C-06 气体绝缘变压器局部放电超高频在线监测系统研究.pdf

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1、气体绝缘变压器局部放电超高频 在线监测系统研究 气体绝缘变压器局部放电超高频 在线监测系统研究 张晓星1,王震1,唐炬1,刘蕾2,魏燕2（1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆市，400044;2.重庆市电力公司城区供电局，重庆市，400010)摘 要：摘 要：SF6气体绝缘变压器(GIT)在城市电网中得到广泛应用，建立 GIT 局部放电在线监测系统，对准确掌握设备内部绝缘运行状态和指导检修具有重要意义。根据现场 GIT 的结构和运行特点，设计了适用于现场局部放电检测的外置超高频微带贴片天线（MPA）传感器，采用选择天线基板材料、厚度、附加阻抗匹配和多调谐回路等频带展宽技

2、术，设计的天线有效工作频带为 340-440MHz（驻波比97%(Vol)湿 度2000L/L(20oC)气体分析CO：300L/L CO2：3000L/L CF4：确认增长趋势 F-：0.1g/g C2F6、SO2、SOF2、SO2F2：未检出 N2+O2、CH4：无标准*以上项目的检测周期为：两年或必要时。重庆市电力公司城区供电局新民街变电站使用了三台日本三菱电机的 GUR-VSG-110kV SF6绝缘变压器，容量为 31.5 MVA，SF6气体压力为 0.14 MPa。其中 1#主变在 2002 年气体分析时，发现 CF4大大增长并超标，达到400l/L，显示内部放电性故障涉及到固体绝

3、缘材料，经返回日本原厂检修，故障为线圈匝间短路，造成了巨大经济损失。因此有必要寻求 GIT 在线监测的新方法。电气设备最通常的电气故障特征是在绝缘完全击穿或闪络前发生局部放电（Partial discharge PD）5-9。因此，本文研制了一套GIT 超高频（UHF）在线监测系统，在绝缘子 上 安 装 了 外 置 超 高 频 微 带 贴 片 天 线(Microstrip patch antenna，MPA)传感器，基于Microsoft.NET 平台的编程语言 C#开发了GIT 在线监测系统软件，实现了重庆城区供电局三台 GIT 的局部放电在线监测和故障诊断，取得了良好的效果。2 GIT 超

4、高频在线监测系统 2.1 监测系统组成 GIT绝缘子GIT绝缘子MPA天线传感器MPA天线传感器信号调理单元放大滤波器计算机采集单元系统软件监测软件 分析软件二十选一多路开关I/O模块 图 1 GIT 局部放电 UHF 在线监测系统 如图1所示，GIT局部放电在线监测系统由超高频MPA传感器，信号调理单元，数字I/O控制模块，计算机和高速数据采集卡构成。实现了对GIT绝缘子泄漏的超高频局部放电信号的在线监测，对采集到的PD信号进行分析，进而对GIT的放电情况、绝缘状况做出判断。2.2 超高频微带天线 微带天线具有剖面薄、体积小、重量轻，具有平面结构，馈电网络可与天线结构一起制成等优点10-13

5、，其外形适于现场安装，而它频带较窄的主要缺点，可通过本文所述的展频技术来克服。微带贴片天线由矩形金属贴片、介质板、金属底板和馈线四部分构成，如图 2 所示。微带贴片天线是由矩形金属贴片粘贴在背面有导体接地板的介质板上形成的，天线利用金属贴片和金属底板之间的缝隙接收电磁波，并转化为高频电流，用同轴探针作为馈线进行馈电，通过 50 同轴射频电缆把信号引给检测设备。图 2 微带贴片天线结构示意图 微带天线的主要缺点是频带较窄，其相对带宽约为中心频率的 1%6%，不能满足局部放电检测的要求。因此采用如下技术方法对 MPA 进行频带展宽10-13：1）采用r较小的基板：介质基板选用介电常数较低的聚乙烯泡

6、沫材料，降低了介电常数r，天线的储能随之变小，使辐射对应的rQ降低，从而使频带变宽；2）采用厚基板：选定材料后，为了进一步减小介电常数，在基片与金属底板间用空气做介质材料，使厚度 h 的增加，辐射电导也随之增大，辐射对应的rQ和总Q值降低，使得频带加宽；3）采用附加阻抗匹配：MPA 的等效电路可视为 RLC 并联谐振电路，在背馈情况下，馈电探针可视为一个电抗，此时可附加一个串联电容，构成串联谐振电路，并使它与 MPA 等效的并联谐振电路谐振频率相同，串并联谐振回路在谐振频率附近的电抗趋于抵消，避免了偏离谐振时电抗的迅速变化，从而展宽了频带。4)修改等效电路为多调谐回路：实现多调谐回路的一种有效

7、设计是采用双层结构，如图 3 所示，其中下层导体贴片为馈电元，上层导体为寄生元。这类结构有两个导片，因而形成两个谐振回路，具有两个谐振频率。当两个频率适当接近时，便形成频带大大展宽的双峰谐振回路。图 3 双层微带天线示意图 工程上常用电压驻波系数 VSWR 表征天线与馈线匹配情况4。图 4 中曲线 1 是采用Ansoft HFSS 仿真的电压驻波比，曲线 2 是利用 HP8720D 标准网络分析仪实测的微带天线的电压驻波比。由图可知，微带矩形贴片天线的中心频率为 390MHz,驻波比小于 2 的绝对带宽为 340MHz-440MHz，且仿真曲线比实测曲线的电压驻波比小，效果好，实测的驻波比有一

8、定的偏差，但基本在误差范围内。在天线工程中，相对带宽 B0.1 为窄带天线，而现在本文设计的 MPA 的相对带宽为25.6，达到宽频天线范围。图 4 微带贴片天线仿真与实测电压驻波比 MPA 在 400MHz 的方向图如图 5 所示。图 5 微带贴片天线 400MHz 处的方向图 从图5中可看出，MPA传感器在=0时，具有最佳方向性；当=0时，270时方向性最差，当=90时，120时方向性最差。采用两相同天线法实测 MPA 天线增益为5.38dBi，可见微带传感器的增益较高，有利于检测微弱信号和后续阶段的信号处理。2.3 信号调理单元及数据采集单元 信号调理单元包括多路开关和放大滤波器，二十选

9、一多路开关来实现多路传感器信号的选通，然后经过放大滤波器后通过高频传输电缆传输给数据采集单元处理。数据采集单元采用采样率为5GS/s，模拟带宽为500MHz的双通道高速采集卡，单通道最大存储长度为8M14-15。2.4 监测系统软件 GIT在线监测系统软件是基于Microsoft.NET平台的编程语言C#开发的，实现了多路开关的控制和多路超高频PD信号的采集，具有PD信号软件滤波、频谱分析、模式识别、阈值报警、放电历史趋势等综合分析功能，进而对GIT绝缘运行状况进行诊断。系统主要监测界面如图6所示。图6 系统监测界面 3 GIT 现场实测 3.1传感器安装位置 根据现场查勘，针对 GIT 结构

10、和绝缘件分布特性，传感器安装位置分别选取以下六个绝缘子所在点（如图 7 所示），三台 GIT 合计 18 个 MPA 传感器监测点。a.电缆进线侧安装的 3 个传感器 b.下方风机管道处安装的传感器 c.变压器箱顶散热管处安装的传感器-110kV 侧及10kV 侧 图 7 MPA 传感器安装位置 在外观结构设计上，为了 MPA 能有效接收绝缘子处泄漏的电磁波，而对周围空间电磁干扰抑制作用，在 MPA 天线背面和部分侧面采用金属材料对天线进行了屏蔽，屏蔽时留出靠近 GIT 绝缘子的天线接收面。接收面做成弧形，其尺寸、弧度与 GIT 的绝缘子相匹配。在 GIT 局放监测现场，MPA 用铝片环抱在绝

11、缘子法兰上。由于 MPA 的方向性，绝缘子泄漏的电磁波得到最大增益，而从侧面耦合的干扰信号增益较小。3.2 局部放电波形分析 a.1#主变测得的PD信号 b.2#主变测得的PD信号 c.3#主变测得的PD信号 图 8 现场 GIT 采集的 UHF 局部放电信号 图 8 为现场三台 GIT 采集的典型 UHF 局部放电信号，从图中可以看出 MPA 传感器可以测量出明显的局部放电信号，信噪比较高，但三台 GIT 测得的 PD 信号大小不同，没有明显的可比性。其中 1#主变放电幅值最小，低于 10mV；2#主变压器放电信号强烈，在 100mV左右，3#主变放电幅值处于两者之间。同一时刻，三台 GIT

12、 下方风机管道处 MPA 测得的PD 信号幅值最小，低于其余 5 处 MPA 传感器测得的信号幅值。上述现象是因为UHF检测系统与GIT设备没有直接的电接触，MPA传感器测量的信号幅值和局放源位置、类型、传播路径密切等因素相关，因此简单的使用PD信号幅值作为依据难以对GIT内部绝缘运行状态进行准确判断。3.2 局部放电历史趋势 通过连续测量 UHF 局部放电信号在一段时期的 PD 信号幅值，以纵向比较为主、横向比较为辅的原则，对其变化率进行分析，结合运行经验，综合判断 GIT 设备是否需要检修。a 三台 GIT 电缆进线侧 C 相放电趋势对比 b 三台 GIT 电缆进线侧 B 相放电趋势对比

13、c 三台 GIT 电缆进线侧 A 相放电趋势对比 图 9 三台 GIT 同侧 PD 信号放电趋势对比分析 图 9 为 2009 年 1 月至 5 月，三台 GIT 同侧MPA传感器检测的PD信号平均最大放电量历史趋势对比分析，从图中可知，几个月以来，1#主变放电量较小，最大放电量在几 mV10mV 之间；2#主变放电量较大，最大放电量在 15mV120mV 之间；3#主变放电量在几mV100mV 之间。从长期趋势来看，三台 GIT 的 PD 放电量均在一个箱体内振荡变化，表示设备运行正常。根据因此可以初步定义警戒值等于箱体的上限值1.2 倍，如果未突破箱体，则表明变压器运行正常；如果突破箱体向

14、上，短期内放电量上升并达到警戒值，则表明 GIT内部绝缘继续劣化，可能导致故障。运用定义的警戒值对放电趋势进行分析，要注意和其余两台变压器趋势进行横向比较，以排除负荷变化的干扰。如果其它两台变压器的放电趋势不变，则可能是本变压器绝缘劣化。如果三台变压器 PD 信号幅值同步增长，则可能是负荷增加导致。4 结论 1）采用选择天线基板材料、厚度、附加阻抗匹配和多调谐回路等频带展宽技术，研制的 MPA 天线工作频带 340MHz-440MHz，相对带宽 25.6%，达到宽频带天线范围，其增益达到了 5.38dBi，可用于微弱 PD 信号的检测。2）研制了由 MPA 传感器，信号调理单元，数字 I/O

15、模块，计算机和高速数据采集卡构成的 GIT 局部放电在线监测系统，开发了基于 C#的监测系统软件。3）通过现场运行，研制的在线检测系统能实现 GIT 现场的局部放电信号的长期在线监测，为 GIT 的状态检修提供了大量的可靠数据。4）由于 GIT 在线监测尚无可借鉴的现成经验，重庆新民街 GIT 监测系统的运行时间不长，积累的数据量仍较少，对警戒阈值、局部放电量与运行状况间的内在关系尚未完全研究清楚，宜采用逐年监测跟踪，以纵向比较为主、横向比较为辅的原则，对放电幅值变化率进行分析，结合 GIT 的气体检测试验，综合判断设备是否需要检修，为 GIT 设备的安全运行奠定基础。参考文献 1 胡红红,周

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