GIS局放在线监测测试系统、模式识别、定位与数据分析

及时、准确发现局部放电并消除局部放电是一切工作的根本目的。一、GIS局部放电在线监测方法概述1、局放产生的原因（1）绝缘体内部存在自由移动的金属微粒；（2）绝缘体内或高压导体表面上存在针尖状或其他形状突出物；（3）附近存在悬浮电位体或导体间连接点接触不好；（4）轻微局放或制造时造成绝缘体内部或表面存在气隙、裂纹等。2、监测方法当介质中发生局部放电时，会产生电脉冲、电磁波、超声波、局部过热、一些新的化学产物、光等特征，与此相应的出现了下面五种监测方法。2.1电测法（1）耦合电容法，又称脉冲电流法。利用贴在GIS外壳上的电容电极耦合探测局放在导体芯上引起的电压变化。该法结构简单，便于实现。在现场测试时，无法识别与多种噪声混杂在一起的局放信号，因此此方法的使用推广受到限制。（2）超高频法。其主要优点是灵敏度高，并通过放电源到不同传感器的时间差对放电源精确定位。但对传感器的要求很高，此法成本昂贵。2.2非电测法（1）超声波监测法。由于GIS内部产生局放时会产生冲击振动及声音，因此可用腔体外壁上安装的超声波传感器测量局放量Q。它是目前除UHF法外最成熟的PD监测方法，抗电磁干扰性能好，但由于声音信号在SF6气体中的传输速率很低(约140m/s)，信号通过不同物质时传播速率不同，不同材料的边界处还会产生反射，因此信号模式很复杂，且其高频部分衰减很快。它要求操作人员须有丰富经验或受过良好的培训，另外，长期监测时需要的传感器较多，现场使用很不方便。（2）化学监测法。通过分析GIS中局放所引起的气体生成物的含量来确定局放的程度，但GIS中的吸附剂和干燥剂会影响化学方法的测量；断路器正常开断时产生的电弧的气体生成物也会产生影响；脉冲放电产生的分解物被大量的SF6气体稀释，因此用化学方法监测PD的灵敏度很差。另外，该方法不能作为长期监测的方法来使用。（3）光学监测法。光电倍增器可监测到甚至一个光子的发射，但由于射线被SF6气体和玻璃强烈地吸收，因此有“死角”出现。该法监测已知位置的放电源较有效，不具备定位故障能力，且由于GIS内壁光滑而引起反射带来的影响使灵敏度不高。2.3上述五种监测方法对比对于某种监测技术的性能评估，首先要考虑的要素是模式识别、定位、放电强度三个方面的信息的准确性。监测技术是局部放电分析的基础，模式识别给出了导致发生局放的原因及类型，定位则给出了局放源的准确位置，放电强度给出了当前局放活动的剧烈程度，这三个方面信息的结合才能进行介质绝缘状态的合理准确评估。监测方法耦合电容法超高频法超声波法化学法光学法一般优点简单；灵敏度较高灵敏度高；可用于运行灵敏度高；抗电磁干扰不受电磁干扰不受电磁干扰中设备能力强一般缺点运行设备不能使用；信噪比低造价高结构复杂；需有经验人员操作灵敏度差；不能长期监测灵敏度差；需要多个传感器可达精度5pC0.5-0.8pC2pC很差差适用监测的放电源固定微粒；悬浮物；气隙和裂纹各种缺陷类型都适用自由移动的微粒；悬浮物放电情况严重时的缺陷固定微粒；针状突出物能否故障定位不能精确定位±0.1m苛刻条件需传感器多能判断放电气室能粗略定位故障类型判断能能能不能不能应用情况早期较多广泛广泛未应用未应用二、超高频法的测试系统1、局部放电辐射特高频电磁波的产生机理推荐文献：JuddMD,FarishO,HamptonBF.TheexcitationofUHFsignalsbypartialdischargesinGIS[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation,1996,3(2):213-228.JuddMD,FarishO,HamptonBF.BroadbandcouplersforUHFdetectionofpartialdischargeingas-insulatedsubstations[J].IEEpro-ceedings-Science,MeasurementandTechnology,1995,142(3):237-2432、监测频带300MHz-约3GHz以内。局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局部放电源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。研究表明在SF6气体及变压器油纸绝缘中局部放电所辐射出的电磁波范围可达数GHz的特高频范围。但频率越高，衰减越快，这是监测频带上限的原因。3、GIS中特高频电磁波的传播特性研究结果表明局部放电信号在GIS中是以横电磁波(TEM)和横电波(TE)、横磁波(TM)的形式传播，GIS的同轴结构相当于导引电磁波的波导管，TE波与TM波在其中传播的截止频率取决于GIS的结构尺寸，同时由于间隔的作用，1个GIS系统如同一系列的谐振腔，谐振腔中信号传播损耗小，信号传播时间长，通常1个ns级的局部放电信号可以持续10ms以上，有利于信号的检测。4、特高频法局部放电检测方法有特高频宽带检测法和特高频窄带检测法2种。特高频窄带测量的中心频率通常为几百MHz，带宽为几十MHz，窄带检测方法可以任意选择频带，因而可避开现场的许多干扰，能较有效地抑制外部干扰和提高信噪比，但其检测的是一个较窄频带内的信号，检测信号的能量会受到限制。西安交通大学的特高频局放检测是典型的窄带检测设备，采用混频的方法实现特高频信号的窄带检测。宽带检测法则将检测频带内的所有信号都送入检测系统，这种情况下信息量大，可以在足够宽的频率范围内对局部放电进行检测，避免遗漏放电特征峰。但如果有检测频带之内的干扰信号，会造成信噪比低，影响后续的分析。5、天线和放大器对GIS进行特高频局部放电检测的传感器包括天线、放大器和检波器。特高频天线根据安装方式可分为内置式和外置式两种。本身天线接收的UHF信号很微弱，为了减小信号衰减，提高灵敏度，放大器采用低噪音高增益UHF放大器，并在空间上紧密靠近天线。推荐文献：汲胜昌，土园园，李军浩，等.GIS局部放电检测用特高频天线研究现状及发展[J].高压电器，2015,51(4):163-172.6、检波器有文献在对传感器的介绍过程中对检波器进行了介绍。检波是指将UHF信号的高频成分滤除，仅保留信号的幅值和相位信息。UHF脉冲信号包含了丰富的表征放电类型、强度、局放源及传播途径等信息，检波会损失UHF信号中的部分信息，但依然保留了大量重要的PD信息，如PD脉冲峰值、相位、脉冲重复率等。UHF信号经检波输出后得到一个缓慢变化的包络信号，其幅值与UHF信号的峰值相对应。反映了局放UHF信号的大小和形状，并结合了工频相位信号，得到放电脉冲的相位分布。根据检波信号在工频信号上的相位分布及检波信号的波形特征，进行绝缘缺陷局放类型的识别。因此检波器是检波波形识别的关键器性。7、特高频法测试系统近年发展的评价局部放电的在线监测方面的应用越来越广泛。就特高频法本身而言，近十几年来并未有大的改变，但特高频信号的检测技术，特别是特高频传感器技术近年来的发展较快，涌现出了一系列不同结构、不同形式及适用于不同场合的特高频传感器。三、超声波监测法的测试系统1、局部放电激发超声波的产生机理在GIS等电气设备内部发生局部放电时会产生电荷中和的过程，相应的会产生较陡的电流脉冲，电流脉冲的作用将使得局部放电发生的局部区域瞬间受热而膨胀，形成1个类似爆炸的效果，放电结束后原来受热而膨胀的区域恢复到原来的体积，这种由于局部放电产生的一涨一缩的体积变化引起了介质的疏密瞬间变化，形成超声波，从局部放电点以球面波的方式向四周传播，因此当发生局部放电时也伴随着超声波的产生。2、声波频谱与监测频带局部放电产生的声波频谱分布很宽，约为10Hz到10MHz。监测到的声波频率随着不同的电气设备、放电状态、传播媒质以及环境条件的不同而改变。由于在SF6气体中声波的衰减很大，约为空气中的20倍，并且高频分量的衰减要比低频分量大得多，因此能检测到的声波低频分量比较丰富。在GIS中，除了局部放电产生的声波外，还有导电微粒碰撞金属外壳、电磁振动以及操作引起的机械波振动等发出的声波，但是这些声波的频率都比较低。在GIS的局部放电超声波检测中，超声波传感器的谐振频率一般在25kHz左右。3、超声波在GIS腔体内的传播规律GIS内局部放电的超声波信号可通过两条路径传播到超声传感器，一条是由局部放电源直接传播到GIS外壳内壁并透过金属壁到达传感器，即直达波，此部分超声波为纵向波。另一条是先以纵向波传播到GIS外壳内壁，再沿金属壁以横向波传播到传感器，此部分波为复合波。材料超声波频/kHz纵波速度/(m/s)横波速度/(m/s)吸收系数/(dB/m)空气50343\4×10-3SF650133\80铝50630031004×106环氧树脂20002600110010004、传感器常规的局部放电超声波检测采用压电超声波传感器，将超声波信号转化为电信号进行检测并传输。传统的压电式传感器检测技术已经发展的较为成熟。5、光纤技术在信号传输中的应用随着光纤技术的发展，近年来有学者开始研究利用光纤本身或者外部敏感元件将超声波信号转化为光强信号的变化，进而通过光敏元件转化为电信号进行局部放电的超声一光检测。较为常用的超声一光检测采用Fabry-perot,Mach-zehnder和Michelson3种干涉原理。由于光纤传感器本质为介电材料，其传输的是光信号，使用上安全性高；另外加上其良好的温度稳定性，因此可应用于高电压、强电磁干扰的恶劣环境；同时光信号衰减小，便于长距离传输，甚至可以将光纤传感器直接置于材料内部，和材料融为一体形成智能材料和结构。推荐文献有：王伟，土赞，吴延坤，等.用于油中局部放电检测的Fabry-Perot光纤超声传感技术[J].高电压技术，2014,40(3):814-821.司文荣，李军浩，袁鹏，等.超声一光法在高压电器设备局部放电检测中的应用[J].高压电器，2008,44(1):59-63.祁海峰，马良柱，常军，等.熔锥招合型光纤声发射传感器系统及其应用[J].无损检测，2008,30(6):66-69.6、超声波检测法的评价局部放电的超声波检测具有现场操作简单、应用便捷的特点，一直是现场运行人员局部放电检测的重要手段。在检测方法方面，传统的压电式传感器检测技术已经发展的较为成熟，目前利用光纤进行超声信号的检测是一个具有较大空间的发展方向。此外利用超声波信号进行局放源定位近年来也得到了快速的发展。四、故障诊断故障诊断是指对能够表征设备故障的信息进行有效检测和采集之后，进行如下三个主要步骤：（1）局部放电类型的模式识别：从该信息中获取能反映其最显著特征的参量，再通过构造恰当的分类器判断故障类型，判断故障的放电强度；（2）局部放电源定位：通过数学或者物理方法对故障源进行定位；（3）在确定故障类型与位置后对设备进行故障修复。其中，上述（1）和（2）两个步骤涉及大量算法，在算法的精确性及适用性上进行的研究，需要较为深厚的数学知识，也正是因为目前还没有哪一种算法做到完美，能够真正在现场检测中做到不需人工介入进行放电类型的准确识别，使算法研究成为局部放电领域最具有活力的研究方向，当然，这也与局部放电本身的复杂性及缺陷分类的不确定性以及实际有效样本的不足息息相关。五、局部放电类型的模式识别技术1、局部放电缺陷类型见“局放产生的原因”。2、特征提取方法对于绝缘缺陷局部放电类型的识别，首先要有能够准确描述放电类型的特征量，通常特征提取主要分为时域分析法和统计分析法。2.1时域分析法时域分析法对一次放电所产生的时域波形特征或其变换结果进行特征提取，但由于局放信号在传输过程中衰减畸变严重，难以准确提取特征量，这种方法现场应用效果欠佳。2.2统计分析法统计分析法采用统计参数来描绘局放特征，在局部放电模式识别领域是主要的特征提取方法。2.2.1PRPD谱图局部放电的局部放电相位分布(phaseresolved