利用均压弹簧为探测器的GIS局部放电监测装置及方法

摘要

利用均压弹簧为探测器的GIS局部放电监测装置及方法，利用大多数GIS盆式绝缘子中的均压弹簧作为信号提取的传感器，再加上硬件处理和软件处理过程，实现对GIS局放在线监测，本发明的优点为：直接利用弹簧测试，不会对GIS产生任何影响，而且能利用多个弹簧同时测试达到故障定位的效果。根据均压弹簧本身特性，其频带覆盖到HF、VHF、UHF各个频段，测试选择比较多，根据现场干扰情况随时调节测试频带范围，具有在不影响一次设备运行的情况下，并能达到了在线式监测局放电目的。

说明书

技术领域

本发明属于电气设备绝缘监测技术领域，特别涉及一种利用均压 弹簧为探测器的GIS局部放电监测装置及方法。

背景技术

迄今为止，国内外用于GIS局部放电监测的方法有很多。主要分 为电测法和非电测法两大类，电测法主要包括脉冲电流法和超高频 法，非电测法主要包括声波测试法、化学测试法、光学测试法。其 中电测法的脉冲电流法主要应用于GIS出厂测试及实验室测试环境 中，不适合在线式现场应用；超高频法是在线式局放测试的主要测试 方法，目前包括内置式传感器及外置式传感器方式。非电测法的声测 法是超声带电测试的方式，主要是带电测试为主，不适合在线式测量； 光测法是指X射线成像法，但是被SF6气体和玻璃的强烈吸收，测 试不能精确的定位，所以不能应用于在线监测，但是对于已知的缺陷 测试比较合适；化学监测法是指用通过分析GIS中局放所引起的气体 生成物的含量来确定绝缘裂化的程度，在此过程中，使用各种化学试 剂和断路器的开合时候电弧的对分析结果较大，也不能作为长期的在 线监测方法。对适合在线监测的超高频方式两种提取信号的方式，外 置传感器式和内置传感器式，也都有各自的优缺点：外置式传感器安 装比较方便，无论是已经挂网运行的还是出厂新GIS都能方便的安 装，缺点是信号通过盆式绝缘子的透射衰减较大，对信号的灵敏度耦 合能力业界存在质疑，另外空气中的各种高频电磁波的干扰较大，对 于带有金属外壳的盆式绝缘子则没有办法安装；内置式传感器的方式 主要是通过在新设计GIS时，就留出传感器的安装位置，优点是耦合 局放信号的灵敏度较高，缺点是必须是新出厂的GIS设备才能安装， 对已经运行的则无法安装，另外内置式传感器在一定程度上影响GIS 本身的绝缘程度。

发明内容

为了克服上述现有测量技术上的不足，本发明的目的在于提供一 种利用均压弹簧为探测器的GIS局部放电监测装置及方法，利用大多 数GIS盆式绝缘子中的均压弹簧作为信号提取的传感器，再加上特殊 的硬件处理和软件处理过程，实现对GIS局放在线监测，本发明的优 点为：直接利用弹簧测试，不会对GIS产生任何影响，而且能利用多 个弹簧同时测试达到故障定位的效果，根据均压弹簧本身特性，其频 带覆盖到HF、VHF、UHF各个频段，测试选择比较多，根据现场干 扰情况随时调节测试频带范围，具有在不影响一次设备运行的情况 下，达到了在线式监测局放的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种利用均压弹簧为探测器的GIS局部放电监测装置，包括内置 于GIS盆式绝缘子15内的均压弹簧1，均压弹簧1的一端与信号传 输线2连接，另一端保持开路状态，信号传输线2的另一端连接保护 单元3的信号输入口；保护单元3的另一输入口用高频电缆11连接 内置传感器10信号输出接口，保护单元3的输出口通过同轴电缆线 4连接到调理单元5的输入口；调理单元5的输入口通过信号线6连 接采集单元7的输入口，采集单元7的输出口通过数据线8连接到测 试主机9的输入口，从测试主机9的输出口连出的控制I/O线12连 接到采集单元7和调理单元5的控制端口。

一种基于上述装置的GIS局部放电监测方法，包括以下步骤：

第一，将GIS设备17一端用绝缘密封盖18密封住，另一端透过 绝缘密封盖18在母线导体16上加高压，在GIS设备17封闭的内部 充有FS6气体13，其中盆式绝缘子15内部的均压弹簧1距离绝缘缺 陷14为1米，内置传感器10距离绝缘缺陷14为1米；

第二，内置传感器10通过高频电缆11连接到GIS局放检测设备 保护单元3的信号输入口，同时把均压弹簧1的一端开路，另一端通 过信号传输线2连接到GIS局放检测设备保护单元3的另一个信号输 入口，选用的GIS局放检测设备必须有双通道同时采集的能力；

第三，打开GIS局放检测设备的测试主机9内的系统软件，启动 主程序中的单周期采集程序，并且两个通道信号在时域上显示原始波 形，以便对比两个通道的放电信号的时域脉冲波形；

第四，给GIS设备17内的母线导体16上加高压，使缺陷14处 产生明显的放电信号，启动测试主机9内的单周期采集命令，使采集 时间为20ms，采样率为100MS/s，得到单周期20ms内的时域波形， 再次单周期采集，在时间轴上选择放电幅值最大的脉冲，在时间轴上 拉开，使两路信号在选择时间长度上一致，以便清楚对比在同一个时 间点上放电脉冲的幅值大小，脉冲幅值越大表示对放电耦合能力越 强，通过两个通道在时域上的两脉冲的时间差，通过软件计算，可以 初步起到定位作用，即确定测试点距离放电源位置的远近；

第五，启动主程序中的50工频周期测试程序，使两个通道分别 完成50个工频周期采集与分析，得到各自最终测量的放电谱图，对 比两个通道的放电谱图，来进一步验证均压弹簧1和内置传感器10 分别所耦合的放电信号的连续性、有效性及准确性。

由于本发明采用GIS设备中盆式绝缘内的自带均压弹簧1作为局 放信号的传感器使用，所以要对弹簧本身的性能做性能分析，查看弹 簧是否符合，局放探测器的几个重要参数要求：频带要求，驻波比要 求，辐射方向要求，带内增益要求，输入阻抗要求等。根据弹簧尺寸、 形状及应用的环境，用专业的天线仿真软件HFSS做仿真结果所示： 弹簧频带500MHz到1.5GMHz，如图2所示，带内驻波比Z<3如图 2所示，辐射方向垂直于弹簧绕线方向如图4所示，带内增益-3dB如 图3所示，带内输入阻抗为150欧，证明均压弹簧作为局放探测器是 可以耦合到局放信号，但是需要加匹配阻抗转换器，本发明匹配转换 器含在保护单元3中。

附图说明

图1为本发明系统结构图。

图2为本发明方法弹簧仿真的驻波比图。

图3为本发明方法弹簧仿真的增益图。

图4为本发明方法在弹簧仿真的辐射方向图。

图5为本发明测试方法实验室测试验证过程结构图。

图6为本发明内置传感器通道信号和均压弹簧通道信号对比示意 图。

图7为本发明同一个时间点内置传感器通道信号和均压弹簧通道 信号对比示意图。

图8为内置传感器测试统计谱图。

图9为均压弹簧测试得出的统计谱图。

图10为系统软件结构组成结构关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1、2，一种GIS局部放电在线监测方法，是利用GIS中 盆式绝缘子内的均压弹簧作为局放探测器使用，测试局放信号，并与 内置传感器做个比较，验证这种方法的可行性。另外在现场测试时， 遇到对局放源不确定的情况下，也可用此方法测试进行验证，并且与 内置传感器做对比分析，进一步验证GIS内部是否存在缺陷，并进一 步确认缺陷的程度。具体验证过程包括以下步骤：

实验室验证过程

一种利用GIS中盆式绝缘子中的弹簧作为局放探测器与GIS内 置传感器的对比测试确定GIS内部故障的方法，实验中的GIS局放 检测设备是由保护单元3、调理单元5、采集单元7、测试主机9及 各个模块的信号连接线组成，具体参照图1，一种利用均压弹簧为探 测器的GIS局部放电监测装置，包括内置于GIS盆式绝缘子15内的 均压弹簧1，均压弹簧1的一端与信号传输线2连接，另一端保持开 路状态，信号传输线2的另一端连接保护单元3的信号输入口；保护 单元3的另一输入口用高频电缆11连接内置传感器10信号输出接 口，保护单元3的输出口通过同轴电缆线4连接到调理单元5的输入 口；调理单元5的输入口通过信号线6连接采集单元7的输入口，采 集单元7的输出口通过数据线8连接到测试主机9的输入口，从测试 主机9的输出口连出的控制I/O线12到采集单元7和调理单元5控 制端口。

如图5、图10所示，一种基于上述装置的GIS局部放电监测方 法，包括以下步骤：

第一，将GIS设备17一端用绝缘密封盖18密封住，另一端透过 绝缘密封盖18在母线导体16上加高压，在GIS设备17封闭的内部 充有FS6气体13，其中盆式绝缘子15内部的均压弹簧1距离绝缘缺 陷14为1米，内置传感器10距离绝缘缺陷14为1米；

第二，内置传感器10通过高频电缆11连接到GIS局放检测设备 保护单元3的信号输入口，如图5所示，同时把均压弹簧1的一端开 路，另一端通过信号传输线2连接到GIS局放检测设备保护单元3 的另一个信号输入口，选用的GIS局放检测设备必须有双通道同时采 集的能力；

第三，如图6所示，打开GIS局放检测设备的测试主机9内的系 统软件，启动主程序中单周期采集程序，并且两个通道信号在时域上 显示原始波形，以便对比两个通道的放电信号的时域脉冲波形。

第四，给GIS设备17内的母线导体16上加高压，使绝缘缺陷 14处产生明显的放电信号，启动测试主机9内的单周期采集命令， 使采集时间为20ms，采样率为100MS/s，得到单周期20ms内的时域 波形，如图6所示，方便对比两个通道在一个工频周期内的放电脉冲 幅值大小，从图6上可以清楚看到内置传感器信号幅值为10mV左右， 而均压弹簧通道信号为35mV左右。再次单周期采集，在时间轴上选 择放电幅值最大的脉冲，在时间轴上拉开，使两路信号在选择时间长 度上一致，以便清楚对比在同一个时间点上放电脉冲的幅值大小，从 图7上可以清楚看到内置传感器信号幅值为20mV左右，而均压弹簧 通道信号为110mV左右。脉冲幅值越大表示对放电耦合能力越强， 以此说明本发明的测试方法比内置传感器对放电信号耦合能力强，而 且通过两个通道在时域上的两脉冲的时间差，通过软件计算，可以初 步起到定位作用，即确定测试点距离放电源位置的远近。

第五，启动主程序中的50工频周期测试程序，使两个通道分别 完成50个工频周期采集与分析，得到各自最终测量的放电谱图，图 8为内置传感器测试统计谱图，图9为均压弹簧测试得出的统计谱图， 对比两个通道的放电谱图，来进一步验证均压弹簧1和内置传感器 10分别所耦合的放电信号的连续性、有效性及准确性。

本发明测试结果表明：从单周期数据来看，本发明能有效的耦合 到放电脉冲，且幅值大于内置传感器耦合到的放电脉冲幅值，说明利 用均压弹簧作为局放探测器性能好于内置传感器性能，是可以加以应 用。从两路信号的统计放电谱图来看，均压弹簧为探测器通道放电量 10.1pC，放电次数161次，放电相位集中在-340°到60°之间及160 °到220°放电集中度在整个工频相位非常明显；内置传感器通道的 放电谱图，放电幅值11.3，放电次数175，放电相位集中在100°到 160°之间和270°到340°之间，放电集中度在整个工频相位非常明 显，对比两路放电信号的统计谱图可以看出，都能对信号有效的耦合， 能准确的描绘出放电统计量。

图中：1为均压弹簧；2为信号传输线；3为保护单元；4为同 轴电缆线；5为调理单元；6为信号线；7为采集单元；8为数据线； 9为测试主机；10为内置传感器；11为高频电缆；12为控制I/O线； 13为FS6气体；14为缺陷；15为盆式绝缘子；16为母线导体；17 为GIS设备；18为绝缘密封盖。