GIS在线监测系统研究与应用

南方电网文山供电局 熊文祥 申国标 张 振 华乘电气科技股份有限公司 张新堂

在现在电力系统中，GIS（Gas Insulated Switchgear）气体绝缘金属封闭开关设备将变电站中除变压器以外的断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、母线、电缆终端等设备有机地组合成一个整体[1]。GIS具有占地面积小、可靠性高、安全性强、维护工作量很小等众多优点，但绝缘要求极高。一旦需要解体检修，大部分情况下均需要协调设备厂家进行，所需要的时间非常长，若发生突发性故障停电则停电时间就更长。因此对GIS故障的早期预测、预报、预防就显得非常重要。运行经验表明，在GIS中的母线、断路器、隔离开关等电气元件都是绝缘故障多发的部位[2]，异常时的检修难度和经济投入相对较大，由于内部结构十分紧凑，发生故障时有很大几率会蔓延到其他元件[3]。局部放电检测一向是十分有效的绝缘检测手段，实现在线监测能减轻运行人员工作强度，同时也有助于推动GIS局放检测的标准化和规范化。

本文基于AE（超声波）/UHF检测原理的局放检测手段对GIS进行在线局放检测研究，搭建PDS-G5000型局部放电在线监测系统，实现GIS设备的绝缘实时监控。系统可配置的传感器主要有接触式超声（AE）传感器、特高频（UHF）传感器和噪声传感器，检测局部放电产生的特高频、超声波信号，并通过噪声传感器配合提高检测结果的可信度。

1 GIS局放AE/UHF在线监测原理

GIS局放在线监测特指在GIS运行状态下,通过外置或内置的AE/UHF传感器耦合得到设备内部绝缘劣化而发出的放电信号。通常监测系统固定安装在现场长期在线运行，无需人为参与，自动完成检测、存储、通讯和诊断等功能。基于AE和UHF信号检测的方式都属于间接型带电检测法，检测设备与一次部分无直接的电气连接，也不会改变GIS整体的结构，适用于带电运行中的GIS设备的局部放电在线检测。

AE（超声波）检测。超声通常指频段位于20～300kHz范围内的超声波通过接收局放时声波微小的间断压力信号,判断局放点位置和局放性质[4]。GIS内部发生局部放电时，放电信号会沿着介质向四周传播，由于超声信号在传播中衰减较大，根据信号的强度变化判断信号来源方向和位置。AE传感器耦合得到的超声波信号，需经过前置信号放大器后再传输到后台诊断系统中进行分析和判断（图1）。

UHF（特高频）检测。如图2UHF检测原理中，当GIS内部发生局部放电时，SF6气体的击穿导致导体中流过一个短时（ns级）的电流。电流流过GIS的特征阻抗在导体上产生一个脉冲电压，从局放源传播开来。局放信号的上升时间很短（<1ns）、频带很宽（>1GHz），传播过程中引起电谐振激发电磁波。UHF检测法能感应频率为300MHz～1.5GHz的电磁波信号[5]。

PDS-G5000系统中所使用的UHF特高频传感器包括内置式和外置式两种。外置式特高频传感器采用全贴合设计，保证传感器能够完美贴合GIS绝缘盆子表面，最大限度减少外部信号的干扰，保证监测的准确性与灵敏度。内置式特高频传感器采用内置式安装设计，并且需在GIS生产厂制造时安装，其尺寸、结构与被监测GIS设备相匹配，采用与被监测GIS设备相同的密封工艺和材料，使用寿命不少于GIS设备寿命，并与GIS本体一起进行出厂试验。

噪声传感器检测。噪声传感器监测原理同特高频传感器监测原理一致，PDS-G5000系统中所使用的噪声传感器安装在GIS监测设备附近壳体上，主要用于配合特高频传感器与系统监测软件最大限度减少外部环境信号干扰，保证监测信号的准确性和灵敏度。

2 系统采集处理单元及后台监测软件系统系统

局放监测单元安装在现场GIS设备附近就地柜内，实现信号初步采集处理和分析，形成设备初步单项评价，并将信号通过光纤传输至上级后台处理单元和主站。PDS-G5000软件是与GIS局部放电在线监测系统设备配套的软件，安装在服务器上用以采集、传输、处理、查询和分析数据信号，为判断GIS绝缘状态提供依据。软件可以实时展示现场设备的局放数据，并提供PRPD/PRPS图以及趋势图谱等；软件内置专家诊断系统，可以辅助用户进行局放诊断。软件同时能够根据监测数据给出预警与报警信号，实时提醒用户设备的运行状态。

3 应用案例

广西220kV某站220kVGIS设备于2017年03月安装了华乘科技公司的PDS-G5000局放在线监测系统，对GIS设备进行不间断的局放在线监测，GIS设备厂家为西门子高压开关有限公司。2017年04月05日18：14，220kVGIS场地220kV2053线路间隔的M9编号特高频传感器（安装位置为220kV2053线路间隔20532刀闸B相）首次监测到幅值较大的浮动电极局放信号；2017年04月07日开始信号发展趋势相当快速，局放的脉冲数快速增加，严重程度快速加剧。

测试数据分析及故障位置。系统4月5日首次监测到异常信号，到4月19日异常信号持续存在且信号呈现增长趋势，放电密度增大，专家系统判断为浮动电极放电概率为100%。经过PDS-G5000局放在线监测专家系统分析和判断定位，在220kVGIS2053线路间隔B相CT1位置的GIS内部存在一个幅值相当大的浮动电极放电信号。如图4红色标记所示。

解体情况。2017年09月13日，对该站220kV 2053线路间隔B相的CT1位置进行了解体、检修，在解体后发现CT1上方的壳体与屏蔽罩存在非常严重的电蚀痕迹，解体情况与PDS-G5000局放在线监测系统测量、分析判断局放类型一致，局放缺陷位置与定位位置一致。

综上，本文搭建的基于AE及UHF检测方法PDS- G5000型GIS局部放电在线系统可有效监测GIS内部绝缘缺陷，将传统“定期检修”改变为“状态检修”，达到提高设备利用率和设备可靠运行目的。