腦及軟件組成的信號顯示單元四部分構(gòu)成 XZGIS-800 局放在線監(jiān)測系統(tǒng)。
XZGIS-800 通過監(jiān)視局部放電，及早發(fā)現(xiàn) GIS 的內(nèi)部絕緣缺陷，監(jiān)測 GIS 時傳感器既可以安裝于 GIS 內(nèi)部，也可以附著在 GIS 外部，系統(tǒng)能夠?qū)σ蛟O(shè)備內(nèi)部缺陷而發(fā)生的局部放電進(jìn)行在線監(jiān)測。
裝置分類及型號
分類
1、按裝置監(jiān)測對象分類：
A) GIS：用 G 標(biāo)書（省略）
B） 變壓器：用 B 表示
C） 開關(guān)柜：用 S 表示
D) 電纜：用 L 表示
例如：變壓器局放在線監(jiān)測裝置表示為：XZGIS-800G 變壓器局放在線監(jiān)測裝置。
技術(shù)特點：
1、超高頻信號采集
◆ 采用超高頻檢測技術(shù)，應(yīng)用噪音傳感器能夠有效判別并抑制干擾信號，對GIS設(shè)備的局部放電進(jìn)行在線監(jiān)測；
◆ XZGIS-800G 采用超高頻局部放電傳感器，可滿足于最大限度覆蓋所監(jiān)測的設(shè)備，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致的信號衰弱減強變化來做最優(yōu)化配置。
2、多種譜圖顯示
◆ 局部放電圖譜采用灰度圖像及二維（
）、三維（
）放電譜圖；
◆ 放電時域波形、視在發(fā)電量即時、歷史譜圖，局放類型識別分析譜圖。
3、通信符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
◆ 處理單元和后臺系統(tǒng)可采用光纖連接；
◆ 處理單元和服務(wù)器、診斷系統(tǒng)可采用TCP/IP方式通信；
◆ 系統(tǒng)和變電站綜自系統(tǒng)之間可采用IEC61850方式連接通信。
4、局部故障類型識別及報警
◆ 可識別出電暈放電、懸浮電位放電、自由粒子放電、空隙放電等局放類型，裝置在識別出有局部放電，并超過系統(tǒng)設(shè)置閥值時能有報警窗口彈出報警。
5、高可靠性
◆ 先進(jìn)的干擾抑制方法
① 硬件方法：采用差動平衡法結(jié)合噪音傳感器實現(xiàn)外部干擾的鑒別；
② 軟件方法：小波包濾波方法和IIR濾波器、開窗法實現(xiàn)對白噪、周期性、脈沖性干擾的抑制和消除；
◆ 裝置采用特殊工藝結(jié)構(gòu)、多種屏蔽措施，通過了國家級電磁兼容實驗室浪涌、快速瞬變等10項抗干擾試驗。
局部放電的特征及種類：
◆ 進(jìn)行速度緩慢
→即使在GIS、變壓器內(nèi)部檢測出局部放電，也不會迅速發(fā)展為事故。
◆ 初期發(fā)生時會間歇性的出現(xiàn)
→發(fā)展趨勢非常重要，因此要長期在線監(jiān)視。
◆ 以一定的形態(tài)發(fā)生
→根據(jù)異常問題種類，信號數(shù)據(jù)具有一定的形態(tài)。
◆ 與相電壓頻率同步（Synchronization）發(fā)生
→與無分別的外部噪音位相形態(tài)有區(qū)別。
以下圖為局放信號示例：
以下圖為外界噪音圖譜示例：
變電站設(shè)備局放監(jiān)測的種類及特征
在線監(jiān)測系統(tǒng)
◆ 優(yōu)點：
① 具體在線監(jiān)測分析功能
② 能捕捉瞬間性的變化
③ 通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集豐富專家數(shù)據(jù)庫
◆ 缺點：
① 產(chǎn)品價格、施工維修成本稍高
便攜式檢測儀
◆ 優(yōu)點：
① 容易移動
② 用較低的成本進(jìn)行局部放電檢測
◆ 缺點：
① 只能在適用時進(jìn)行檢測
② 需要多數(shù)的時間和人力
功能及原理：
XZGIS-800 系統(tǒng)構(gòu)架
XZGIS-800 局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場傳感器（內(nèi)置外置超高頻傳感器及噪音傳感器）的信號采集單元，信號處理單元（IED 模塊） ，局放工作監(jiān)視站（后臺電腦等）三大部分組成。
系統(tǒng)框架如下圖所示：
局放工作站組成
按現(xiàn)場的通信方式，可經(jīng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、以太網(wǎng)交換機、光纖收發(fā)器等，將 IED 與后臺電腦相連接，亦可使用其他如串口通信等方式與后臺連接，連接后使用后臺電腦上的 SQL 數(shù)據(jù)庫及人機對話、專家診斷系統(tǒng)等來對 IED 所采集到的信號進(jìn)行判斷分析及數(shù)據(jù)保存。
局放 IED 組成
局放 IED 分為上中下三段式結(jié)構(gòu)：底層為電源單元、中層為信號濾波單元、上層為信號采集處理單元。底層包括系統(tǒng)電源濾波器、一個AC/DC 開關(guān)電源、一塊 AC/DC 電源板。中層由固定增益放大器、帶通濾波器、程控放大器等組成。上層由 FPGA 信號采集掃描處理模塊及工頻信號觸發(fā)模塊構(gòu)成。
傳感器組成
超高頻傳感器主要由超高頻非頻變圓極化天線及發(fā)射電路構(gòu)成。傳感器可分為外置和內(nèi)置傳感器，以及用于采集干擾信號的噪音傳感器。超高頻傳感器可分為外置傳感器，內(nèi)置傳感器。外置傳感器：安裝于設(shè)備外部。內(nèi)置傳感器：安裝于設(shè)備內(nèi)部。在實際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場情況及客戶需求進(jìn)行傳感器的選擇。
系統(tǒng)功能
局放工作站功能
◆ 測量放電信號的幅值、極性、放電的相位、放電次數(shù)等基本的局部放電表征參數(shù)及各種統(tǒng)計計算數(shù)據(jù)；
◆ 顯示二維（
）、三維（
）放電譜圖、工頻周期放電圖；
◆ 利用各種圖譜分析，進(jìn)行放電模式識別及故障類型診斷，觀察和預(yù)測局部放電故障的發(fā)展趨勢，故障信號及故障嚴(yán)重性報警，為絕緣狀
態(tài)診斷提供重要判據(jù)；
◆ 提供放電發(fā)展趨勢圖、歷史查詢、報表和設(shè)定報警等多項功能；
◆ 可定時自動啟動測量，整個監(jiān)測過程自動化；
◆ 可以通過局域網(wǎng)、CAN 總線等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)上網(wǎng)，對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，可采用 IEC61850方式連接通信。
局放 IED 功能
◆ 實現(xiàn)對變壓器、GIS 多測點同步實時監(jiān)測；
◆ 采用高速 D/A 采集掃描系統(tǒng)，采樣精度為 12 位；
◆ 內(nèi)置數(shù)字濾波器及數(shù)據(jù)分析模塊，實時捕獲放電統(tǒng)計特征；
◆ 觸發(fā)方式：內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)可選擇；
◆ 自動生成三維譜圖數(shù)據(jù)；
◆ 實時報警；
◆ 定時自我診斷；
◆ 對采集到的信號進(jìn)行濾波放大；
◆ 和變電站綜自系統(tǒng)之間可采用 IEC61850 方式連接通信。
傳感器功能
◆ 接收局部放電的超高脈沖信號；
◆ 整形超高頻脈沖信號，得到單極性寬脈沖信號；
◆ 通過高頻同軸光纜將單極性寬脈沖信號傳送給局放 IED。
通信方式
◆ IED 模塊可通過局域網(wǎng)或串口通信方式與后臺通信◆ 以增加模塊的方式，可以用 IEC61850通信協(xié)議與后臺進(jìn)行通信。
工作原理
超高頻傳感器原理
局部放電過程會產(chǎn)生寬頻帶的電磁暫態(tài)和電磁波。不同類型局部放電的電擊穿過程不盡相同，從而產(chǎn)生不同幅值和陡度的脈沖電流，因此產(chǎn)生不同頻率成分的電磁暫態(tài)和電磁波。例如：空氣中電暈放電所產(chǎn)生的脈沖電流具有比較低的陡度，能夠產(chǎn)生比較低頻率的電磁暫態(tài)，主要分布在 200MHz 以下；相比之下，變壓器油、SF6 氣體中局部放電所產(chǎn)生的脈沖電流具有比較高的陡度，所產(chǎn)生的電磁暫態(tài)的頻率能夠達(dá)到 1GHz 以上。XZ-PD800 所采用的傳感器由超高頻信號接收天線構(gòu)成，傳感器采用希爾波特分形天線，它是一種非頻變天線，其電性能與頻率無關(guān)，具有寬頻率，圓極化，尺度小，效率高，可嵌裝等優(yōu)點。放大器采用低噪音、高增益（40db）超高頻信號。傳感器工作頻帶 300～1500MHz，能夠有效避開了現(xiàn)場電暈等干擾，具有較強的抗干擾能力。
信號采集處理原理
傳感器采集到的局部放電信號，進(jìn)入信號調(diào)理單元，首先緩沖隔離，減小后續(xù)電路對局放信號的影響，然后送入頻帶為 680~890MHZ 的帶阻濾波器，經(jīng)過濾波后的信號進(jìn)入程控衰減放大電路，該電路增益可以進(jìn)行軟件預(yù)設(shè)定調(diào)節(jié)，最后將預(yù)處理好的信號送入高速采集單元。高速采集單位進(jìn)行了多個工頻周期時間段的測量，對傳感器檢測到的電磁波進(jìn)行了最大放電幅值、平均放電量、放電次數(shù)的測量計算。
信號抗干擾原理
超高頻局部放電的抗干擾基于以下三個因素：
◆ 電力系統(tǒng)中的干擾信號，包括空氣中電暈放電的干擾，主要分布在低于 UHF 的頻段，因此，在 UHF 頻段進(jìn)行局部放電信號檢測，可以避開主要的干擾信號，提高局部放電信號傳感的信噪比。
◆ 超高頻信號傳播過程中衰減比較快，一處的干擾信號只能局限在比較小的范圍，不會產(chǎn)生大范圍的影響。因此，采用超高頻局部放電監(jiān)測，可以減小電力設(shè)備之間相互的放電干擾。
◆ XZ-PD800 硬件上采用差動平衡法結(jié)合噪音傳感器實現(xiàn)外部干擾的鑒別，軟件上采用小波包濾波方法和 IIR 濾波器、開窗法實現(xiàn)對白噪、周期性、脈沖性干擾的抑制和消除。
放電定位原理
超高頻局部放電定位基于以下兩種方法：
◆ 超高頻信號傳播過程中衰減比較快，離開放電源的距離不同，放電信號的幅值顯著不同，因此，通過比較放電信號的幅值可以進(jìn)行放電的粗略定位。該方法需在設(shè)備中裝設(shè)多個傳感器，確保每一點發(fā)生局放時的電磁波信號至少能被兩個或兩個以上的傳感器接受。
◆ 局部放電的超高頻電磁脈沖具有 ns 時間量級的起始沿，采用多個傳感器同時測量，能夠得到 ns 量級準(zhǔn)確度的脈沖時差，基于此時差測量，可實現(xiàn) cm 量級準(zhǔn)確度的放電源定位。但該方法需用到超高頻示波器，成本較高，故多用于便攜式測量。
系統(tǒng)設(shè)計原理
《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》將智能變電站分為三層：過程層、間隔層、站控層。要求間隔層與站控層采用 IEC61850 通信規(guī)約的以太網(wǎng)通信。這對裝置硬件提出更高要求。我們的做法是在原有裝置硬件基礎(chǔ)上新增 IED 組件，實現(xiàn)將原來已用的各種通信規(guī)約轉(zhuǎn)為 IEC61850 規(guī)約，實現(xiàn)與監(jiān)測平臺通信。結(jié)合 XZ-PD800 裝置特點，將現(xiàn)場采集裝置原有硬件控制電路和新增 IED 功能進(jìn)行整合，達(dá)到功能更簡潔，成本更低，運行更穩(wěn)定。
XZGIS-800 系統(tǒng)主IED 介紹
在 XZGIS-800 系統(tǒng)中，傳感器負(fù)責(zé)采集信號，主 IED 負(fù)責(zé)將局放傳感器與噪音傳感器所采集到的信號經(jīng)濾波，放大，去噪，調(diào)試后，將調(diào)試完的信號經(jīng)串口通信或 TCP/IP 或 IEC61850 通信，上傳至后臺處進(jìn)行分析判斷。主 IED 通道數(shù)可隨現(xiàn)場需求進(jìn)行調(diào)整，機箱有數(shù)種可供選擇，亦可由客戶提出要求。
IED外觀如下圖：
| 1)電源 | AC220V |
| 2)檢測帶寬 | 包括300～1500MHz 領(lǐng)域的UHF頻寬 |
| 3)PD 頻道 | 1~8通道，另帶1個噪音通道 |
| 4）機箱尺寸 | 283*443*177.6(mm) |
| 5)觸發(fā)信號 | 內(nèi)、外觸發(fā)工頻相位同步 |
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| 1) 頻率范圍 | ：300～1500MHz 頻寬 |
| 2）傳感器感應(yīng)靈敏度 | ：外置傳感器，≥5pC ：內(nèi)置傳感器，≥3pC |
| 3) 阻抗匹配 | ：50 |
| 4）安裝方式 | ：外置型，固定在盆式絕緣子上 ：內(nèi)置型，安裝于人/手孔內(nèi) |
| 5）輸出接口 | ：N-Type |
1 |
測量方法 |
——局放在線監(jiān)測采用 UHF 傳感器，對局放進(jìn)行定位和故障類 型識別。 |
| 2 | 監(jiān)測頻率 | ——超高頻電磁波（UHF）測量頻率：300MHz~1.5GHz。 |
| 3 | 局放傳感器 | ——UHF 內(nèi)置或外置式傳感器。 |
| 4 | 靈敏度 | ——內(nèi)置傳感器 ≤3 pc，外置傳感器 ≤5 pc。 |
| 5 | 故障識別類別 | ——電暈放電、懸浮電位放電、自由粒子放電、空隙放電等。 |
6 |
故障預(yù)警方式 |
——采用符合 IEC 局放定義對變壓器局放進(jìn)行 PC 量化，根據(jù)局放量化指標(biāo)給出運行中變壓器局放故障預(yù)警，并給出局放故障 位置、類型及局放強度。 |
7 |
傳感器位置 |
——傳感器的位置分布會影響局部放電檢測靈敏度，在線監(jiān)測 裝置的傳感器布置應(yīng)滿足于最大限度覆蓋所監(jiān)測的設(shè)備。 |
8 |
現(xiàn)場監(jiān)測單位 |
——不銹鋼外殼，通過油閥插入變壓器腔體，或者通過與入孔 法蘭對接 GIS，現(xiàn)場可以查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。 |
9 |
通信網(wǎng)絡(luò) |
——現(xiàn)場傳感器和本地單元間采用低衰減 50 歐同軸電纜； ——本地單元和主處理單元采用同軸電纜連接； ——主處理單元和服務(wù)器、診斷系統(tǒng)采用串口通信或 TCP/IP 方式通信； ——系統(tǒng)和變電站綜自系統(tǒng)之間可采用 IEC61850 方式連接通 信。 |
10 |
噪音辨別 |
——高壓同步信號噪音抑制； ——可直接根據(jù)寬頻帶波形特征進(jìn)行判斷； ——環(huán)境噪音抑制：設(shè)置環(huán)境噪音傳感器，利用噪音傳感器消除；外部噪音，頻率響應(yīng)范圍：0.3~3GHz。 |
11 |
數(shù)據(jù)處理 |
——定期按設(shè)定格式生成報表，如特定時期的日報，周報和月 報，或時段的各種數(shù)據(jù)解析報告，具備局放歷史數(shù)據(jù)分析功能。 |
| 試驗項目 | 要 求 | |
1 |
輻射電磁場騷 擾試驗 |
滿足 GB/T 14598.9—2002(IEC 60255-22-3:2000,IDT)規(guī)定的 4 級 試驗 |
2 |
快速瞬變干擾 試驗 |
滿足 GB/T 14598.10—1996(IEC 60255-22-4:1992)規(guī)定的 4 級試驗 |
3 |
1MHz 脈 沖 群 干擾試驗 |
滿足 GB/T 14598.13—1998(IEC 60255-22-1:1988)規(guī)定的 4 級試驗 |
| 4 | 靜電放電試驗 | 滿足 GB/T 14598.14—1998(IEC 60255-22-2:1996)規(guī)定的 4 級試驗 |
5 |
浪涌(沖擊)抗 擾度 |
滿足 GB/T 17626.5—1999(IEC 61000-4-5:1995)規(guī)定的 4 級試驗 |
6 |
射頻電磁場輻 射抗擾度 |
滿足 GB/T 17626.6—1998(IEC 61000-4-6:1996)規(guī)定的 3 級試驗 |
7 |
工頻磁場抗擾 度 |
滿足 GB/T 17626.8—1998(IEC 61000-4-8:1993)規(guī)定的 5 級試驗 |
8 |
脈沖磁場抗擾 度 |
滿足 GB/T 17626.9—1998(IEC 61000-4-9:1993)規(guī)定的 5 級試驗 |
9 |
阻尼振蕩磁場 抗擾度 |
滿足 GB/T 17626.10—1998(IEC 61000-4-10:1993)規(guī)定的 5 級試驗 |
