基于uhf的氣體絕緣組合開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測研究進(jìn)展

基于uhf的氣體絕緣組合開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測研究進(jìn)展

1uhf在線監(jiān)測技術(shù)uhf是通過超高頻率法（uhf）檢測氣體隔離（gasincub利率）開關(guān)設(shè)備（gis）中的局部放電產(chǎn)生的uhf信號(hào)。這一方法于1986年開始應(yīng)用于英國中央林業(yè)局（cegb）的ton以西420kv的gis設(shè)備。Torness電站的多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性,并得到了人們的認(rèn)可。與其他局放檢測方法相比,UHF法具有靈敏度較高、抗干擾能力較強(qiáng)、可識(shí)別故障類型及進(jìn)行定位等優(yōu)點(diǎn),成為近20年來的研究熱點(diǎn)之一。其中以英國Strathclyde大學(xué)、德國Stuttgart大學(xué)、荷蘭Delft大學(xué)和日本Nagoya大學(xué)的研究工作最為突出。除大學(xué)和研究所以外,一些大型電力設(shè)備制造公司,如英國的RollsRoyce工業(yè)電力集團(tuán)、德國的SiemensAG、瑞士的ABB、法國的ALSTOMT&D和日本的Mitsubishi等公司也都積極參與了UHF法的研究和推廣,加速了該技術(shù)的發(fā)展。我國的UHF在線監(jiān)測技術(shù)起步較晚,一些大學(xué)和研究所于20世紀(jì)90年代初期對(duì)UHF法開始研究,目前取得了一定的進(jìn)展。本文針對(duì)UHF傳感器、GIS中超高頻電磁波的傳播特性、局放源識(shí)別和定位等方面存在的問題對(duì)GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了綜述和評(píng)價(jià)。2置射式納米傳感器UHF傳感器是UHF局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵,用來檢測GIS中由局部放電所激發(fā)的頻率為300MHz~3GHz的電磁諧振波,通常它要具備抑制低頻(300MHz以下)干擾的能力。UHF傳感器根據(jù)安裝方式可分為內(nèi)置式和外置式兩種。內(nèi)置傳感器可獲得較高的靈敏度(目前英國新制造的GIS均要求加裝內(nèi)置傳感器),但對(duì)制造安裝的要求較高,特別是對(duì)早期設(shè)計(jì)制造的GIS安裝內(nèi)置傳感器通常是不可行的,這時(shí)只能選擇外置傳感器。相對(duì)于內(nèi)置傳感器,外置傳感器的靈敏度要差一些,但安裝靈活、不影響系統(tǒng)的運(yùn)行、安全性較高,因而也得到了較為廣泛的應(yīng)用。圖1為英國Strathclyde大學(xué)研制的幾種傳感器(其中(a)為內(nèi)置型,(b)、(c)為外置型),Strathclyde大學(xué)對(duì)UHF傳感器的研究起步較早,目前它的各型傳感器比較完備,應(yīng)用較廣。與英國不同,日本的UHF傳感器以內(nèi)置式為主,且類型較多,有的設(shè)計(jì)比較獨(dú)特。圖2為日本Hitachi公司研制的兩種內(nèi)置傳感器:半圓板偶極子型和二次元對(duì)數(shù)周期型傳感器。我國清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、重慶大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校對(duì)內(nèi)置和外置UHF傳感器都做了相應(yīng)的研究。圖3(a)、(b)為重慶大學(xué)最近研制的兩種內(nèi)置傳感器。這兩種傳感器可用于測量納秒級(jí)的局部放電信號(hào)。在不經(jīng)放大的情況下均可由示波器直接檢測局部放電信號(hào)。圖3(c)為西安交通大學(xué)研制的UHF非頻變超寬帶外置傳感器,圖中各變量的含義參見文獻(xiàn)。對(duì)于內(nèi)置及外置傳感器,都有一些需要注意的問題。對(duì)內(nèi)置傳感器的基本要求是不應(yīng)損害GIS的可靠運(yùn)行,無論是使氣體發(fā)生泄漏還是使內(nèi)部場強(qiáng)增加都可能導(dǎo)致絕緣擊穿;對(duì)于外置傳感器,選擇合適的檢測位置是確保檢測靈敏度的關(guān)鍵。3uhf傳感器的基本原理局部放電在發(fā)生的過程中會(huì)產(chǎn)生聲、光、電等多種信號(hào),UHF法主要檢測局放中的超高頻電磁波,該信號(hào)在GIS中的傳播是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。系統(tǒng)地正確建模和分析對(duì)于理解局部放電的本質(zhì)、開發(fā)先進(jìn)的檢測技術(shù)都具有重要的意義。GIS中電磁波的諧振模式很復(fù)雜,目前一般可近似地用傳輸線模型來研究GIS中的局部放電信號(hào)傳輸特性。電磁波在GIS中的傳播形式不是單一的,既有橫向電磁場波(TransverseElectromagnetic,TEM),又有橫向電場波(TransverseElectric,TE)及橫向磁場波(TransverseMagnetic,TM)。此外,還可用反射和傳輸系數(shù)來表示每個(gè)GIS部件,并由此推算出UHF傳感器的位置。還有學(xué)者研究了較寬頻率范圍內(nèi)GIS部件對(duì)電磁波傳播特性的影響,指出在低頻500MHz以下,絕緣子孔上的連接閂有電磁屏蔽的效果;對(duì)于500MHz~1.2GHz的高頻,由于連接閂的電感和絕緣子孔的電容發(fā)生并聯(lián)諧振,故電磁波很容易輻射出來;增加絕緣子的厚度會(huì)減弱屏蔽效果,增加電磁波的輻射;對(duì)于1.2GHz以上的高頻,由于連接閂的阻抗較大,故有無連接閂時(shí)的頻譜很相似;1.5GHz以上的電磁波主要通過外殼輻射,而不是由絕緣子上的孔輻射到外面。這些研究結(jié)論對(duì)于采用UHF法檢測局放來說都非常重要,但還有很多需進(jìn)一步驗(yàn)證的問題。目前我國學(xué)者對(duì)電磁波在GIS內(nèi)部的傳輸特性已做了不少研究工作,但我國有很多GIS出廠時(shí)沒有安裝內(nèi)置傳感器,只能采用外置傳感器進(jìn)行檢測,因此研究電磁波在GIS外部的傳輸特性也非常重要,這還有待于廣大學(xué)者的努力。4局放源識(shí)別技術(shù)研究GIS中的局部放電源有多種,常見的有自由金屬微粒、高壓導(dǎo)體上的突出物和浮動(dòng)電極等8種。不同放電源所表現(xiàn)出來的局放特征不一樣,對(duì)GIS的損害程度也不一樣,其中自由金屬微粒對(duì)GIS系統(tǒng)的危害最大。正確識(shí)別各種局部放電源對(duì)于評(píng)估GIS的絕緣狀態(tài)及制定合理的維修策略至關(guān)重要。局部放電源的識(shí)別也是模式識(shí)別問題,常規(guī)的識(shí)別方法有:(1)局放相位的分布形狀與局放源類型之間有緊密的聯(lián)系,因此可根據(jù)局放的二維或三維譜圖來識(shí)別;(2)局放理論目前還不完善,有很多未知因素,因此在大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可以利用模糊專家系統(tǒng)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NeuralNetwork,NN)來識(shí)別。Gulski等學(xué)者提取了一些統(tǒng)計(jì)特征算子作為輸入NN的信息來描述局放的波形特征(PointOnWave,POW)。此外,近年來不少學(xué)者還采用了不同結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及分形分析等技術(shù)來識(shí)別局放源:(1)利用不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識(shí)別局放源通常的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有誤差反傳(Back-Propagation,BP)網(wǎng)絡(luò)、自組織Kohonen網(wǎng)絡(luò)和學(xué)習(xí)矢量量化網(wǎng)絡(luò)(LearningVectorQuantization,LVQ)。其中,BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度較快、識(shí)別率較高。近年來,關(guān)于BP網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在改進(jìn)BP算法及模塊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ModularNeuralNetwork,MNN)上。目前利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別局放源的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)的泛化能力較差,結(jié)構(gòu)和參數(shù)的選擇以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),究竟選擇何種結(jié)構(gòu)以及采用何種參數(shù)作為輸入是最優(yōu)的還缺乏理論根據(jù)。近期有學(xué)者采用自回歸時(shí)間級(jí)數(shù)來研究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及輸入?yún)⒘?認(rèn)為級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)(如圖4所示)具有高于其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的識(shí)別率,并可決定合適的輸入?yún)?shù)數(shù)目,但這種結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到何種效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證,圖4中各變量的含義參見文獻(xiàn)。(2)樹方法和分形分析樹方法采用群平均分析技術(shù),用樹結(jié)構(gòu)來表示單個(gè)局部放電指紋間的關(guān)系。分形分析則用于研究三維譜圖的特性。研究結(jié)果表明這兩種局放源的識(shí)別方法是互為補(bǔ)充的。在一種方法無效的情況下,可以用另一種方法來識(shí)別。例如,分形分析方法不能區(qū)別導(dǎo)體上的突出物和絕緣子上的固定微粒;而樹方法則很容易區(qū)別這兩種缺陷。Toshiba公司開發(fā)了一種基于傳感器的局放源識(shí)別方法,即比值法。該方法同時(shí)采用兩個(gè)傳感器,一個(gè)為環(huán)形對(duì)稱的,另一個(gè)為非對(duì)稱的,通過提取這兩個(gè)傳感器輸出信號(hào)的比值,可消除噪聲并識(shí)別出不同的局放源。不同局放源在GIS中具有不同的電磁場分布,比值法可以顯示出這種差異(如圖5所示)。增加不對(duì)稱指數(shù)可以使比值間的閾值增大,更便于識(shí)別。與常規(guī)的局放源識(shí)別方法相比,比值法降低了對(duì)數(shù)字信號(hào)處理及噪聲濾波器的要求,但傳感器的數(shù)量需增加一倍,且對(duì)制造安裝的要求較高?？傮w來說,在局放源識(shí)別方面,目前主要借助于多維譜圖特征和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。鑒于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身理論方面的缺陷,如何選擇最優(yōu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及合適的輸入?yún)?shù)還是今后有待解決的問題。5傳感器距離定位GIS中局放源的準(zhǔn)確定位可顯著縮短維修時(shí)間,對(duì)于降低GIS的維修成本具有重要意義。目前常用的局放源定位方法是時(shí)間差方法(timeofflightmethod),即根據(jù)UHF信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間差及信號(hào)傳播的速度來定位(距離定位)。但GIS中電磁波諧振模式具有多樣性及不規(guī)則性,準(zhǔn)確判斷信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)間很困難,此外,由于電磁波以光速傳播,定位對(duì)分析儀器也提出了很高的要求,例如為達(dá)到10cm以內(nèi)的定位精度,需要的時(shí)間分辨率為0.1ns,這在理論上雖然可行,但在實(shí)際應(yīng)用中卻比較困難。近年來也有學(xué)者對(duì)方向定位方法進(jìn)行了研究,方向定位的精度遠(yuǎn)不及距離定位,但相對(duì)比較快捷簡單,也有一定的應(yīng)用價(jià)值。6測量頻率的選擇UHF監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)檢測頻帶的不同可分為窄帶和寬帶監(jiān)測系統(tǒng)。UHF寬帶監(jiān)測系統(tǒng)通常測取100MHz~2GHz頻率范圍內(nèi)的信號(hào)(英國Judd等學(xué)者選用500MHz~1.5GHz的頻帶),在系統(tǒng)中需加裝前置的高通濾波器;UHF窄帶監(jiān)測系統(tǒng)則利用頻譜分析儀對(duì)所研究的頻段進(jìn)行篩選,選擇合適的中心頻率是提高系統(tǒng)抗干擾能力的關(guān)鍵。由于現(xiàn)場電暈等干擾對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)存在影響,窄帶檢測信號(hào)的信噪比要高于寬帶。通常寬帶UHF系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室里應(yīng)用較多,而在現(xiàn)場監(jiān)測中多采用窄帶UHF監(jiān)測系統(tǒng),近年來還出現(xiàn)了將寬帶和窄帶結(jié)合起來的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。與窄帶及寬帶監(jiān)測系統(tǒng)相比,綜合監(jiān)測系統(tǒng)具有近實(shí)時(shí)多通道顯示、靈敏度相對(duì)較高及便于局放源的定位等優(yōu)點(diǎn),但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且需要借助于常規(guī)測量系統(tǒng)才能對(duì)局放源進(jìn)行識(shí)別。目前的UHF局放在線監(jiān)測系統(tǒng)還有兩個(gè)需要注意的問題:(1)系統(tǒng)的保護(hù),主要是傳感器輸出部分的保護(hù),隔離器和斷路器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的暫態(tài)過電壓,必須采取預(yù)防措施防止它們損害節(jié)點(diǎn)的電子器件以及保證測試人員的人身安全;(2)提高在線監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾能力,使其能夠真正適應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測的需要。7增設(shè)傳感器的研究UHF法對(duì)于監(jiān)測GIS中的局部放電有很好的應(yīng)用前景。20多年的研究取得了不少成績但也存在很多的問題,今后關(guān)于GIS中UHF監(jiān)測系統(tǒng)的研究工作將會(huì)圍繞以下幾個(gè)方面展開:(1)對(duì)新型UHF傳感器的研究。鑒于國內(nèi)大量早期設(shè)計(jì)制造的GIS無法安裝內(nèi)置傳感器,靈敏度高、抗干擾性能好的外置傳感器還有待深入研究。(2)對(duì)UHF信號(hào)在GIS內(nèi)外傳播特性的研究。鑒于GIS結(jié)構(gòu)及UHF信號(hào)傳播模式的復(fù)雜性,研究GIS內(nèi)部和外部UHF信號(hào)的傳播特性對(duì)于完善UHF監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義。(3)對(duì)局