超高频局放在线监测在GIS设备校验现场中的应用

黄凤萍

（广东电网有限责任公司惠州供电局，广东 惠州 516001）

0 引 言

GIS设备在运行过程中出现局放异常会严重影响设备的安全稳定运行，如不及时发现处理，可能导致设备击穿跳闸，造成负荷损失。本文主要以220 kV大朗站GIS局部放电在线监测装置为例，检验局放在线监测装置是否能够有效发挥GIS局放在线监测与预警的作用。

1 超高频局放在线监测校核原理

GIS内部的局部放电能激发超高频（Ultra High Frequency，UHF）电磁波信号（高至1 GHz以上），UHF电磁波信号穿透性强，能够从盆式绝缘子和GIS外壳的接缝处泄漏到外部。将测试传感器放置在非屏蔽盆式绝缘子处，在UHF频段（300 MHz以上）接收及耦合GIS内部信号，既能避开一般的电磁干扰，又能准确测量GIS内部的放电信号。同时，配置实时信息采集装置[1]，可实现GIS超高频局放信号的在线监测。

GIS局部放电产生的超高频电磁波信号在非金属材料中具有穿透性强的特点，在盆式绝缘子或绝缘衬垫处会发生辐射现象。根据GIS局部放电超高频信号的传播特征和GIS在线监测装置的检测原理，进行GIS局部放电超高频在线监测装置运行中校核时，可通过在某处盆式绝缘子或绝缘衬垫处注入超高频电磁波信号，安装在其他盆式绝缘子处的在线监测传感器可接收到辐射出的注入信号。

例如，利用校核信号发生器产生超高频信号，通过如图 1所示的注入点（a）或注入点（b）将超高频信号注入至GIS壳体内部，通过查看监测装置后台软件上相应传感器的信号接收情况来判断监测传感器、现场采集器、监测主机以及监测软件各环节的有效性。其中，注入点（a）为未屏蔽或有浇筑孔的绝缘盆子、以及未屏蔽的地刀盆子，注入点（b）为当浇筑孔过小或绝缘盆子全屏蔽时，在线监测装置的传感器所在位置。在该情况下，利用在线监测系统的传感器进行互校。

图1 现场检测示意图

（1）脉冲信号发生器：应能产生固定频率的脉冲信号，技术要求不低于表1要求。

（2）超高频传感器：应不低于如下技术指标，工作频带不小于300 MHz～1 500 MHz，在工作频带内平均有效高度不小于11 mm。

2 测试校核试验设备及覆盖范围有效性校核

2.1 测试校核设备的具体要求

测试校核试验设备必须满足以下几点要求。

（1）将脉冲信号发生器与校核用超高频传感器连接，构成校核信号发生器。

（2）设置好超高频局放带电检测装置。

（3）将校核信号发生器的传感器信号发射面与局放带电检测装置的传感器信号接收面相对，距离100 mm。

（4）设置脉冲信号发生器脉冲幅值为1 V，记录局放带电检测装置图谱与响应幅值。在1～5 V范围内，以1 V为步长逐步增加信号发生器输出脉冲幅值，分别记录局放带电检测装置图谱与响应。

（5）若在1～5 V内，局放带电检测装置实时图谱可观测到明显的脉冲信号，并可检测到信号发生器引起的幅值变化，则校核信号发生器可用。否则，应检查是否存在校核信号发生器电量不足、传感器或线缆损坏、背景电磁噪音过大等问题。

2.2 覆盖范围有效性校核试验

覆盖范围有效性校核[2]目的在于检验传感器布置方案与安装方式是否可以有效覆盖GIS全部区域，结构形式间隔可选择1个间隔进行覆盖范围有效性校核，试验方法和试验步骤如下文所述。

2.2.1 试验间隔选择

对GIS间隔，同一结构形式间隔可选择1个间隔进行覆盖范围有效性校核；

对于母线，每两个相邻传感器内的母线区域均需进行覆盖范围有效性校核。

2.2.2 校核试验方法

（1）使用屏蔽布包裹校核信号源的传感器，防止超高频信号通过空气耦合进入监测通道。

（2）注入信号强度选择

a.若在未屏蔽的绝缘盆子处注入信号时，按校核脉冲幅值8 V注入信号；

b.若在具有浇注孔的带外屏蔽的盆式绝缘子处注入，则注入电压为40 V；

c.若浇注孔宽度小于15 mm或长度小于40 mm，则不能使用该种方法进行校核，此时采用在线监测传感器相互检测[3]的方法进行校核，即：拆下在线监测传感器的信号线，连接脉冲信号发生器，注入校核脉冲信号，在系统软件上应至少能够查看到信号注入传感器一个相邻的在线监测传感器所接收到的注入信号，通常情况下校核脉冲幅值为16 V。

d.在注入最低推荐电压信号时，若被校验传感器无响应，逐级提高注入信号电压至传感器有响应（按20 V、30 V、60 V、100 V逐级升压），记录被校传感器有响应的电压、响应幅值和图谱。超过100 V仍无响应，则应记录为无响应。

（3）信号注入位置选择

信号注入位置选择原则是选取间隔内或母线上，距离传感器最远，或最可能为监测盲区的位置。

当采用绝缘盆子注入校核信号的方式时，对于GIS间隔，建议充分考虑GIS间隔与传感器位置的对称性，将校核信号发生器的传感器分别放置在间隔两端或中间位置，并至少选取两个信号注入点。对于GIS母线，建议选取监测母线的相邻两个传感器的中间位置注入信号。

当采用在线监测装置传感器互校的方式时，对于GIS间隔，应选择间隔内相距最远的两个传感器，分别注入校验脉冲信号。对于GIS母线，应选择每个母线传感器注入校核信号。

2.2.3 试验合格标准

每次注入校核信号时，每间隔（每相）或母线上，至少有一个监测通道可以接收到注入信号，则覆盖范围有效性试验合格，同时应记录注入信号幅值、以及监测通道响应幅值与图谱。

若注入信号超过100 V，仍无监测通道有响应，则记录为无响应，并判定在线监测系统监测范围无法覆盖该注入位置，覆盖范围有效性不满足要求。

无响应判断依据：注入100 V信号前后，监测通道响应幅值变化低于10%或无明显相位特征。

3 超高频局放在线监测现场校核

进行GIS局放在线监测现场校核的主要步骤如下文所述。

（1）现场信号采集单元检查

对现场采集单元的运行情况进行检查，检查项目主要包括：信号采集单元指示灯情况；采集单元密封门固定螺钉是否有松动或断裂现象；温湿度指示器等防潮、散热装置运行情况；箱体底部、进线处的防鼠、防火措施情况；安健环标识合规情况。记录存在问题。

（2）监测软件校核

对监测软件进行检查，检查项目主要包括：监测主机是否正常登录，是否可以后台保持启动；系统中的传感器名称与现场实际位置是否一致；是否存在频繁死机问题、软件功能是否符合现行技术规范（通用部分）。同时，结合覆盖范围校验和监测通道检验工作，检验监测软件数据展示、告警和上传主站的功能等。记录存在问题。

（3）监测通道有效性校核

监测通道有效性校核目的在于检验每个监测通道是否可以有效监测特高频信号，并定性判断每个监测通道的灵敏度是否足够，试验方法如下文所述。

a.监测通道选择。所有监测通道均需进行监测通道有效性校核。

b.校核试验方法。核对被校监测通道编号、安装位置与软件系统是否一致。

在被校通道的传感器侧面，距离100～200 mm处，逐步施加幅值为1、2、3、4、5 V的脉冲信号，要求可在系统软件上查看到相应被测传感器所接收到的注入信号，记录有响应的最低注入电压值、响应幅值与图谱。若超过5 V没响应，则拆下被校传感器，将被校传感器的信号接收面与信号发生器的传感器信号发射面相对，距离100 mm，施加幅值为1 V的脉冲信号。要求可在系统软件上查看到相应被测传感器所接收到的注入信号。如施加1 V脉冲信号时，校验传感器无响应，以不大于5 V为标准，1 V为步长，逐级增大脉冲信号，并记录有响应的最低注入电压值、响应幅值与图谱。超过5 V无响应，则应记录为无响应。

c.试验合格标准。被校通道编号、安装位置与软件系统一致；且注入信号幅值1～5 V内，被校监测通道有响应，则判定被校监测通道有效，试验结果合格。

若注入信号幅值超过5 V，被校监测通道无响应，则判定被校监测通道无效。试验结果不合格。

无响应判断依据：注入信号前后，监测通道响应幅值变化低于10%或无明显相位特征。

4 超高频局放在线监测校核异常及对策

如图2所示，进行监测范围或通道有效性校核时，若在线监测装置的所有传感器均无响应，应怀疑校核信号是否有效注入或在线监测装置功能异常，可采用如下方式进行初步排查[4]：检查在线监测装置的软件和现场采集单元功能是否正常；若软件与采集单元正常，则利用局放带电检测装置，检查校核信号发生器功能是否正常；若校核信号发生器功能正常，则利用局放带电检测装置，检查绝缘盆子是否具有较强的电磁屏蔽效果；若绝缘盆子不具有较强电磁屏蔽效果，则拆除在线监测装置传感器的信号线，将脉冲信号发生器与监测装置传感器连接，通过监测装置的传感器注入信号；若被校范围内的在线监测装置传感器仍无响应，则可采取如下措施：将在线监测装置传感器装设于带电检测装置上，采用测试校核试验设备的方法对该传感器进行检查，应考虑传感器与带电检测装置采集系统不适配的可能性，或通知在线监测装置原厂家进行异常排查，或将传感器送电科院进行实验室校核。

图2 校核工作流程

5 案例分析

以220 kV大朗站GIS局部放电在线监测装置为例，检验局放在线监测装置是否能够有效发挥GIS局放在线监测与预警作用。

220 kV大朗站220 kV GIS型号为ZF16-252，额定电压252 kV，额定电流3 150 A，生产厂家为山东泰开高压开关有限公司，设备型式为三相分箱、主母线三相共筒式。GIS局部放电在线监测装置厂家为珠海市伊特高科技有限公司，型号为SDMT PD700 GIS局放监测装置，传感器为41个无源传感器。

220 kV大朗站GIS局放监测装置传感器布置方案如图3所示：5个线路间隔、4个主变间隔，每个间隔共布置4只传感器，其中，在间隔内的ABC三相分别安装3只传感器，靠母线的B相绝缘子安装1只传感器。1个母联间隔内的ABC相分别安装3只传感器；2个PT间隔在靠近母线的盆子上安装1只传感器。

图3 220 kV大朗站GIS局放监测装置布置图

试验方法按《GIS局部放电在线监测装置现场校核工作细则》进行。范围有效性校核的信号注入位置：（1）线路间隔；（2）主变间隔；（3）母联间隔；（4）母线所有盆子。

220 kV大朗变电站共监测12个220 kV GIS间隔设备，41个传感器，试验结果与发现问题如下文所述：

（1）现场信息采集单元校核：如图4所示，220 kV大朗站GIS局放监测装置现场采集单元工作正常。

图4 220 kV大朗站GIS局放监测装置现场采集单元

（2）软件检查：软件工作正常。

（3）通道有效性校核：对全站41个传感器进行全检，所有监测通道均可监测到5 V及以下注入信号，监测通道有效性试验结果均合格。

（4）监测范围有效性校核：选取主变、线路和母联等3类典型型式间隔进行校核，共校核3个间隔，分别为#4变高2204间隔、裕大甲线2950间隔和母联2012间隔。母线绝缘盆子全部进行信号注入并测量。其中，主变、线路间隔覆盖范围有效性不合格，备用一线4269间隔与221PT间隔之间的母线覆盖范围有效性不合格，其他母线位置与母联间隔的覆盖范围有效性合格。

不合格间隔情况如下：#4变高2204间隔在注入位置1注入100 V信号时，间隔内传感器和母线传感器均可见图谱，但响应信号变化小于10%。裕大甲线2950间隔在注入100 V信号时，间隔内传感器与母线传感器响应幅值变化显著，但无明显图谱。在备用一线4269间隔与221PT间隔之间的母线中部绝缘盆子注入100 V信号时，两个间隔的母线传感器均无响应图谱。

综上所述，220 kV大朗站220 kV GIS局放在线监测装置现场采集装置、软件与监测通道有效性均合格；母联间隔监测覆盖范围有效性合格，主变和线路间隔监测范围有效性不合格；备用一线4269间隔与221PT间隔的母线传感器无法覆盖之间母线，其他母线传感器监测范围有效性合格。

覆盖范围有效性校核监测通道响应异常原因：经现场检查发现：220 kV大朗站220 kV GIS局放在线监测装置的所有传感器均存在传感器信号接收面没有对准绝缘盆子浇筑孔的问题。如图5所示，传感器安装不当，部分绝缘盆子的导流排横跨浇筑孔，占据了局放监测（测量）位置，故传感器难以完全贴合浇筑孔，测量到的信号较弱，因此覆盖范围有效性不合格。

图5 传感器安装不当

图谱异常原因应由监测通道的响应延迟或信号源的外部耦合信号引起。

6 结论与展望

本文主要以220 kV大朗站GIS局部放电在线监测装置为例，检验局放在线监测装置是否能够有效发挥GIS局放在线监测与预警作用。计划进一步对传感器安装方式进行整改，整改后对覆盖范围有效性进行复核。复核时，将对校核信号源采取合理的屏蔽措施。