一种用于GIS中局部放电测量和VFTO测量的系统

摘要

本发明公开了电气设备在线监测系统技术领域中的一种用于GIS中局部放电测量和VFTO测量的系统。所述系统包括探头、通路选择器、局部放电检测放大单元、VFTO二次分压单元、信号采集处理单元和示波器。该测量系统可使用一个探头进行GIS内局部放电和VFTO的测量，将原来的两套系统合并为同一系统，降低了GIS监测成本；通过特殊探头设计，提高了局部放电测量的灵敏度；通过优选VFTO二次单元设计，提高了VFTO传感器宽频带测量的平直度。

说明书

技术领域

本发明属于电气设备在线监测系统技术领域，尤其是涉及一种用于GIS中 局部放电测量和VFTO测量的系统。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)具有占地面积小、绿色环保、寿命长、 便于安装维护、易于控制等优点，在我国电力系统中得到大量应用，尤其是特 高压变电站，普遍采用GIS、HGIS电气设备。本发明中，发明人提出了一种可 同时用于GIS中局部放电监测以及VFTO测量的系统。

(1)局部放电测量

GIS局部放电是指发生在GIS绝缘结构中局部区域内的放电现象，包括：自 由金属颗粒放电、悬浮电位体放电、沿面放电、绝缘件内部气隙放电、金属尖 端放电等。

目前国内外利用局部放电产生电信号对其进行测量的系统及其缺点：

1)外壳电极法

于80年代由日本研制出来，其结构是在GIS外壳上敷设绝缘薄膜和金属电 极，外壳与金属电极间构成一个电容，可将高频放电信号耦合至检测阻抗上， 该阻抗上的信号可经放大最终得到GIS局部放电水平。这种方法的优点是结构 简单、较为实用，其缺点是易受外界干扰。

2)内部电极法

共有两种内部电极法。其一是1988年由英国研制出来的，该方法是在法兰 内部加装金属电极，该电极与外壳构成耦合电容，以提取局部放电的脉冲信号。 其二由日本于1983年研制成的，是在盆式绝缘子内靠近接地端预先埋设一个电 极。其优点是抗干扰性能好、灵敏度高。缺点是内电极只能在厂家生产过程中 预先埋设，结构复杂，现场安装往往不易实现。

3)外接电流传感器检测法

当GIS内部产生局部放电时，接地线上有高频电流通过，因此可利用带有 铁淦氧等磁芯材料的罗可夫斯基线圈作为传感器测量此高频信号。传感器的优 点是可以在很宽的频率范围内保持很好的传输特性，缺点是地线需穿过线圈， 给现场使用带来了不便。

(2)VFTO测量

GIS中的隔离开关、接地开关和断路器操作时，会产生幅值较高(最高可达 3p.u.)、陡度很大(波头时间可低至数ns)、频率很高(最高可达上百MHz) 的特快速瞬态过电压(VFTO)。

目前国内外应用于GIS中的VFTO测量系统及其缺点：

1)GIS手窗式电容分压法

该方法在GIS手窗位置预先安装感应电极。感应电极与GIS高压导杆之间 构成一个电容，也与GIS接地外壳构成一个电容。两个电容可以构成一个分压 系统。该方法需要预先在GIS的手窗处安装传感器，对于已经投运的GIS变电 站而言应用存在困难。

2)套管末屏式VFTO传感器

该方法利用了变压器或者电抗器的出线套管中的电容屏。电容屏相当于是 一个连在高压导体与大地之间的电容。将电容屏的末屏端子解除接地，串入一 个大电容后重新接地。则电容屏的电容和外接的大电容之间构成一个电容分压 器，可以实现对VFTO的测量。该方法只能测量GIS外部VFTO，不能用来测量 GIS内部的VFTO，且测量频带低，高频截止频率为几MHz。

3)盆式绝缘子预埋环式电容分压法

该方法需要使用预埋有金属环的盆式绝缘子。绝缘子的环氧树脂中有预先 埋置的金属环。它与高压导杆之间构成耦合电容，在金属环上接大电容后，与 构成一个电容分压器，最终实现VFTO测量。该方法理论带宽可达20MHz，但实 际标定结果显示其测量系统在2MHz附近有谐振，其高频截止频率只有2MHz。

综上，现有技术的缺点是，为了进行局部放电和VFTO测量，GIS腔体上需 要安装两套测量设备，增加了设备成本，破坏了GIS腔体内的均匀电场分布， 对于已投运设备，安装测量系统所需改造比较困难。另外现有VFTO测量系统频 带不能满足实际测量需要。

发明内容

针对上述背景技术中提到的现有局部放电测量系统存在的易受外界干扰、 结构复杂、现场安装困难等缺点，以及VFTO测量系统测量频带不足、现场安 装困难的缺点，本发明提出了一种用于GIS中局部放电测量和VFTO测量的系统。

本发明的技术方案是一种用于GIS中局部放电测量和VFTO测量的系统，其 特征是该系统包括探头、通路选择器、局部放电检测放大单元、VFTO二次分压 单元、信号采集处理单元和示波器；

所述探头与通路选择器连接；通路选择器分别与局部放电检测放大单元和 VFTO二次分压单元连接；局部放电检测放大单元与信号采集处理单元连接；VFTO 二次分压单元与示波器连接。

所述探头由伸入GIS腔体内的金属电极、介电材料和外壳组成；

所述介电材料为有机材料，用于提高局部放电测量灵敏度；外壳与GIS拔 口通过螺栓连接，外壳是探头的接地极；探头的金属电极的前端用于使UHF频 域信号在探头上产生谐振，金属电极的前端的斜面与平面之间的角度为5°到 15°，用于减小拔口腔体壁对探头的屏蔽效用；金属电极位于GIS内部，用于 消除外界干扰对测量的影响。

所述金属电极前部的波阻抗值与金属电极的其余部分的波阻抗值、局部放 电检测放大单元的入口波阻抗值和VFTO二次分压单元的入口波阻抗值相同。

所述通路选择器在进行VFTO测量时，通路选择器将信号传输到VFTO二次 分压单元；在不进行VFTO测量时，通路选择器将信号传输到局部放电检测放大 单元，通路选择器为无源器件或可通过远程控制的信号分路器。

所述局部放电检测放大单元内部有用于对局部放电信号放大检波的元件， 用于将微小高频局部放电信号放大后转换为检波信号，其局部放电测量灵敏度 可达到5皮库仑。

所述局部放电检测放大单元前端装有保护设备，用于防止高压信号对局部 放电检测放大单元的影响。

所述VFTO二次分压单元用于VFTO分压，探头与GIS腔体内导杆形成高压 臂电容，VFTO二次分压单元内含低压臂电容，高压臂电容和低压臂电容形成电 容分压器。

所述VFTO二次分压单元内部包含阻抗变换器，使电容分压VFTO测量低频 截止频率在0.01Hz以下；VFTO二次分压单元在非测量时输出端口自动对地短路， 防止出现端口芯线处于高电位的情况；VFTO二次分压单元内部采用对称电容结 构设计，增大引线宽度，减小引线长度，降低总体电感，VFTO测量高频截止频 率在100MHz以上。

所述信号采集处理单元用于对局部放电检测放大单元输出信号进行数据存 储以及统计分析；用于对金属颗粒、悬浮电位、内部电晕、固体绝缘内部缺陷 或固体绝缘表面脏污产生的局部放电信号进行分类；用于抑制移动通讯和雷达 的无线电干扰、变电站高电压环境中存在的浮电位体放电干扰或开关操作产生 的短时放电干扰；其输出数据包括形成局部放电的工频周期波形图、二维谱图、 三维谱图、缺陷类型识别结果和故障分析报告。

所述示波器采样频率大于1GHz以上，数据存储深度大于100M bytes。

本发明提出了一种基于一个探头可同时进行GIS内局部放电和VFTO测量 的系统，将原来的两套系统合并为同一系统，降低了GIS监测成本；通过特殊 探头设计，提高了局部放电测量的灵敏度；通过VFTO二次分压单元设计，提 高了VFTO传感器宽频带测量的平直度，拓展了测量带宽。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的探头安装示意图；

图2为本发明的一个实施例的测量系统连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅 是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1示出了根据本发明的一个实施例的探头安装示意图，系统探头包括金 属电极(110)、介电材料(120)、外壳(130)和信号输出端口(140)。在测 量系统安装时，将系统测量探头用螺栓固定在GIS腔体(150)上。该探头可 测量局部放电产生的电磁波或GIS内导杆(160)上的暂态过电压。

图2示出了根据本发明的一个实施例，包括：探头(210)，通路选择器 (220)，局部放电检测放大单元(230)，VFTO二次分压单元(240)，信号采 集处理单元(250)，示波器(260)，其中：

探头(210)，用于耦合局部放电信号和VFTO信号，由伸入GIS腔体内 的金属电极、介电材料、外壳和信号输出端口组成。金属电极用于信号耦合， 其材料可以为铝、铜等电阻率低材料；介电材料为优选的有机材料，以提高局 部放电测量灵敏度；优化设计探头金属部分的形状和介电材料的形状和厚度， 使UHF频域信号在探头上可产生谐振，提高局部放电测量灵敏度。由于探头 位于GIS内部，消除了外界干扰对测量的影响。

通路选择器(220)，用于探头输出信号通路选择，在进行VFTO测量时， 通路选择器将信号传输到VFTO二次分压单元，在不进行VFTO测量时，通 路选择器将信号传输到局部放电检测放大单元，所述通路选择器为无源器件或 可通过远程控制的信号分路器。

局部放电检测放大单元(230)，用于对局部放电信号的放大检波，将微小 高频局部放电信号放大，转换为易采集的检波信号，通过选择与探头匹配的放 大波段，传感器局部放电测量灵敏度可达到5皮库仑。在检测放大器前段装有 保护设备，防止高压信号对局部放电检测放大单元的影响。

VFTO二次分压单元(240)，用于VFTO分压，探头与GIS腔体内导杆形 成高压臂电容，VFTO二次分压单元内含低压臂电容，两者形成电容分压器。 通过所述VFTO二次分压单元内含低压臂电容的优化布置以及采用阻抗变换 器等元件，使得电容分压VFTO测量高频截止频率高达100MHz以上，低频 截止频率在0.01Hz以下。VFTO二次分压单元在进行VFTO测量时输出端口 通过电缆与示波器采集系统相连，非测量时输出端口短路。

信号采集处理单元(250)，用于对局部放电检测放大单元输出信号进行数 据存储以及统计分析。其可以对金属颗粒、悬浮电位、内部电晕、固体绝缘内 部缺陷、固体绝缘表面脏污等典型缺陷产生的局部放电信号进行分类，可抑制 移动通讯和雷达等无线电干扰、变电站高电压环境中存在的浮电位体放电干 扰、开关操作产生的短时放电干扰。其输出数据包括形成局部放电的工频周期 波形图、二维谱图(φ-q图和φ-n图)、三维谱图(φ-q-n图或多周期展开图)、 缺陷类型识别结果和故障分析报告。

示波器(260)，具有采样频率高(GHz以上)，数据存储深度大(100Mbytes 以上)等特点，满足记录VFTO完整过程的需要。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。