特高压GIS特高频内置传感器有效监测范围现场测试与评估技术研究

邵先军，何文林，王绍安，徐 华，吴胥阳，刘浩军，周阳洋

（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；3.国网浙江省电力公司金华供电公司，浙江 金华 321016；4.国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 310018）

特高压GIS特高频内置传感器有效监测范围现场测试与评估技术研究

邵先军1，何文林1，王绍安1，徐 华2，吴胥阳3，刘浩军1，周阳洋4

（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；3.国网浙江省电力公司金华供电公司，浙江 金华 321016；4.国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 310018）

为有效评估特高压GIS特高频内置传感器的灵敏度及其监测范围，搭建了252 kV GIS等效脉冲注入实验平台。首先通过等效实验方法，建立252 kV GIS内典型缺陷5 pC放电量与等效注入脉冲信号波形之间的关系；结合252 kV GIS和1 100 kV GIS的特高频电磁波数值计算，仿真得到了1 100 kV GIS内缺陷5 pC放电量下的等效注入脉冲信号的波形参数。针对特高压某站1 100 kV GIS的各种典型特高频传感器布置方式，开展有效监测范围的现场测试与评估，结果表明：特高压安吉站1 100 kV GIS只有出线间隔布置方式的B相满足监测灵敏度的要求。最后提出特高频内置传感器优化布置计算方法，并依此提出了特高压某站1 100 kV GIS的特高频内置传感器优化布置方案。

特高频传感器；等效注入脉冲；优化布置；现场测试

0 引言

UHF（特高频）法作为一种抗干扰性能强、灵敏度高、易识别缺陷类型以及可实现放电源定位的局部放电检测方法，已逐渐得到国内外学者的认可，在GIS（气体绝缘金属封闭开关设备）状态检测与故障诊断中有着良好的应用前景[1-3]。

UHF传感器作为UHF监测系统的核心部件，其灵敏度指标更是重中之重[4]。目前，国内外普遍应用M.D.Judd等人提出的实验室GTEM小室测试法来定量评估特高频传感器的灵敏度[4-6]。但实际上，UHF监测系统的灵敏度还受到GIS结构、UHF传感器布置方式等因素的影响，因此如何更全面地评估GIS特高频传感器有效监测范围和灵敏度是现场应用亟需解决的关键问题。

为此，ABB公司、斯图加特大学、代尔夫特工业大学、东京大学等研究机构提出了诸如二端口网络测试法等方法，来现场测试GIS UHF监测系统的灵敏度[7-9]。CIGRE TF 15/33 03 05工作组总结了前人的研究成果，推荐了一种GIS UHF监测系统灵敏度检验方法，取得了一定的成效[10]。

以下介绍了252 kV GIS等效脉冲注入实验平台，建立252 kV GIS内典型缺陷5 pC放电量与等效注入脉冲信号波形之间的关系；通过仿真手法推算得到1 100 kV GIS内放电量与等效注入信号间关系，并开展了特高压安吉站1 100 kV GIS典型GIS结构与传感器布置方式下特高频有效监测范围的现场实测与评估。最后提出特高频内置传感器优化布置计算方法，并针对特高压安吉站1 100 kV GIS提出特高频传感器优化布置方案。

1 传感器有效监测范围测试方法

GIS整体局部放电（以下简称局放）要求小于5 pC，因此现场在线监测传感器布置合理性的重要判据是相邻的2个传感器能否检测得到该局放量下的UHF信号。任一点发生局放时，距离放电点最近的2个传感器均应能够检测到。但在现场GIS内难以产生等效于5 pC的放电信号，因此通过在GIS内置传感器注入模拟5 pC放电的等效脉冲信号，判断相邻传感器能否检测该信号作为传感器布置合理性的判据，也就确定了传感器的有效监测范围。

因此传感器有效监测范围的测试方法主要包括以下步骤：

（1）在实验室GIS内布置缺陷模型，使其产生5 pC的放电量，检测相邻传感器信号幅值，如图1（a）所示。在缺陷处安装内置传感器，并通过改变其注入电压脉冲信号参数，使相邻传感器产生信号的幅值与布置缺陷时幅值一致，确定等效5 pC注入脉冲参数，如图1（b）所示。

（2）在现场GIS内置传感器注入实验室内确定参数的电压脉冲，判断相邻传感器能否有效检测到信号（局放监测系统显示放电幅值大于软件最小监测幅值6～10 dBm），若可以检测到信号，则认为这2个传感器之间布置合理。

2 252 kV GIS局放等效脉冲信号

2.1 等效脉冲注入实验平台

252 kV GIS局放仿真平台如图2所示，主要由实验腔体、电压互感器、电流互感器、隔离开关、套管与耦合电容器组成。脉冲电流信号和UHF信号分别采用PDcheck局放仪和EC4000局放仪采集；UHF时频域信号分别采用安捷伦DSO9404A 示波器（4 GHz， 20 Gsa/s）， N9020A 频谱仪（20 Hz～3.6 GHz）测量；皮秒级脉冲重复信号源（上升沿小于600 ps，脉宽小于4 ns，电压幅值0～200 V可调，重复频率50～200 Hz可调）用于产生脉冲注入信号。

2.2 等效脉冲注入信号的确定

在图2所示的实验腔体设置自由颗粒缺陷，逐步升高外施电压，使产生的实在放电量为5 pC左右。因缺陷放电为非稳定性，图3所示此时不同放电量下放电次数的统计结果，可以看出，4～6 pC放电量的放电次数发生概率最大，因此可认为此时对应的放电量为5 pC。

图3 自由颗粒缺陷的脉冲电流局放量统计

图4所示为5 pC放电量下UHF信号的PRPD统计谱图，图中颜色越深表示放电概率密度最高，代表了5 pC局放量下UHF信号幅值的分布。

图4 自由颗粒缺陷的UHF信号PRPD谱图

为了确定等效注入信号强度，在缺陷设置腔体的UHF传感器处注入脉冲电压信号，通过调整波形参数（幅值、脉宽、上升沿）使产生的PRPD谱图信号幅值与图4对应幅值相同。最终确定注入信号为：上升时间1 ns；脉宽500 ns；幅值8 V；频率50 Hz，如图5所示，所对应的UHF信号检测处传感器的PRPD谱图如图6所示，可见与图4的信号幅值分布较为接近。

3 1 100 kV GIS局放等效脉冲信号的仿真推算

因特高压某站1 100 kV GIS结构、尺寸与252 kV GIS存在较大差异，因此在第2小节所得到的局放等效注入脉冲无法直接应用于1 100 kV GIS。为解决这一问题，提出了利用电磁波仿真技术，模拟等效注入信号实验过程，结合252 kV GIS等效注入信号实验，推算得到1 100 kV GIS局放等效脉冲注入信号。

图5 等效注入脉冲信号波形

图6 等效注入脉冲信号下的UHF信号PRPD谱图

3.1 仿真模型

基于FDTD（时域有限差分法），建立了252 kV及1 100 kV GIS仿真模型，用于确定1 100 kV GIS 5 pC局放量下需要在内置传感器所注入电压脉冲幅值，如图7所示。仿真模型中，内置传感器模型完全模拟了安装在GIS内的结构，可真实模拟其频率响应。在252 kV GIS模型左侧传感器注入图5所示的实验确定的脉冲电压波形，仿真得到右侧传感器输出电压波形；在1 100 kV GIS模型左侧传感器注入波形相同但幅值不同的脉冲电压，直至右侧传感器输出电压波形与252 kV波形一致时，判断此时为1 100 kV应注入的局放等效脉冲信号幅值。

3.2 仿真结果

仿真结果表明，当1 100 kV GIS内注入电压脉冲幅值为10 V，右侧传感器输出波形与252 kV较一致，两者对比如图8所示，可见2个波形具有较好的一致性。因此最终确定1 100 kV GIS在5 pC局放量下等效注入脉冲信号参数为：上升时间1 ns，脉宽500 ns，幅值10 V，频率50 Hz。

4 1 100 kV GIS现场实测

图7 GIS局放等效注入信号仿真模型

图8 2种GIS输出信号对比

以特高压某站的1 100 kV GIS为研究对象，现场测试了其内置UHF传感器的有效监测范围。分别选取站内典型布置方式，在一侧内置传感器注入3.2中所确定参数的等效注入脉冲电压，在相邻传感器处检测UHF信号，若检测到信号幅值大于局放仪最小监测幅值6～10 dBm，认为两传感器布置合理。测试中使用SKS-UHF02GA注入电压脉冲，该脉冲源可产生0～1 000 V的稳定脉冲电压信号；UHF信号采用便携式EC4000诊断型局放检测仪检测信号。

4.1 二断口断路器间隔

4.1.1 隔离开关外侧传感器注入

图9所示为二断口断路器间隔的典型传感器布置下的现场测试，由于三相传感器布置方式相同，因此仅在A相开展实验。图10所示为不同注入电压峰值下相邻传感器检测信号的幅值，可以看出在注入电压小于800 V，相邻传感器的信号过小均被淹没在噪声中，远超过5 pC局放量下等效脉冲信号幅值10 V。因此可见，该UHF传感器布置方式下的有效监测范围不能满足要求。

图9 二断口断路器典型传感器布置方式

图10 不同注入电压幅值下相邻传感器的信号幅值

4.1.2 出线传感器注入

因二断口断路器的一侧出线安装了UHF传感器，传感器1位于隔离开关外侧，传感器2位于断路器对侧出线上，中间经过3个拐角、2个流变、2个刀闸及1个断路器。为了考察该段传感器布置方式下的有效监测范围，采用如图11所示的实验布置，在传感器2处注入10～800 V脉冲电压，在传感器1检测输出信号。结果表明在传感器2注入800 V时，传感器1仍检测不到信号，说明该传感器布置方式的监测范围不满足要求。

4.2 四断口断路器间隔

该站1 100 kV GIS二期工程安装了四断口断路器，图12为四断口断路器间隔的传感器典型布置方式。左侧注入传感器位于隔离开关外出线侧，右侧接收传感器位于流变与隔离开关中间。当注入信号为600 V时，接收传感器才能够有效检测信号，局放仪检测信号幅值为-69 dBm，说明传感器布置方式的监测范围不满足要求。

4.3 出线间隔传感器布置合理性

图11 二断口断路器典型传感器布置方式

图12 四断口断路器间隔典型传感器布置方式

以安兰Ⅱ线出线间隔为例，现场测试了该间隔典型布置方式下的有效监测范围。图13为该间隔的测试布置示意。由于三相相邻两传感器间距离不同，分别测试了三相传感器布置方式下的有效监测范围。三相相邻两传感器之间的距离分别为：A相26.6 m；B相20.5 m；C相30.1 m。图14所示为三相三相在不同注入电压下相邻传感器信号幅值。可见，A，B，C三相最低可测信号的注入电压分别为20 V，5 V及50 V，因此B相传感器布置的监测范围满足要求；但是A和C两相传感器间距过大，不满足布置要求，需要降低传感器之间距离。

4.4 母线间隔

母线间隔共包括中间存在T形分支、中间存在门型架及直线母线段3种情况，逐一对3种布置下传感器的有效监测范围进行了测试。

4.4.1 T形分支情形

图15所示为存在T形分支的母线间隔传感器布置合理性测试实验，两传感器之间距离为41.9 m且包含9个盆式绝缘子，测得不同注入电压下相邻传感器的信号幅值如图16所示。可以看出，随着注入电压增大，检测信号幅值呈非线性增长，最低检测电压为30 V，说明该传感器布置下的有效监测范围仍偏大，需要缩短传感器间的距离。

图13 安兰Ⅱ线出线间隔传感器布置

图14 安兰Ⅱ线三相在不同注入电压下相邻传感器信号幅值

图15 T形分支母线段传感器布置方式

4.4.2 门型架情形

图16 T形分支母线段不同注入电压下测信号峰值

图17 门型架布置方式

图17所示为母线间隔存在门型架情形的传感器布置方式下的测试，两传感器之间距离为29.8 m且包含6个盆式绝缘子，测得不同注入电压下检测信号幅值如图18所示。随着注入电压增大，检测信号幅值同样呈非线性增长，最低可检测信号的注入电压幅值为30 V，说明传感器布置间距偏大。

图18 门型架母线段不同注入电压下检测信号峰值

4.4.3 直线母线情形

图19为直线母线段传感器布置合理性测试实验示意，两传感器之间距离为41 m且包含8个盆式绝缘子，测得不同注入电压下检测信号幅值如图20所示。最低可检测信号时注入脉冲信号为10 V，但此时信号幅值为-78 dBm，不能满足大于最小检测灵敏度6～10 dBm的要求，说明该传感器布置方式下的有效监测范围偏小。

图19 直线母线段传感器布置方式

图20 直线母线段不同注入电压下检测信号峰值

5 特高频传感器优化布置方法

5.1 传感器间最大允许衰减计算

UHF有效监测范围优化布置时，需要综合考虑局放监测系统的监测灵敏度要求、监测设备接收信号灵敏度、UHF电缆的传输衰减及局部放电传感器检测灵敏度等要求。当以上各项的每一项改变时，两传感器之间允许GIS内部衰减量也随之变化。因此为了优化布置传感器，提出了一种允许GIS内UHF信号衰减量L的计算方法：

GTEM小室的实验结果表明，5 pC放电量在传感器处产生的电场强度为0.234 5 mV/mm。假定传感器采用DMS公司内置传感器（平均等效高度为13.9 mm），选用20 m长普通电缆（电缆衰减为13 dB/100 m）。在线监测系统检测灵敏度为-70 dBm，则允许GIS内最大衰减为：

因此任意传感器的检测覆盖范围为28.7 dB以下衰减的区域，为了使GIS内任意点发生局放时都可被有效检测，两传感器中间衰减不应大于28.7 dB。

5.2 传感器优化布置方案

5.2.1 串内断路器间隔

针对特高压某站1 100 kV GIS各典型结构衰减特性现场实测结果可知，隔离开关、二断口断路器及四断口断路器的衰减分别为12 dB，23 dB及16 dB，按照现在布置方式两传感器之间衰减为12+12+23=47 dB及12+12+16=40 dB，远大于28.7 dB，因此实测结果表明，当前传感器布置方式的有效监测范围不符合要求。优化布置时可考虑在断路器及隔离开关中间流变位置安装传感器。若仅在一侧流变安装传感器，对二断口及四断口断路器，两传感器中间最大衰减为12+23=35 dB及12+16=28 dB，可见此时二断口断路器布置仍不能满足要求，四断口断路器布置方式刚刚能够达标。因此应该在断路器两侧流变均安装传感器，此时对二断口及四断口断路器两传感器中间最大衰减为23 dB及16 dB，满足小于28.7 dB的要求。综上所述，四断口及二断口的断路器传感器必须在断路器TA的两侧都布置，且在相邻两断路器的隔离开关中间位置最好也布置传感器。

5.2.2 进出线间隔

根据安兰Ⅱ线出线测试结果可知，B相传感器间距为20.5 m时布置合理，但A，C相间距分别为26.6 m及30.1 m，传感器布置不合理。现场衰减特性实测结果表明，GIS拐角结构引起的衰减约为12 dB，直线段衰减约为0.9 dB/m。因此要求直线段衰减不应超过28.7-12=16.7 dB，直线段长度不宜超过16.7/0.9=18.5 m。实测结果表明B相出线段传感器间距为20 m时处于满足检测要求的边缘，这是因为28.7 dB是以较严苛的数据条件推导的结果。

5.2.3 母线间隔

根据母线间隔的测试结果，直线母线段传感器中间41 m且包含8个盆式绝缘子、过门型架传感器间距29.8 m且包含6个盆式绝缘子、T型分支母线传感器间距41.9 m且包含9个盆式绝缘子3种布置方式下的有效监测范围均不合理。现场衰减特性测试结果表明，盆式绝缘子约引起2 dB的衰减，直线段衰减约为0.9 dB/m，若一段直线母线腔室（包括1个盆式绝缘子）长度为7 m，则每隔28.7/（2+0.9×7）=3.45 段即 21 m 加 3.45 个盆式绝缘子需布置1个传感器，适当放宽要求可取为20 m直线母线段，且之间不应超过4个盆式绝缘子。对于T形分支母线，分支母线引起10 dB的衰减，因此要求直线段衰减小于（28.7-10）=18.7 dB。根据直线母线段类似计算方法，可知，2个传感器之间最大距离为15 m，且之间不应超过2个盆式绝缘子。

5.2.4 优化布置方案

结合GIS实际结构与上述各个间隔的传感器优化布置要求，形成了表1所示的特高压安吉站1 100 kV GIS优化布置方案。

表1 1 100 kV GIS不同间隔下传感器优化布置方式

6 结语

通过搭建252 kV GIS等效脉冲注入实验平台，建立了252 kV GIS典型缺陷下5 pC局放量与注入脉冲信号间的等效关系，并通过电磁波仿真手法推算得到了1 100 kV GIS的等效注入脉冲信号波形。在特高压某站1 100 kV GIS开展了内置UHF传感器有效监测范围的现场测试与评估，提出了优化布置计算方法和方案，为GIS UHF在线监测系统的传感器布置提供参考依据。

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2017-09-22

邵先军（1983），男，高级工程师，从事GIS局放检测与故障诊断等方面工作。

（本文编辑：徐 晗）

Research on Field Test and Evaluation Technique for Effective Monitoring Range of the UHF Built-in Sensor of UHV GIS

SHAO Xianjun1， HE Wenlin1，WANG Shaoan1，XU Hua2， WU Xuyang3，LIU Haojun1，ZHOU Yangyang4

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company， Hangzhou 310007， China；3.State Grid Jinhua Power Supply Company， Jinhua Zhejiang 321016， China;4.State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company， Hangzhou 310018， China）

In order to evaluate the sensitivity and monitoring range of UHF built-in sensor of UHV GIS，an equivalent impulse injection experimental platform of 252 kV GIS was established.Through the equivalent experiment method，relationship between the defective discharge capacity of 5 pC and equivalent impulse injection signal wave was established;according to values calculation of UHF electromagnetic wave of 252 kV and 1 100 kV GIS，parameter of the equivalent impulse injection signal wave with the defective discharge capacity of 5 pC in 1 100 kV GIS was concluded by simulation.In accordance to the distribution mode of various typical UHF sensors in 1 100 kV GIS in a UHV substation，field test and evaluation on the effective monitoring range were conducted.The result shows that only phase B in alternative arrangement of 1 100 kV GIS in Anji UHV substation meets the monitoring sensitivity requirement.At the last，the paper presents an optimized arrangement and calculation method for UHF built-in sensors and thereof proposes an optimized arrangement scheme for UHF built-in sensor in 1 100 kV GIS in an UHV substation.

UHF sensor； equivalent impulse injection； optimized arrangement； field test

10.19585/j.zjdl.201711003

1007-1881（2017）11-0016-07

TM595

A

国家自然科学基金（51607140）；国网浙江省电力公司科技项目（5211DS15002P）