变电站GIS局部放电在线监测系统设计

苏 胜，曾令诚，林悦德，闫 超，孟晨旭

(1.明阳智慧能源集团股份公司，广东 中山 528400；2.广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400)

0 引言

随着电网的快速发展，气体绝缘全封闭组合电器(gas insulated switchgear，GIS)设备因其可靠性高、占地面积小等优点被广泛应用在变电站中。当GIS设备发生故障时，大部分在未完全击穿前伴随有局部放电现象，其原因主要体现在GIS设备内部在制造、安装、运输和试验各环节中的部件松动、接触不良等引起了电极浮动，绝缘老化、产生导电微粒等所致。GIS设备的局部放电可能导致绝缘劣化，从而引起绝缘击穿和沿面闪络现象，最终导致短路故障、保护跳闸、母线失压、供电区域大面积停电并带来重大经济损失和不良社会影响。

局部放电现象通常伴生电磁波、声波、热能、发光、产生各类型气体或化学分解物。根据局部放电过程中所发生的物理表现和化学反应，主要有超声波检测法、光波检测法、热检测法，放电产物化学检测法，局部放电能量测量法、脉冲电流法、特高频检测法等局部放电检测方法[1]。其中超声波检测法和特高频检测法可用于在线监测定位，但超声波传感器存在检测灵敏度低、信号识别不够准确、信号捕捉机制不合理等现象，造成在线监测系统信号漏检、误报警等问题，且无法对局部放电信号进行准确定位。局放信号定位通常通过示波器到GIS场地进行定位，消耗时间长，需人工对局放信号准确定位。

为解决现有的局部放电在线监测系统存在漏检、误报警、无法准确定位局放信号源等问题，研制了GIS局放在线智能诊断系统，该系统基于特高频检测法、幅度比较法、时差比较法等原理，通过大量有效的局部放电信息建立完备的专家诊断库，具有实时数据采集、放电类型识别、数据分析、局部放电定位、数据信息图表化等功能，为GIS设备维护提供有效的数据支撑，减少人工数据分析、测量、定位等工作，有效提高生产效率。

1 GIS局放在线智能诊断系统设计

1.1 结构设计

GIS局放在线智能诊断系统由特高频传感器、现场采集单元、后台诊断平台组成。

特高频传感器安装在GIS设备不带屏蔽的绝缘盆子上，检测GIS设备内部绝缘局部放电信号，通过高频电缆将信号送至现场采集单元。现场采集单元设有6个采集通道，可同时接入6个特高频传感器，其主要作用是对采集信号进行降噪、滤波、识别和存储。现场采集单元两两之间设有对时光纤，用于现场采集单元间的数据对时。现场采集单元将电信号转换成光信号，通过通信光纤将结果输送至光电转换单元，由光电转换单元转换将数据送至后台诊断平台主机。后台诊断平台对上传的信息进行存储、分析，智能诊断和定位，生成报警信号，通过61850规约将监测数据、报警信号和放电图谱发送至数据中心。

1.2 功能设计

1.2.1 后台诊断平台

后台诊断平台主要通过光电转换单元与现场采集单元进行数据交互，对上传数据进行存储、展示、分析、预警、定位，具体功能如下。

(1) 数据存储功能：主机配置大容量数据存储硬盘，对现场采集单元上传信息进行存储，根据传感器安装数量，设计主机存储内存，数据应满足至少一年存储量，可对GIS状态进行持续追踪。当存储硬盘存满后，自动覆盖历史数据。

(2) 自检预警功能：实时监测现场采集单元的工作状态，检查并判断现场采集单元工作状态是否正常，对异常工作状态进行预警。

(3) 数据展示功能：能对上传信息进行实时展示，能绘制二维、三维图谱，实现查看数据状态趋势、报表统计、历史数据查询。

(4) 数据分析、诊断、预警功能：对局部放电信号能自动诊断识别，并对局放信号进行后台预警。

(5) 局放源定位功能：对GIS内部局放源进行定位，误差范围小于30 cm。

1.2.2 现场采集单元

现场采集单元通过光纤将处理过的数据上传到诊断平台主机，每个现场采集单元分配独立的IP，具体功能如下：

(1) 信号滤波功能：对干扰信号进行过滤，减少噪声干扰。

(2) 局放信号类型识别功能：对不同局放信号进行识别，如绝缘缺陷放电信号、自由粒子放电信号、悬浮放电信号、电晕放电信号，准确率应达到95 %。

(3) 数据存储功能：存储容量应满足15天数据存储，便于后台主机故障后维护期间，现场采集单元独立采集数据，当后台主机恢复正常后上传数据，确保检测数据不丢失。当数据存满后，自动覆盖历史数据。

(4) 对时功能:各个采集单元通过通信光纤进行数据对时，可确保采集信息时效统一，用于定位功能的实现。

1.2.3 传感器

特高频传感器由金属外壳和内置天线通过环氧树脂整体浇筑而成，可在工况条件恶劣的环境中正常工作(温度-25 ℃～70 ℃、湿度93 %、严酷等级1级振动)。采用无源设计，确保耦合的信号到现场采集单元不失真，工作性能稳定、可靠。

传感器灵敏度一般用平均等效高度来表征，是表征传感器接收局部放电UHF信号能力的一项指标。传感器平均等效高度是指在规定的测试频带内，在各频率点等效高度的累计平均值，测量频带范围：300～1 500 MHz。传感器灵敏度平均等效高度不小于13 mm，传感器的平均等效高度应通过GTEM平台的验证试验。GTEM小室，全称吉赫兹横电磁波小室(giga hertz transverse electricmagnetic cell,GTEM-CELL)，由带状金属隔板为内导体、矩形徽面喇叭状为外导体构成的一种矩形截面传输线。用于在直流到数吉赫兹频率范围内，对电子设备进行辐射电磁场抗感染性试验和辐射电磁场发射测量。

2 系统关键技术

2.1 局放信号类型诊断

GIS中的局部放电信号主要分为浮动电极、空穴/污秽、自由粒子和导体尖端(电晕)几种，具有明显的相位特征[2-5]。

(1) 浮动电极放电信号特征：松动金属部件产生的局部放电，表现形式像一个放电电容器，具有很高的幅值(>100 pC)，放电脉冲幅值稳定，且相邻放电时间间隔基本一致。

(2) 空穴/污秽放电信号特征：固体绝缘内部开裂、气隙或表面污秽等缺陷引起的放电。放电次数少，周期重复性低。放电幅值也较分散，但放电相位较稳定。

(3) 自由粒子放电信号特征：GIS中的微小的金属物体例如金属碎屑粒子在高电场的作用下移动，导致金属颗粒和金属颗粒间的局部放电，金属颗粒和金属部件间的局部放电。放电幅值分布较广，放电时间间隔不稳定，自由粒子的移动表现出随机性，在整个工频周期和工频相位均有放电信号分布。

(4) 导体尖端放电信号特征：处于高电位或低电位的金属毛刺或尖端，由于电场集中，产生的SF6电晕放电。放电次数较多，放电幅值分散性小，时间间隔均匀，通常仅在工频相位的半周出现。

GIS局放在线智能诊断系统基于多年积累的GIS局部放电的真实有效数据，对干扰信号和典型缺陷谱图进行特征提取、辨识，通过专家分类算法、模糊逻辑学、人工神经网络，遗传算法和干扰滤波器，形成了一个高度准确的混合专家诊断系统。通过现场采集接收到的特高频信号，比对信号的相位特征、幅值大小自动判断监测到的局放类型并进行分类。

从统计学角度来说，样本数越多，统计结果越准确。GIS局放在线智能诊断系统尽可能多的收集样本信息，事件数据是所有超过门限参数的信号的记录。这个数据可以帮助指示出信号是连续性的还是间歇性的，专家诊断系统可准确的确定引起信号的最可能的原因，对GIS的状态进行准确的判定。

2.2 数据展示

信号脉冲图谱作为统计工具，是确认局部放电及判断放电类型的重要依据。GIS局放在线智能诊断系统自动统计和绘制各类信号脉冲图谱并展示，为GIS设备运行状态提供依据。

2.2.1 PRPS图谱

PRPS图谱为三维图谱，将脉冲信号按照工频相位-幅值-工频周期三个维度进行绘制。PRPS图谱记录了最近若干个周期脉冲信号的工频相位-幅度分布情况。GIS局放在线智能诊断系统展示实时动态PRPS图谱，可以帮助用户了解幅值、相位特征、信息密度。

2.2.2 PRPD图谱

PRPD图谱为三维图谱，将脉冲信号按照工频相位-幅值-脉冲数三个维度绘制。PRPD图谱可以看成是PRPS图谱在工频周期-幅值平面上的长时间累积，是判断局部放电类型的重要依据。当在PRPS实时图谱上查看到局放信号后，运行人员可以选择查看该传感器历史累积的PRPD图。

2.2.3 专家诊断结果

每个事件的专家诊断结果，是根据累计15 min的采集数据经过由专家诊断系统自动识别并给出的结果，显示的百分比为信号类型的可能性。统计数据量越大结果越准确，巡检人员可以选择“累积数据”功能，对有疑似局部放电信号的特高频传感器通道的数据进行选择(4 h或1天，数据量大小可以根据范围选择)，诊断结果更准确，有助于巡检判断。

2.2.4 历史数据查看

历史数据图可以表现为表格形式或曲线图形式，每个采集点间隔为15 min。在曲线图中X坐标为时间，Y坐标为幅值，历史数据查看范围可以根据实际需要选择查看时间和传感器进行查看。当GIS内部发现局部放电且未对GIS进行拆解时，运行人员选择测试到局放信号的传感器，选取从发现局部放电信号开始至查看日的历史数据，通过曲线的变化，判断该信号是否恶化，进而制定停电检修计划。

2.3 多局放源识别

在GIS设备运行过程中，在一个传感器测试范围内，不同位置可能存在多个局部放电信号，多个局部放电信号叠加，对局放在线监测系统的判断造成极大干扰,存在漏检或误判的情况，对此需要收集详实的数据信息。现场采集单元根据输入脉冲信号的电平自动触发并完成信号的捕获，同时计算脉冲的幅值、功率、频次、首半波时长、全时长等参数，并记录工频相位、到达时间、原始波形等信息。

现场采集单元对于捕获到的每一个脉冲，计算其首个半波时长T1(ns)和全时长T2(ns)。对于不同放电源发出的脉冲信号，其T1和T2通常是不相同的，因此可以通过脉冲在T1-T2平面的分布位置不同分离不同放电源信号，实现多局部放电源的检测和识别。

2.4 局部放电自动定位

局部放电源的精确定位，常用的方法有“幅度比较法”和“时差比较法”。GIS局放在线智能诊断系统使用“时差比较法”对GIS中的局部放电源进行自动定位。

2.4.1 幅度比较法

通过比较2只不同位置的传感器接收到的信号幅值来判断放电源的位置，认为距离信号源更近的传感器接收到的信号幅值更大。这种定位方法可以作为参考，但也有局限性。原因是GIS的结构对信号传输时的衰减影响较大，有时会使得距离局部放电源近的传感器接收到的信号反而小。

2.4.2 时差比较法

通过计算放电脉冲到达2个传感器的时间差来计算局部放电源的位置，如图1所示。在SF6介质中，局部放电射频信号以光速传播，速度约为0.3 m/ns。可以将检测仪器通过2根等长的同轴电缆连接至2个传感器，在已知2个传感器之间距离的情况下，当局部放电源位于2个传感器之外时，放电信号到达两传感器的时间差乘传播速度应等于两传感器的间距；当局部放电源位于两个传感器之间时，放电信号到达两传感器的时间差乘传播速度应小于两传感器的间距，此时使用以下公式可计算出局部放电源到先收到信号的传感器的距离。

图1 时差比较法原理

式中，d为局部放电源距离先收到信号的传感器1的距离(m)；D为传感器1和传感器2间的距离(m)；t为局部放电脉冲到达两传感器时间差(ns)。

时差比较法技术难度较高，对于脉冲起始位置的检测、时间差的计算和定位结果的统计均有很高的技术要求。现场采集单元内置精确时钟，可以记录所有通道中每个脉冲到达的时间(ns级)。如图2所示，传感器1和传感器2捕获到局部脉冲信号，现场采集单元对脉冲信号进行预处理，保存了每个通道每个脉冲的精确到达时间。在定位时，其针对传感器1中的每个脉冲，在传感器2中查找与其到达时间接近的脉冲配成一对，并根据设置的传感器间距自动计算这一对脉冲的时间差，得出一个定位结果。对所有脉冲全部计算后即得到沿传感器间距范围内的统计分布结果，显示在定位结果统计栏。当多个现场采集单元进行同时连接时，现场采集单元通过光纤进行ns级授时，实现不同现场采集单元之间采集的局部放电信号准确定位。

图2 定位逻辑

3 应用实例

GIS局放在线智能诊断系统已成功应用于某变电站220 kV GIS场地，GIS为河南平高电气股份有限公司生产，2016年制造，双母线结构，主母线共箱，出线三相分箱，一共7个间隔(2个出线间隔，2个主变间隔，1个母联间隔，2个PT间隔)，所有间隔绝缘盆子都不带金属屏蔽环安装，配置21个传感器，4个现场采集单元，实现220 kV场地GIS设备局部放电信号在线状态监测、实时数据采集、放电类型识别、数据分析、局部放电定位、数据信息图表化等功能。

相比传统GIS在线监测系统，此次研发的GIS局放在线智能诊断系统能实现局部放电信号准确识别、及时告警、局部放电信号定位，减少了繁复的人工定位工作，具备更好的人机交互效果，能为变电站运行人员提供更直观、智能的技术支持。

4 结束语

GIS局放在线智能诊断系统通过GIS内局部放电的特征，基于特高频检测法、时差比较法等原理，运用局放信号类型诊断技术、多局放源识别技术、局部放电自动定位技术、成功实现了对GIS内部局部放电信号的监测。系统对局放类型识别准确，数据展示完善，可为持续监控GIS运行状态、开展状态检修提供数据支撑，提高了GIS局放在线监测系统的巡维技术水平。该系统在变电站的应用验证了系统的实用性及有效性。