1000kV GIS特高频在线检测系统设计与应用研究

汤会增陈富安骆亚毫管世锋魏海浩

（1. 国网河南省电力公司检修公司，郑州 450052；2. 河南工业大学，郑州 450007；3. 许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

1000kV GIS特高频在线检测系统设计与应用研究

汤会增1陈富安2骆亚毫3管世锋1魏海浩3

（1. 国网河南省电力公司检修公司，郑州 450052；2. 河南工业大学，郑州 450007；3. 许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

提出了1000kV GIS局部放电特高频在线检测系统整体设计方案，检测系统首先通过信号调理电路对探头采集到的高频放电信号进行处理，然后将信息送到以 TMS320单片机为控制核心的信息采集处理单元，最后通过上位机软件来显示最终结果。运用该系统对四种绝缘缺陷进行模拟试验，得出特高频检测法的特点。该系统成功发现某1000kV GIS盆式绝缘子故障，工程实际应用效果良好。

特高频；TMS320；1000kV GIS局部放电；信息处理

1000kV GIS气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）是高压输变电工程中的关键设备，一旦出现故障，将可能造成电网重大事故发生［1］。绝缘降低是GIS设备故障的主要原因，对GIS进行在线局部放电（Partial Discharge，PD）检测可有效掌握GIS内部绝缘状况，预防GIS故障跳闸造成电网事故。GIS内PD发生时，由于电荷转移产生ns级的电流脉冲和多种频率的电磁信号，特高频法（Ultrahigh Frequency，UHF）通过检测PD发生产生300MHz～3GHz（通常干扰信号在500MHz以下）的局放电磁波来判别PD，是目前监测GIS设备局放的有效方法之一［2-3］。

特高频局部放电在线监测装置目前虽然在特高压工程中普遍应用，但普遍存在在误报漏报及不报等问题。本文设计的系统在硬件设计方面进行改进，采用中心频率 400MHz的微带天线和基于μPC8211芯片为核心的放大电路，通过五阶切比雪夫高通滤波器滤来减小外界不同频率电磁因素的影响，运用对数检波放大器 ADL5513检波电路对以幅值和相位为主的信息进行包络提取及放大，可以提高其传感器检测精度和准确性，有效避免误报漏报现象发生。

1　整体设计

在 1000kV GIS盆式绝缘子上安装设特高频探头（天线），天线实时采集GIS放电信号并将这些信号用光纤传输到光中继站，转化为电信号后经过放大、处理和存储后，由上位机软件进行分析处理，并提供显示、打印及远传。系统故障定位技术采用到达时间差（Time Different of Arrival，TDOA）法，通过对某相同局放电磁信号到达不同传感器的时间差、幅值进行同步记录，求出距多个传感器的距离S1，S2，…，Sn，通过对所求距离的组合分析来确定放电位置。系统结构如图1所示。

图1　特高频检测系统结构框图

2　硬件系统

主要硬件组成部分是特高频天线、光中继站、LAN前置放大器、HPF滤波电路、检波电路、多通道数据采集系统和上位机软件等。特高频传感器接收PD的脉冲信号，首先经UHF放大电路，再经过高通滤波和检波整形电路，将得到单极性宽脉冲信号最终送到采集单元进行处理。主要技术参数如下：外置特高频天线：带宽约为340～440MHz，中心频率约为 400MHz左右，其灵敏度大于-80dB；通道数：48个通道用于监测GIS内部的放电；运用模式：66路采用并行模式；使用电源：AC 220V 500W。

图2　特高频传感器安装图

图3　现场光接收机

2.1特高频天线

高灵敏度传感器对局部放电检测效果影响较大，系统采用中心频率400MHz外置微带天线，外观如图2所示。据天线贴片在400MHz下的方向图4可知，θ =0°时，微带天线方向性最好，因此安装天线时，应使天线正对GIS盆式绝缘子，以获得最大的增益。通常还须对其外部加以金属封闭，以屏蔽空间电磁干扰。

图4　400MHz的微带天线的方向图

2.2LAN前置放大器

局部放电产生的特高频信号，需要剔除现场噪音及电磁干扰因素。采用以μPC8211芯片为核心的放大电路，电源为3V时，其噪音为1.3dB，增益为18.5dB，功率损耗也比较小，不会产生非线性失真现象。其原理图如图5所示。

2.3HPF滤波电路

PD发生会产生300MHz～3GHz电磁波，而通常干扰信号在500MHz以下，因此需要对探头检测的 PD信号进行高通滤波处理。采用切比雪夫逼近方法，由低通转高通设计了五阶切比雪夫滤波器，输入阻抗50Ω，输出阻抗50Ω，通过对滤波器参数S的设计和仿真优化，最终得到滤波器端口 1反射波与入射波的比值在通带500MHz处端口反射系是-11.6dB（＜-10dB），能够满足要求。其原理如图6所示。

图5　前端LNA放大器电路

图6　切比雪夫高通滤波器原理图

2.4检波电路

经过滤波后的信号，运用ADL5513多级对数检波放大器（频带 0.1～4GHz、动态范围：80dB± 3.0dB、采用3V电压时功耗30mA），对以幅值和相位为主的信息进行包络提取及放大后，可以将射频信号精确的变换为分贝输出，有助于对GIS故障类型识别提供有效信息。其原理如图7所示。

图7　ADL5513电路原理图

3　客户端软件设计

客户端软件采用 Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）进行编程，运用专家系统进行数据分析处理，能够实现同时对多路特高频信号的同步采集、传输、滤波、检波、分析、报警、放电类型识别、放电位置定位、放电趋势分析、二维（Q-φ，N-φ，N-Q）和三维（N-Q-φ）图表显示打印等功能。

图8　软件功能结构图

4　常见局放类型模拟试验

利用上述设计的特高频在线监检测系统对 GIS模型进行检测，根据图9所示组建测试系统电路。其中变压器采用工频试验变压器 200B4M-380V/ 1000kV；限流滤波阻抗 R为工频试验保护电阻（GR1000-1/6）；带宽 340～440MHz和中心频率400MHz的外置探头（天线）。

图9　高压测试系统图

在GIS模型内部分别设置4种绝缘缺陷：导电杆上系一根长约为12mm的铜丝模拟突出物缺陷，绝缘子表面沾上直径 0.2mm的铜丝模拟附着物缺陷，环氧树脂绝缘棒中设置一个长约 15mm、直径为10mm孔洞后再将表面封好来模拟绝缘子气隙缺陷，用数个约 2×2mm2和 2×3mm2的矩形薄铝片模拟微粒缺陷。缓慢升高试验电压，特高频局放测试装置检测出如图 10所示局部放电相位分布（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD）指纹图。

图10　GIS四种缺陷下的PRPD图

图 10（a）气隙缺陷中，在工频相位的正、负半周均有稀少幅值相近的放电信号，且都在电压峰值附近出现，放电次数随电压升高而增多。图10（b）绝缘子表面附着物缺陷中，电压低时在工频相位的负半周附近出现稀少地放电量，电压升高正半周出现放电现象，且幅值相对较大一些；直至临近闪络时放电量密集出现在正负半周工频峰值附近，而且幅值和次数十分相近。图 10（c）金属突出物缺陷中，电压低时只有工频负半周峰值附近有放电现象，升高电压后正半周也出现少量放电，且幅值比负半周较大；升高电压后正、负半周的放电次数均有所增加，且负半周放电次数较多些。图 10（d）自由金属微粒缺陷中，放电信号在整个工频周期内呈现出分散性、随机性，放电量密集出现在工频正、负半周的峰值处。

通过实验测试可知，特高频法受外界电磁干扰，通过采用带通滤波器和放大检波电路来减小外界不同频率电磁因素的影响，传感器安装在盆式绝缘子上可以获得较大的增益，在故障类型检测中对金属突出物缺陷引起的PD检测效果最为明显。

5　一起局部放电实例分析

2012年03月12日12∶24，某高压变电站特高频在线检测系统发出告警信号，1000kV GIS组合电器C相隔接组合气室盆式绝缘子处探头放电量和放电脉冲均越限。如图11（a）中C相C-T1通道放电量达到146pC，脉冲个数233，C-T1通道即为安装在C相隔接组合气室盆式绝缘子的特高频探头，由图11（b）和图11（c）可知，放电类型为盆式绝缘子故障放电。将故障间隔GIS转检修后解体检查，发现绝缘子内部出现细长的裂纹，与特高频检测系统检测结果一致。

图11　现场分析图

6　结论

设计的基于TMS320单片机的1000kV GIS特高频在线检测系统，采用灵敏度高的微带天线和基于μPC8211芯片为核心的放大电路，通过五阶切比雪夫高通滤波器滤来减小外界不同频率电磁因素的影响，运用对数检波放大器ADL5513检波电路对以幅值和相位为主的信息进行包络提取及放大。该系统能够识别不同类型的GIS绝缘故障，对金属突出物缺陷引起的 PD检测效果最为明显，工程实际应用效果良好。

［1］ 邱毓昌. GIS装置及其绝缘技术［M］. 北京： 水利电力出版社， 1994.

［2］ 刘振亚. 特高压电网［M］. 北京： 中国经济出版社，2005.

［3］ 周广， 刘勇. 1000kV HGIS在线特高频技术局放监测的应用［J］. 华中电力， 2011， 5（24）： 57-62.

［4］ Lundgaard， L E， Tangen G， et al. Acoustic diagnosis of GIS； Field experience and development of expert system［J］. IEEE Trans. on Power Delivery， 7（1）： 287-293.

［5］ 丁登伟， 唐诚， 高文胜， 等. GIS中典型局部放电的频谱特征及传播特性［J］. 高电压技术， 2014， 40（10）：3243-3251.

［6］ Hasegawa Y， Izumi K， Kobayshi A， et al. Investigation on phenomena caused by insulation abnormalities in actual GIS［J］. IEEE Transactions on Power Delivery

［7］ 孙曙光， 陆俭国， 俞慧忠， 等. 基于UHF法的GIS局部放电测量与分析［J］. 电测与仪表， 2012， 49（4）： 5-9.

Design and Study on Application of On-line Ultrahigh Frequency Partial Discharge Detection in 1000kV GIS

Tang Huizeng1Chen Fuan2Luo Yahao3Guan Shifeng1Wei Haihao3
（1. State Grid He'nan Electric Power Corporation Maintenance Company， Zhengzhou 450052；2. He'nan University of Technology， Zhengzhou 450007；3. XJ Group Corporation， Xuchang， He'nan 461000）

This paper presents a overall design scheme of the UHF （Ultrahigh Frequency） partial discharge on-line detection method in 1000kV GIS （Gas Insulated Switchgear）. The high frequency discharge signal is processed by the signal conditioning circuit， then the information is sent to the information acquisition and processing unit with the TMS320 microcontroller as the control core， and the final results are displayed by the upper computer software. Using the system to simulate the four kinds of insulation defects， the characteristics of the high frequency detection method are obtained. The system successfully found a GIS 1000kV basin insulator fault， the practical application effect is good.

UHF； TMS320； 1000kV GIS partial discharge； information processing

汤会增（1982-），男，河南南阳人，硕士研究生，工程师，从事电力设备在线检测技术研究和超特高压变电运维管理工作。