一種新型局部放電特高頻傳感器性能分析

何俊達 廖肇毅 陳冰心

一種新型局部放電特高頻傳感器性能分析

何俊達 廖肇毅 陳冰心

（廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

局部放電現象是電氣設備絕緣材料劣化的主要表現形式，研究如何有效地檢測局部放電信號以減少電力設備絕緣擊穿事故的發生，對電力設備的安全運行具有重要意義。本文針對現有外置式局部放電傳感器應用于上海思源氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）盆式絕緣子存在的問題，研制一種新型天線連接器（AC）型局部放電特高頻傳感器，并給出其結構設計。實驗結果表明，本文設計的傳感器的監測帶寬、靈敏度等性能優良，能夠有效提高局部放電檢測的靈敏度，與常規外置式局部放電傳感器相比，其檢測強度提升了約30dB。

局部放電；氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）；特高頻傳感器；盆式絕緣子

0 引言

氣體絕緣全封閉組合電器（gas insulated switchgear, GIS）主要由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線等封閉組成，內部被充滿一定壓力的絕緣氣體[1-4]，在輸電和配電系統中承擔斷路、隔離和接地等功能。GIS中電場分布不均勻，局部電場強度過高導致絕緣體中局部范圍內發生放電、擊穿的情況叫做局部放電現象[5-6]。引起局部放電現象的原因主要為絕緣缺陷，包括絕緣子表面金屬污染物、懸浮電極等[7]。短時存在的局部放電不會影響電氣設備的絕緣性能，但長時間的局部放電會導致絕緣體局部損傷，甚至會在一定條件下擊穿絕緣介質[8]。局部放電是絕緣介質劣化的主要表現，對GIS進行定期局部放電帶電檢測能夠了解設備的絕緣狀況，并及時確定設備損壞程度，對電力設備的安全穩定運行具有重要意義[9]。

上海思源GIS的盆式絕緣子在電氣設備中廣泛應用，該款盆式絕緣子的局部放電測試窗口尺寸為45mm×20mm，存在局部放電測試窗口長度較小的情況[10]，只能無損輻射1 600MHz以上的特高頻信號，該頻段的特高頻信號超過了GIS特高頻局部放電在線監測裝置的監測頻帶范圍，造成特高頻信號衰減快、監測裝置監測靈敏度低、覆蓋范圍不足的問題。針對該款GIS的結構特征，本文設計一種天線連接器（antenna connector, AC）型GIS局部放電特高頻傳感器，能在一定頻段內實現可靠監測GIS內的局部放電信號，滿足局部放電在線監測的有效性和覆蓋范圍要求，提高監測的可靠性和靈敏度。

1 局部放電測試窗口的特高頻信號頻率響應測試

1.1 實驗場景設計

本文針對東莞某站220kV GIS開展特高頻信號頻率響應試驗，測試對象為GIS主母線盆式絕緣子，其局部放電測試窗口尺寸為45mm×20mm。信號注入源設備為射頻源，輸出信號幅值為0dB、頻率可任意調整的特高頻信號。在1號盆式絕緣子的局部放電測試窗口，采用原有外置式特高頻傳感器耦合注入，并在相鄰2號盆式絕緣子的局部放電測試窗口采用外置式特高頻傳感器接收信號?，F場測試傳感器布置如圖1所示，頻率衰減曲線如圖2所示。

圖1 現場測試傳感器布置

圖2 頻率衰減曲線

1.2 數據分析

對上述特高頻檢測信號進行衰減分析可以看出，在1 700MHz附近，長度45mm的局部放電測試窗口具有較好的頻率響應特性。結合縫隙天線傳播特性：只有波長小于縫隙天線波長的電磁波才能無損傳播，即只有滿足頻率大于下限截止頻率的電磁波信號才能從縫隙天線無損傳播。因此，該款思源GIS盆式絕緣子局部放電測試窗口只能無損輻射出1 600MHz以上的特高頻信號。然而，該頻率下的信號衰減快，造成現有安裝的GIS在線監測裝置監測靈敏度低、覆蓋范圍不足，存在局部放電信號漏報的潛在風險，因此亟須根據該款GIS盆式絕緣子的結構特征，設計一種新型的GIS局部放電特高頻傳感器，以滿足GIS局部放電在線監測靈敏度、有效性和覆蓋范圍的要求。

2 AC型傳感器的設計

2.1 盆式絕緣子AC型傳感器的結構設計

上海思源GIS的每個盆式絕緣子外部都帶有金屬鋁環，預留長度較小的局部放電測試窗口，盆子靠近金屬鋁環附近有一個澆注在環氧樹脂內的金屬輔助電極，通過三個彈簧和螺釘連接到金屬鋁環上，螺釘對該位置進行密封。該輔助電極的作用是補償或均勻靜電分布，以及消除環氧材料和鋁環之間可能存在的氣穴的影響。

本文根據上述GIS盆式絕緣子的結構特征和金屬輔助電極的特性，設計一種AC型局部放電特高頻傳感器。取輔助電極的一個接地點連接特高頻傳感器耦合電極，此時傳感器、連接的輔助電極和金屬屏蔽環結構組成一個特高頻局部放電傳感器，通過連接的傳感器、金屬輔助電極和金屬屏蔽環形成特高頻耦合天線耦合GIS內產生的特高頻局部放電信號，通過傳感器耦合特高頻信號后將信號引出至GIS金屬屏蔽環的外部，再通過三通接頭實現特高頻信號與同軸電纜的連接，同時三通的另一端加裝過電壓保護器，實現工頻信號的接地和特高頻信號的有效傳輸。該款傳感器適配所有相同尺寸結構的盆式絕緣子，在一定頻段內能夠有效檢測設備內的局部放電信號，下限截止頻率理論計算值可達400MHz，在GIS特高頻局部放電在線監測裝置檢測頻帶要求的300～1 500MHz范圍內，而且感應本體不采用電阻、電容等電子器件，在安裝過程中不會引起GIS電場畸變和危及本體安全。AC型傳感器結構如圖3所示，AC型傳感器檢測原理如圖4所示。

2.2 盆式絕緣子AC型傳感器的安裝位置

上海思源GIS盆式絕緣子外部都帶有金屬鋁環，預留3個接地的輔助電極螺釘，選取其中一個輔助電極的接地點作為特高頻傳感器的安裝位置，AC型傳感器安裝示意圖如圖5所示。

圖3 AC型傳感器結構

圖4 AC型傳感器檢測原理

3 傳感器性能測試

為了驗證AC型傳感器的頻率響應特性和靈敏度，本文針對東莞某站220kV GIS展開與常規外置式傳感器的頻率響應特性、靈敏度和動態范圍對比試驗。

3.1 GIS填充氮氣情況下的測試

對現場一段充氮氣的分支母線，在右側盆式絕緣子采用AC型傳感器注入特高頻信號，在左側盆式絕緣子上安裝一個AC型傳感器并在局部放電測試窗口位置安裝常規外置式傳感器，測試現場如圖6所示，測試數據見表1。

圖6 測試現場

表1 AC型傳感器和外置式傳感器測試數據

對上述測試數據進行對比分析，在GIS充氮氣的情況下，同一盆子上安裝的AC型傳感器信號幅值比原有外置式傳感器信號幅值提升了約16dB，等同于提升了6.3倍的信號強度。

3.2 GIS填充SF6氣體情況下的測試

對同一盆子進行信號注入和信號監測試驗，在同一盆子安裝2個AC型傳感器，在盆子局部放電測試窗口安裝常規外置式傳感器，將AC-2傳感器和常規外置式傳感器信號接入特高頻局部放電在線監測裝置。同一盆子的傳感器安裝示意圖如圖7所示。

圖7 同一盆子的傳感器安裝示意圖

試驗信號源為射頻信號發生器通過AC型傳感器的耦合信號，信號幅值為0dBmW，通過AC-1傳感器耦合注入信號，在600～1 600MHz頻率范圍內，每隔100MHz選取一個測試頻點，不同頻率信號下的性能比較見表2。

通過上述測試數據可知，在GIS充SF6氣體的情況下，相對于原有外置式傳感器，AC型傳感器信號幅值可提升約30dB，靈敏度、頻率響應特性均得到較大幅度的提升。

3.3 傳感器平均有效高度測試

在檢驗規范DL/T 1432.4規定的吉赫茲橫電磁波（gigahertz transverse electromagnetic, GTEM）小室測試條件下，分別對思源盆子局部放電測試窗口的常規外置式局部放電傳感器與AC型傳感器進行頻率響應特性和平均有效高度試驗，得到外置式傳感器局部放電測試窗口有效高度曲線如圖8所示，AC型傳感器有效高度曲線如圖9所示。

表2 不同頻率信號下的性能比較

圖8 外置式傳感器局部放電測試窗口有效高度曲線

圖9 AC型傳感器有效高度曲線

通過上述測試數據可知，常規外置式傳感器應用于局部放電測試窗口與AC型傳感器應用的平均有效高度分別為1.8mm、11.3mm，說明本文設計的AC型傳感器性能優于常規外置式傳感器，滿足DL/T 1498.4提出的平均有效高度應大于6mm的要求。

3.4 傳感器脈沖重復率測試

將AC型傳感器信號接入特高頻局部放電在線監測裝置，按照DL/T 1694.1要求進行脈沖重復率測試，實驗結果表明本文設計的AC型傳感器滿足最大允許誤差一般不超過±20%的要求。脈沖重復率測試結果見表3。

表3 脈沖重復率測試結果

4 結論

本文設計的新型GIS局部放電特高頻傳感器充分考慮了阻抗匹配、信號衰減、密封、絕緣與接地安全等基本要求，測試數據和工程應用效果表明，該款新型傳感器能夠有效提升特高頻局部放電監測的靈敏度、頻帶范圍、覆蓋范圍和可靠性，有利于更早地監測到GIS微弱的局部放電信號。

[1] 張凱, 孫亞明, 胡春江, 等. GIS設備局部放電檢測技術研究[J]. 電氣技術, 2014, 15(9): 66-69.

[2] 戴振, 王通德, 朱振華. SF6/N2混合氣體在126kV氣體絕緣金屬封閉開關設備中的應用[J]. 電氣技術, 2023, 24(9): 60-64.

[3] 何彥良, 丁未, 孫安邦, 等. 電場不均勻系數對SF6/N2混合氣體負直流電暈電流脈沖特性的影響[J].電工技術學報, 2021, 36(15): 3124-3134.

[4] 李鴻鵬, 豐馳堯, 李寶鋒, 等. SF6混合氣體的液化特性研究[J]. 電氣技術, 2020, 21(11): 57-60, 75.

[5] 楊海東, 徐清華, 李偉. 一起110kV氣體絕緣金屬封閉開關設備電阻異?，F象分析[J]. 電氣技術, 2022, 23(11): 80-83.

[6] 邱鵬鋒, 鄭連清, 魏成偉. 一種GIS局部放電模式識別新方法及應用[J]. 電氣技術, 2017, 18(8): 12-16.

[7] 張宇帥, 隋浩冉, 韓世杰, 等. 一種用于高壓電氣設備局放超聲檢測的新型EFPI傳感器[J/OL]. 電測與儀表: 1-8[2023-10-21].http://kns.cnki.net/kcms/detail/ 23.1202.TH.20211231.1101.002.html.

[8] 王楊超. 基于油中局部放電檢測的壓強平衡式EFPI傳感器的研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2018.

[9] 張星宇, 張小明, 左秀江, 等. 500kV氣體絕緣金屬封閉開關設備盆式絕緣子放電故障原因分析[J]. 電氣技術, 2021, 22(8): 48-54.

[10] 鄭書生. GIS局部放電金屬環小孔式UHF檢測方法的可行性分析[J]. 產業與科技論壇, 2013, 12(22): 59-60.

Performance analysis of a new partial discharge ultra-high frequency sensor

HE Junda LIAO Zhaoyi CHEN Bingxin

(Dongguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Corporation, Dongguan, Guangdong 523000)

Partial discharge phenomenon is the main manifestation of the deterioration of the insulating material of electrical equipment. How to effectively detect the partial discharge signal, so as to reduce the occurrence of electric insulating equipment breakdown accidents, is of great significance for the safe operation of power equipment. In this paper, a novel antenna connector (AC)-type partial discharge ultra-high frequency (UHF) sensor is developed for the existing external partial discharge sensor applied on Shanghai Siyuan gas insulated switchgear (GIS) basin insulators, and the structural design of the sensor is introduced. The experimental results show that the sensor designed in this paper has excellent performance in monitoring bandwidth and sensitivity, which can effectively improve the sensitivity of partial discharge monitoring and enhance the detection intensity by about 30dB compared with the conventional external local discharge sensor.

partial discharge; gas insulated switchgear (GIS); ultra-high frequency (UHF) sensors; pot insulators

2023-10-17

2023-11-27

何俊達（1984—），男，廣東省東莞市人，本科，高級工程師，主要從事高電壓與絕緣技術、電力設備狀態監測方面的研究工作。