浅谈局部放电在线监测系统在GIS设备中的应用

国网浙江省电力公司宁波供电公司 凌 梓 白冉明 曹 勇 高垚冲

随着电力系统的不断发展，电力系统对于可靠性的要求也越来越高，因此对设备的状态监测以及故障诊断的需求也越来越迫切。在众多的设备状态监测手段中，局部放电在线监测系统以其独特的优点被广泛应用于电力设备状态监测当中。其具有以下优点：成本较低，传感器采用的是固态元件，体积较小，可以方便地安装在GIS内部。适应性强，可以对GIS内部任何位置发生的放电进行有效监测，且不受地理环境条件的影响。抗干扰能力强，可以实现对多个传感器同时进行测量，并且数据之间不存在相互干扰。分辨率高，能够对局部放电信号进行高精度检测。本文以某供电公司的实际应用为例，对局部放电在线监测在GIS设备中的应用进行研究，以供参考。

1 GIS局部放电在线监测

1.1 局部放电的概念

局部放电是指电气设备中由于电场强度超过了其耐受能力而形成的放电现象。在实际运行中，GIS内部绝缘介质会因电场强度过高而产生局部放电现象，是指气体绝缘组合电器（GIS）内部发生的局部放电现象。根据不同的放电方式，局部放电量和频率有所区别[1]。不同的放电方式产生的局部放电的机理也不一样，因此，其对GIS设备绝缘状态的影响也不尽相同。

局部放电参数。放电电荷是指在一定电压下，把一个包含有空间电荷的电场矢量作用到绝缘介质表面上，并使该表面产生放电，并在电场中观察到了一个持续时间很短的放电脉冲（或称脉冲）。这个放电脉冲可能是直流、方波或正弦波，也可能是各种频率的随机脉冲。对绝缘介质来说，这种放电通常是以空间电荷为基础的[2]。

图1（a）中，c表示存在于媒介中的空气间隙，b表示与该空气间隙相连接的媒介，a表示不同于b媒介的其他媒介。在图1（b）中，残余的介质的容量表示为Ca，气隙泡的电容表示为Cb，气隙泡的电容是Cc，剩余介质的电阻是Ra，与气隙泡串联的介质的电阻是Rb，气隙泡的电阻是Rc。在放电过程中，会造成Cc上电压下降Δuc时，各电容间电荷量都会变化，因此Ca上电压也会下降Δua，且遵循以下公式：

放电的能量。根据放电时所处的电场位置，放电可分为沿面放电、悬浮放电和电晕放电。沿面放电是指在绝缘介质内部存在着一定的空间电荷时，当电压作用在绝缘介质上时，由于电场强度的作用，使得沿绝缘介质表面上产生的离子或电子对周围的空气介质进行电离，并产生局部电场，强度超过了气体击穿强度时就会产生放电[3]。由于绝缘介质表面与空气中有一定的空间电荷，所以这种局部电场比空气中的电场更强。这时就会在绝缘介质表面发生离子或电子对击穿，从而导致局部放电。

1.2 GIS局部放电在线监测系统

某公司GIS局部放电在线监测系统，就是利用安装在GIS外壳上的传感器接收超高频电磁波信号，经过放大、滤波、增益处理后，送到信号采集单元，来对放电信号的特点进行分析，并将处理后的信号传送到后台主站，进行分析判断，从而对GIS绝缘状况进行监控。如图2所示。

图2 系统结构原理图

GIS局部放电在线监测系统包括传感器、信号采集单元、信号传输单元和后台主站等部分。传感器主要安装在GIS的外壳上，通过对传感器的选型，可以确定其灵敏度、监测范围以及与GIS的匹配程度。信号采集单元主要由高频信号发生器、信号放大器和高精度采样放大器组成，采用多路模拟量输入的方式，对传感器测量的高频信号进行放大处理，再送至采集单元；高精度采样放大器主要由低通滤波器和高通滤波器组成，能有效去除高频干扰信号。

2 局部放电在线监测系统运行存在问题

2.1 局部放电在线监测系统的信号干扰及抗干扰措施

局部放电在线监测系统的主要干扰源为设备产生的各种电磁干扰，主要有以下几种：高频电磁场的干扰，如脉冲信号在高频电磁场中会发生反射、折射和衍射现象，同时高频电磁场也会对其他信号产生干扰；电磁场的辐射干扰，包括电磁辐射和电磁感应两种；雷电波干扰，雷电冲击会产生脉冲信号，在监测系统的前端会有感应电压存在[4]。

根据局部放电信号的特点和规律，可以采用如下抗干扰措施：利用对电子元器件采取屏蔽、接地、滤波等措施对电源进行隔离滤波；利用屏蔽电缆和金属外壳将监测终端设备与母线相连。在母线上增加接地端子；在信号传输线缆上安装滤波器；在通信网络上增加合适的抗噪声设备和软件滤波。

采用在线监测系统时，必须按照局部放电在线监测技术规程的要求对系统进行安装调试；并经过验收试验考核合格后才能投入运行。对于运行中的局部放电在线监测系统应进行定期维护、校验和调试，根据现场运行环境的变化情况及时调整在线监测系统的设置参数。保证系统处于正常状态。

加强对局放信号的分析，对于难以判断是否有局放发生的情况，要加强对局放信号的分析和研究，必要时采取在线监测方式进行判断；提高在线监测系统工作人员的素质和综合能力，如对工作人员定期进行局部放电在线监测技术知识和专业技术培训。

2.2 局部放电在线监测系统运行中的常见故障问题

在某供电公司实际运行中，GIS设备局部放电在线监测系统中还存在一些常见故障，主要包括以下几个方面。

局部放电在线监测信号源与传感器之间的匹配问题。由于局部放电在线监测系统采用的是高频信号，因此在使用过程中，需要对高频信号进行滤波处理，以保证测量结果的准确性。但在实际运行中，由于监测系统设备与传感器之间的匹配问题，可能导致传感器损坏或丢失信号。另外，由于变压器油和SF6气体中含有水分，在干燥过程中也会吸收部分低频信号，导致监测系统所获得的高频信号幅度减小或失真。

高频放大器的稳定性问题。对于放大器来说，如果放大器本身性能不够稳定，或者由于受外界环境因素影响造成放大器在使用过程中发生性能下降，将会对监测结果产生影响。当系统检测到高频信号时，如果放大器的频率响应不够灵敏或者噪声抑制能力不够，将导致系统检测到的信号出现偏差。

传感器输出信号品质问题。传感器是GIS设备中对局放测量最为敏感的部件之一，如果传感器输出信号品质不够好，或传感器本身质量不佳将会导致监测结果出现偏差。另外，当系统检测到局放信号较强时，若传感器输出电压过低也会造成监测结果出现偏差。

监测系统与GIS设备间通讯问题。在GIS设备运行过程中，需要将监测系统采集到的局放信号通过以太网、无线等方式传输给GIS设备进行处理。但是在实际运行中存在着多种因素，会造成数据传输不稳定或者中断情况，比如系统本身或通讯电缆质量问题、光缆中断、自然灾害等因素。

3 提高监测系统应用的适用性

针对存在的问题，本文以某供电公司GIS设备为例，分析在GIS设备中应用局部放电在线监测系统的必要性，并针对其存在的问题，提出提高监测系统应用适用性的措施。

3.1 提高设备运行安全可靠性

目前，在GIS设备中应用的局部放电在线监测系统，对于传感器的工作环境要求较高，如在运行过程中遇到雷电、静电等干扰时，局部放电信号会受到严重干扰而使监测信号失真，造成无法准确判断设备故障原因[5]。

加强GIS设备安装过程中的质量控制和验收工作，确保设备安装质量符合设计要求；对于局部放电在线监测系统中的传感器，在安装时必须考虑到安装的环境情况。如避免传感器被其他物体遮挡，保证传感器接收信号的准确；对于运行过程中出现的异常放电现象，应及时进行分析处理，并通过现场停电检测和色谱分析等方法查明原因并消除异常放电现象。

3.2 降低设备维护成本

局部放电的在线监测系统必须有针对性地进行设计，满足不同的设备特点。如在GIS设备中，可以根据其结构形式、电压等级、内部电场强度、空间电荷分布情况以及局部放电波形等特征参数，设计专用的信号处理单元和分析软件，来对其内部局部放电信号进行检测、识别和分析。

例如，在GIS设备中，GIS的内部空间是有限的，其电场强度比较大，因此对空间电荷分布的测量就必须用到超声波传感器。当检测到内部局部放电时，通过超声波传感器就可以获取到放电信号；当检测到的信号比较微弱时，通过增加电流放大模块也可以获取到更大的有效信号。同时，考虑到GIS设备的内部空间比较大，为了防止检测到的局部放电信号被其他因素干扰，可以使用超声波传感器作为前置放大器，通过前置放大模块将信号进行放大后送入主放大器。

当主放大器输出信号较弱时，还可以采用电流放大模块作为前置放大单元，并配合低噪声放大电路来实现对较弱信号的有效放大。由于GIS设备内部的空间比较小，空间电荷分布也比较复杂，因此在设计时必须根据现场的实际情况进行局部放电信号检测和识别分析。为了方便用户分析处理数据，还需要设计一个良好的数据分析软件，对GIS设备进行在线监测。

3.3 实现智能化管理变电设备

基于GIS设备的在线监测系统，在实现数据实时上传的同时，还应充分发挥其智能化管理作用：首先，在数据实时上传时，应注意数据的准确性，如GIS设备内部存在的各种缺陷、运行条件、环境因素等，都会对监测结果造成影响，因此数据必须具有真实性；其次，在数据分析时应注意数据的全面性，如将GIS设备放电类型、放电位置、放电强度等参数进行汇总分析，同时还应与运行数据、试验数据进行对比分析；再次，在智能管理时应注意对GIS设备故障类型进行分类，并根据故障类型采用不同的处理方法；对于同一设备的多个故障类型还可根据实际情况设置不同的阈值。

4 结语

GIS设备是电力系统中重要的电气设备，一旦其内部出现故障，将会直接影响到整个电力系统的安全稳定运行。由于GIS内部空间较大、又是密闭设备，容易出现内部放电故障，因此必须对其进行在线监测，及时发现内部放电隐患。通过对GIS局部放电在线监测系统的研究和分析，能够及时发现设备内部的故障隐患，提高电力系统的安全性和可靠性。在实际应用中，还需要进一步提高GIS局部放电在线监测系统的适用性，合理设置检测参数和检测方法，利用科学合理的手段及时发现设备内部的故障隐患，确保GIS设备的正常运行。