基于交叉比对的UHF-PD在线监测装置现场校验方法

李楠，李松原，尚学军，郭博文，李琳，祖国强，侯恺

(1. 天津大学 电气自动化与信息工程学院，天津 300072；2. 国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384)

0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）采用SF6气体作为绝缘和灭弧介质，将断路器、隔离开关、接地开关、互感器、套管、避雷器、母线等元件封装在一密闭接地金属壳体中[1]。由于SF6灭弧性能良好，GIS设备具有结构紧凑、占地面积小、安装方便、运行维护简单、检修周期长等优势，广泛应用于110～1 000 kV 变电站中[2]。局部放电（PD）作为 GIS绝缘劣化前兆和重要表征，已在国内外开展过广泛研究，并取得丰厚的成果[3-8]。目前关于GIS局部放电检测方式主要包含特高频、超声波、高频电流和暂态地电压等[9-12]，其中特高频检测方式具有检测频带高、抗噪特性好等优势，在目前局部放电检测中广泛应用。GIS局部放电的特高频检测主要采取带电检测和在线监测2种方式实现。由于局部放电具有很强的随机性，带电检测过程中很可能出现漏检现象，因此在线监测对GIS设备安全稳定运行至关重要。实现GIS在线监测需要依托于前端传感器，其主要负责接收局部放电电磁波信号，并将其转化为电压信号传输至后端数据中台，开展局部放电缺陷分析。目前特高频局部放电传感器的部署方式主要分为外置式和内置式2种。外置式传感器主要应用在带电检测、重症监护中，具有应用方便、检测高效、经济性好等优势，但由于部署在GIS外部，容易受到噪声干扰[13]。内置式传感器则集成到GIS本体制造中，具有检测灵敏度高、信噪比高等优势，主要应用于在线监测系统[14-15]。

受到生产工艺、安装水平、工作环境等多种因素制约，在运行一段时间后需要对传感器工作特性进行校验。对于内置式传感器，由于其安装在GIS内部，不能方便地进行拆卸、校验[16-17]。国际大电网CIGRE提出采用注入陡脉冲的方式对已安装的传感器进行校验[18-20]。文献[21]将该方法成功应用于GIS中, 并取得良好效果。该方法认为待测传感器能够检测到明显信号则性能达标，但并未对检测信号幅值作出明确规定，难以对传感器性能开展进一步精益化评价。文献[22-25]则考虑GIS结构、信号衰减、传感器特性等方面影响，提出与标准传感器进行幅值比对方式对待校验传感器性能进行评价。针对内置式传感器，该方法需要在停电状态下获取同一缺陷在内置待校核传感器与外置标准传感器侧检测幅值间的对应关系。在现场应用中，停电试验难度较大，且针对不同GIS腔体结构需要重新校核，应用通用性受到限制。

为更好贴合现场实际情况，本文提出一种特高频局部放电（UHF-PD）内置传感器现场校验精益化评价方案，其采用内置传感器注入方式对待校核传感器进行灵敏度校验，通过交叉比较方式更为简洁地体现传感器灵敏度差异。通过对某变电站200余组传感器进行现场校验，共发现存在问题传感器14组，其中灵敏度下降5组，传感器安装位置不合理2组，采集板故障7组。

1 现场校核影响因素分析

目前应用较为广泛的特高频局部放电在线监测装置现场校验方法是基于CIGRE TF15/33.03.05条文加以实现的，其本质是采用人工脉冲代替5 pC局部放电量以校核传感器的信号接收情况，当待校核传感器能够接收到相应信号时，判定传感器工作特性正常。其具体实现方式如下。

在组合电器缺陷模拟平台上，模拟组合电器内部发生局部放电，利用脉冲电流法检测放电量，并将参考特高频传感器置于C2点处，如图1所示。调节放电量大小，当视在放电量为5 pC时，记录C2点处特高频信号幅值A，用于后续与人工脉冲源信号进行比较。

图1 实验室内传感器部署Fig. 1 Location of sensors in the lab

消除设备缺陷后，在C1处将人工脉冲产生的特高频信号注入组合电器，经内部传播后，利用特高频传感器C2进行检测，检测幅值为B。通过不断调节人工脉冲信号幅值，直到幅值A和B基本相等（A=B±20%），即可获得与5 pC放电量等效的人工脉冲信号，用于现场传感器校验。经过反复试验，最终确定人工脉冲信号幅值为20 V时，可模拟5 pC放电量。

考虑到传感器性能参数、部署方式以及GIS腔体结构上的差异对局部放电信号衰减的复杂影响，仅根据检测到的绝对幅值去判断传感器性能很难保证一致性。因此，有必要对GIS中影响局部放电信号衰减的关键因素开展深入分析。

1.1 特高频传感器关键性能参数

对于特高频局部放电传感器，平均等效高度是反映其检测灵敏性与准确性的关键性能指标，其主要表征特高频传感器将电磁波信号转化为电信号的能力。

式中：U(f)为传感器接收到的电压幅值；E(f)为传感器所在位置的场强；H(f)为传感器的等效高度。

对于同样的局部放电信号，等效高度越高，则检测到的幅值越大。根据国家电网有限公司企业标准Q/GDW 11311—2014相关要求，特高频传感器经GTEM小室进行标定且平均等效高度值应达到 8 mm。

1.2 特高频传感器部署形式

特高频传感器的部署形式主要分为外置式和内置式2种。其中外置式部署方式相对简单，可通过与标准传感器对比验证待校核传感器性能[22]。

对于内置式部署形式，其与GIS腔体设计为一体化结构。相比于外置形式，内置式传感器在抗干扰性能上具备优势。但由于现场校核过程中无法将标准传感器放置于GIS腔体中，缺乏基准参考，仅通过绝对幅值量测对传感器性能进行评判存在很大的不确定性。

1.3 GIS腔体结构对局部放电信号传输影响

GIS的腔体结构主要可分为T型、L型和直筒型。根据现有文献，局部放电特高频信号在经过T型和L型拐角时信号幅值衰减较大，在直筒腔内传输时衰减较小。然而该类数据大多基于实验室内部获得，腔体结构与现场情况存在差异，难以根据检测到的绝对幅值去判断传感器性能的优劣。

综上可知，基于传感器绝对幅值的量测更适用于以标准传感器作为基准的情况，如外置式特高频传感器。而对于内置式传感器而言，亟须提出一种通用性强、现场易实施的新型校验方案，有效减少绝对幅值量测误差对传感器性能校验的不良影响。

2 测试方案

GIS局部放电在线监测系统部署方式如图2所示，其采用远程终端采集单元(remote terminal unit, RTU)通过同轴电缆与内置式传感器进行连接。在RTU内部经过信号处理后，通过光纤将数据传输至数据后台，进行数据展示与分析工作。现场传感器部署位置分别位于断路器两侧CT气室和刀闸气室，如图3所示。

图2 局部放电在线监测系统现场部署Fig. 2 Diagram of the on-line partial discharge monitoring system

图3 传感器现场部署示意Fig. 3 Field deployment of sensors

在进行传感器灵敏度现场校验时，需先将某一路同轴电缆拧开，用脉冲信号发生器将在实验室内获得的5 pC等效脉冲信号注入相应传感器中，在数据后台观察与其相邻待校核传感器的信号接收情况，并进行记录。与CIGRE TF15/33.03.05提出的传感器灵敏度校验方法有所区别，本文提出的交叉比对式校验方案不仅记录待校核传感器是否接收到信号，还对信号的幅值进行记录。由于传感器在GIS三相结构中的部署位置基本对称，通过控制单一变量方法对三相发射/接收信号、相邻传感器发射/接收信号进行交叉比对分析，即可对待校核传感器的性能进行快速判断。由于所有传感器既是待校核传感器又是基准传感器，因此有效降低了绝对幅值量测对传感器性能判断的不良影响。

交叉比对式现场校验方案的具体操作过程如下。

（1）根据变电站内特高频局部放电在线监测装置的安装图（图4）选择待校核传感器以及与其相邻的信号注入传感器。图4中，当选择25号传感器作为待校核传感器时，28号、37号传感器则为信号注入端；选择37号传感器作为待校核传感器时，25号传感器则为信号注入端。

图4 GIS特高频局部放电传感器现场安装Fig. 4 Field installation of UHF-PD sensors in GIS

（2）根据待校核传感器与信号注入传感器的对应关系，制定传感器校验数据记录表格。

（3）在现场RTU机柜侧拧开信号注入传感器与相应采集板间同轴电缆，向传感器侧注入5 pC等效脉冲信号，并在后台记录待校核传感器接收信号幅值。

（4）根据数据记录结果对传感器运行状态进行分析。典型问题包括传感器灵敏度下降、传感器部署位置不合理和RTU侧采集板故障3种类型，其对应的判别依据如下。①传感器灵敏度下降。对于互为注入/待校核的一组传感器，记为X和Y。当X传感器处于待校核状态时，只能接收到Y传感器侧注入的大于20 V的脉冲信号（本文中5 pC等效脉冲信号幅值为20 V）；而将Y传感器作为待校核传感器时，能够检测到X传感器侧注入的20 V等效脉冲信号。在此基础上与X、Y传感器所处间隔的其他两相进行横向比对（X、Y传感器均处于A/B/C的同一相中），当其余两相传感器在20 V等效脉冲作用下均能够检测到正常信号时，则判定X传感器运行状态为灵敏度下降。②传感器部署位置不合理。对于互为注入/待校核的一组传感器，记为X和Y。当X、Y分别作为待校核传感器且仅能接收到对端注入的大于20 V的等效脉冲信号时，初步判定X、Y传感器部署位置不合理或2个传感器灵敏度均有所下降。在此基础上针对X、Y传感器分别选取其他相邻传感器作为注入端，当注入脉冲信号幅值为20 V且X、Y传感器接收信号正常时，判定X、Y传感器运行状态为部署位置不合理。③RTU侧采集板故障。对于待校核传感器及其相邻信号注入传感器，当注入脉冲信号幅值达到输出装置极限（本文中脉冲信号发生装置的最大输出信号幅值为200 V），但待校核传感器仍不能接收到有效信号，而与本间隔相邻的其他两相信号注入/接收正常时，推断为传感器本体故障或RTU侧采集板故障。在此基础上将待校核传感器作为信号注入端，而将其相邻传感器作为信号接收端，当其能够采集到有效信号时，判断该传感器运行状态为RTU侧采集板故障。

综上所述，传感器交叉比对式现场校验流程利用数字化技术将传感器运行状态判别逻辑嵌入至数据采集表中，可有效提高工作效率，通过传感器运行状态初步辨识可大幅度降低运维人员工作量。

3 现场验证与分析

根据DL/T 617—2010《气体绝缘金属封闭开关设备技术条件》相关规定，单个绝缘件允许的最大局部放电量不应大于3 pC[26]。因此，采用CIGRE 推荐方式向 500 kV GIS中注入 5 pC 等效局部放电信号时，都应至少存在1个相邻传感器能够检测到信号，才能满足GIS内部缺陷监测无死角的要求。

根据某变电站特高频局部放电在线监测装置的现场部署位置图，编制局部放电信号注入传感器与其周围待校核传感器的信息汇总表，如图5所示。其中图5 a)为CIGRE推荐方式下的信息汇总表，图5 b)为交叉比对方式下的信息汇总表，两者在工作量上不存在明显差异，对于运维人员不会产生额外负担。

图5 信息汇总表形式比对Fig. 5 Comparison between CIGRE recommended method and cross-check algorithm

对某变电站200余组传感器进行现场校验，利用文章提出的交叉比对式校验方法成功发现灵敏度下降、安装位置不合理、RTU侧采集板故障3种典型问题，现对各问题选取典型案例开展分析。

3.1 传感器灵敏度下降

25号传感器位于C相T011-2 CT气室，28号传感器位于C相T01167刀闸气室，部署位置如图6所示。对25号、28号传感器互为发射、接收情况下采集到的信号进行分析，在25号传感器侧注入20 V等效脉冲信号时，28号传感器不能检测到信号；将注入脉冲信号水平提高至40 V时，28号传感器检测到的特高频信号幅值才与28号传感器侧注入20 V等效脉冲信号，而且25号传感器检测到的特高频信号幅值大体一致。通过横向比对B相（29号、26号传感器）、A相（30号、27号传感器）发射/接收信号情况，其传感器部署相对位置与C相保持一致，但仅需注入20 V等效脉冲信号即可在待校核传感器侧检测到相应幅值信号，证明28号传感器灵敏度有所下降，具体情况如表1所示。

图6 25、26、27、28、29、30号传感器现场部署示意Fig. 6 Field deployment of sensors No.25, 26,27, 28, 29, 30

表1 传感器25、26、27、28、29、30号注入与接收情况Table 1 Input and output signals of sensors No.25, 26,27, 28, 29, 30

3.2 传感器部署位置不合理

10号传感器为C相出线分支气室1，18号传感器为C相出线分支气室2，如图7所示。对于10号、18号传感器互为发射、接收情况进行分析，2个传感器响应特性基本一致，但与A（12号、16号）、B（11号、17号）两相横向比对发现，发射脉冲信号幅值达到40 V时，10号、18号传感器才能检测到特高频信号，但幅值水平相比于A、B相20 V发射水平下检测到的特高频信号幅值还要低，如表2所示。在此基础上，以13号传感器作为注入端注入20 V等效脉冲信号时，10号传感器检测幅值正常，证明10号传感器灵敏度未有明显下降。基于此，判断10号，18号传感器部署位置相隔较远，需要适当降低传感器报警阈值。

图7 10, 11, 12, 16, 17, 18号传感器现场部署示意Fig. 7 Field deployment of sensors No.10, 11, 12, 16,17, 18

3.3 RTU侧采集板故障

70号传感器位于B相T022-2母线CT气室，82号传感器位于B相线分支气室1，89号传感器位于B相T023-1 CT气室，86号传感器位于B相T02367刀闸气室，具体部署情况如图8所示。根据表3所示，70号、82号、89号传感器作为输入端时，即便将输入幅值提升至最大值200 V，86号传感器也不能接收到信号。而横向比对A相（87号、90号）、C相（85号、88号）发现，发射脉冲信号水平为20 V时，待校核传感器均能接收到相应幅值信号，基于此推测为86号传感器本体或对应RTU侧采集板故障。86号传感器作为输入端时，89号传感器能够接收到信号，证明86号传感器本体无故障，由此推断86号传感器存在问题为RTU侧采集板故障。

图8 70、82、86、89号传感器现场部署示意Fig. 8 Field deployment of sensors No.70，82，86，89

表3 传感器70、82、86、89号注入与接收情况Table 3 Input and output signals of sensors No.70,No.82, No.86, No.89

4 结论

文章提出一种适用于内置式特高频局部放电在线监测装置的现场校验精益化评价方法。首先根据CIGRE TF15/33.03.05提出的方案在实验室内部获取5 pC局部放电等效脉冲。在充分分析传感器特性、部署形式、信号传输路径等因素对特高频传感器现场校验产生的影响后，提出一种基于相对幅值比较的交叉式比对方案。通过不同相间的横向比较、互为发射/接收情况下的镜像比较等交叉比对方式，有效地发现灵敏度降低、安装位置不合理、RTU侧采集板故障3种传感器典型问题。该方法采用相对幅值代替绝对幅值对传感器性能进行评价，在一定程度上解决了因缺少标准传感器基准导致的评价不一致性问题。虽然在单次校验工作中需要对更多数据进行记录，但工作量相比于CIGRE TF15/33.03.05推荐方法并无明显增加，且对传感器评价精益化水平更高，提升了单次校验效率，从本质上提高了传感器校验水平。