气体绝缘变压器局部放电超高频在线监测系统

高电压技术　第36卷第7期2010年7月31日
High Voltage Engineering ,Vol.36,No.7,J uly 31,2010
气体绝缘变压器局部放电超高频在线监测系统
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400030;
2.重庆市电力公司城区供电局,重庆400010)
摘　要:SF 6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。

为此根据现场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、附加阻抗匹配和多调谐回路等频带展宽技术,设计的天线有效工作频带为340～440M Hz (驻波比<2),相对带宽2516%,最大增益达到5138dB 。

MPA 传感器安装在电缆进线侧、风机管道处、110kV 侧及10kV 侧散热管处的GIT 绝缘子上,构建了GIT 局部放电在
线监测系统,开发了基于#
C 的监测系统软件。

通过重庆市新民街GIT 变电站运行,运行结果表明,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。

关键词:SF 6;气体绝缘变压器;微带贴片天线;局部放电;超高频;在线检测中图分类号:TM835文献标志码:A 文章编号:100326520(2010)0721692206
基金资助项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)
(2009CB724506);国家自然科学基金(50977095)。

Project Supported by National Basic Research Program of China (973Program )(2009CB724506),National Natural Science Founda 2tion of China (50977095).
GIT Partial Discharge UHF On 2line Monitoring System
ZHAN G Xiao 2xing 1,WAN G Zhen 1,TAN G J u 1,L IU Lei 2,WEI Yan 2
(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equip ment &System Security and New Technology ,
Chongqing University ,Chongqing 400030,China ;
2.Chengqu Bureau of Chongqing Electric Power Company ,Chongqing 400010,China )
Abstract :According to the structure and operating characteristic of gas insulated transformer (GIT ),an outer ultra high f requency (U HF )microstrip patch antenna (MPA )sensor was designed suitable for detecting the partial dis 2charge on site.Some effective methods for expanding bandwidth are utilized in the design process ,such as choosing the material ,adding impedance matching and multi -tuning loop.The effective working bandwidth of the antenna is 340～440M Hz ,and the relative bandwidth is 25.6%,at the same time ,the maximal gain reaches 5.38dBi.MPA sensors were installed on the GIT insulators ,which were located in the cable section of incoming line ,fan duct ,cooling pipe of 110kV and 10kV side.Then online monitoring system for GIT was structured and detecting system software based on
#
C was developed.Through the operation of GIT substation in Xinmin street of Chongqing City ,
the results show that the online monitoring system developed can detect U HF GIT PD signal for a long time ,which have provided lots of reliable data for condition 2based maintenance.
K ey w ords :SF 6;gas insulated transformer (GIT );microstrip patch antenna (MPA );partial discharge (PD );ultra high f requency (U HF );on 2line monitoring
0　引言
SF 6气体绝缘变压器(gas insulated t ransform 2er ,GIT )是一种不燃不爆的环保型变压器,它不仅
克服了油浸变压器易燃、运行不安全的缺点,还克服了干式变压器容量小的缺点,因此,GIT 在地下变电站和场地狭窄、人口密集、防火要求高的市区等场所的使用日益广泛[1,2]。

目前,国内使用GIT 的城
市有:北京、深圳、重庆、广州和香港等地,均已取得
了较好的社会和经济效益。

GIT 的结构原则上与油浸式变压器相同,其结构与设计上的特点主要在于绝缘和散热冷却两个方面:GIT 的主绝缘结构,即铁心与线圈、线圈与线圈之间采用纸筒和SF 6气隙(由层压纸板撑条隔开纸板的空道)组成。

GIT 一、二次侧绕组间、绕组对地之间的主绝缘的绝缘强度主要决定于SF 6气体的绝缘强度。

为增强绝缘和散热性能,采用提高SF 6气体压力方式,但也不能因采用过高的压力,而增加箱体的设计制造难度。

一般小型变压器采用011M Pa 的压力,中型变压器采用约0114M Pa 的压力,大型的变压器应选择更高的压力。

由于SF 6气体
2
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的热传导性能不如油的好,因此中型以上GIT都采用强迫气体循环方式[124]。

GIT内部存在绝缘缺陷情况下,如出现过热、放电等故障时,会产生HF、CF4、SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10、SO2及SF4等杂质。

因而,目前普遍采用检测特征气体含量方法对GIT故障进行诊断[1,2,427]。

国内使用的大多数GIT的生产厂家是日本三菱公司。

日本三菱公司虽然对SF6变压器气体分析提出了有关的监督标准,且根据实际的运行情况不断地更新相关的监督标准,但由于GIT的运行情况和故障种类复杂多样,其在运行维护方面仍然存在较多问题,国内也报道过几次GIT
故障事故[1]。

重庆市电力公司城区供电局新民街变电站使用了3台日本三菱电机的GU R2VSG2110kV SF6绝缘变压器,容量为3115MVA,SF6气体压力为0114 M Pa。

其中#1主变在2002年气体分析时φ(CF4)大大增长并超标,达到400×10-6,显示内部放电性故障涉及到固体绝缘材料,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(PD)[8212]。

因此,本文研制了一套GIT超高频(U HF)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(micro s2 t rip patch antenna,M PA)传感器,基于Microsoft. N ET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3台GIT的局部放电在线监测和故障诊断,取得了良好的效果。

1　GIT超高频在线监测系统
1.1　监测系统组成
日本三菱公司提出的监督标准如表1所示。

如图1所示,GIT局部放电在线监测系统由超高频M PA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组成。

1.2　超高频微带天线
微带天线剖面薄,体积小,质量小,具有平面结构[13218],适于现场安装。

其主要缺点是频带较窄,相对带宽约为1%～6%,不能满足U H F检测的要求。

采用如下技术对M PA进行频带展宽[13218]:①采用相对介电常数εr较小的基板和厚基板,使天线储能变小,辐射功率P r引起的品质因数的Q r和总品质因数Q值降低,使得频带加宽;②采用附加阻抗匹配,天线的馈电探针可视为电抗,可附加串联电容构成串联谐振电路,使它与M PA等效的并联谐振电
图1　GIT局部放电UHF在线监测系统
Fig.1　GIT PD UHF on2line monitoring system
表1　GIT气体分析监督标准
T ab.1　Supervision stand ards of GIT gas analysis
项　目要　求
φ(SF6)/%97
20°C时φ(H2O)/10-6<2000
φ(CO)/10-6<300
φ(CO2)/10-6<3000
CF4确认增长趋势
w(F-)/10-6<0.1
C2F6、SO2、SO F2、SO2F2未检出
N2+O2、CH4无标准
注:以上项目的检测周期为2a或必要时。

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,从而展宽了频带。

③修改等效电路为多调谐回路,如采用双层结构,其上下两层贴片形成两个谐振回路,两频率适当接近时便形成频带展宽的双峰谐振回路。

图2中曲线1是采用Ansoft HFSS仿真的电压驻波比,曲线2是利用H P8720D标准网络分析仪实测的微带天线的电压驻波比。

由图2可知,仿真和实测较为符合,天线的中心频率为390M Hz,驻波比<2的带宽为340～440M Hz,相对带宽为2516%,达到宽频天线范围。

MPA在400M Hz的方向图如图3所示,图中, <、θ为球坐标系中的角度变量。

从图3中可看出, M PA传感器在θ=0时,具有最佳方向性;方向角发生变化时,增益降低。

采用两相同天线法实测M PA天线相对于无方向天线之功率增益达到5138dB,利于检测微弱信号和后续阶段信号处理。

1.3　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,多路开关用来实现多路传感器信号的选通,经放大滤波器后通过高频电缆传输给数据采集单元处理。

数据采集单元采用采样频率5GHz,模拟带宽500
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图2　微带贴片天线仿真与实测电压驻波比
Fig.2　Simulated and measured V SWR of
MPA
图3　微带贴片天线400MH z 处的方向图
Fig.3　G ain pattern of MPA at 400MH z
M Hz 的双通道高速采集卡,最大存储深度为8MB [19,20]。

1.4　监测系统软件
GIT 在线监测系统软件是基于Microsoft .N ET 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。

2　GIT 现场实测
2.1　传感器安装位置
重庆新民街变电站是一个地下变电站,3台GIT 分别位于3个变压器室,变压器室内壁均覆盖
铝膜。

根据现场查勘,针对GIT 结构和绝缘件分布特性,传感器安装位置分别选取以下6个绝缘子所在点(如图4所示),3台GIT 合计18个M PA 传感器监测点。

为了M PA 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M PA 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
图4　MPA 传感器安装位置
Fig.4　Field installation of MPA
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 用铝片环抱在绝缘子法兰上。

MPA 的方向性使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。

2.2　局部放电波形分析
图5为现场3台GIT 采集的典型U H F 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3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,<10mV ;#2主变压器放电信号强烈,约100mV ,#3主变放电幅值处于两者之间。

同一时刻,3台GIT 下方风机管道处M PA 测
4961高电压技术2010,36(7)
图5　现场GIT 采集的UHF 局部放电信号
Fig.5　PD UHF signals sampled from f ield GIT
得的PD 信号幅值最小,低于其余5处M PA 传感器测得的信号幅值。

上述现象是因为U H F 检测系统与GIT 设备没有直接的电接触,M PA 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。

在#1GIT 同一个绝缘子处,同时采用两个M PA 传感器监测GIT 内部PD 信号,其中一个传感器接收面正对绝缘子,另外一个传感器接受面偏转45°,检测的波形如图6所示。

从图6中可见,正对绝缘子的传感器检测的PD 信号远大于接收角偏转的传感器,由此可见,研制的M PA 传感器方向性极佳,能较好地接收由绝缘子泄漏出来的局部放电产生的电磁波信号,对外部的电磁波干扰信号有较强的抑制。

2.3　局部放电历史趋势
通过连续测量U H F 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。

图7为2009201/05,3台GIT 同侧M PA 传感器检测的PD 信号平均最大幅值历史趋势对比分析,从图中可知,几个月以来,#1主变放电幅值较小,最大幅值在几～10mV 之间;#2
主变放电幅值
图6　不同接收角MPA 采集的局部放电信号
Fig.6　PD signals sampled from MPA with different
receiving
angles
图7　3台GIT 同侧PD 信号放电趋势对比分析
Fig.7　Lpsilateral PD signal trends and comparative
analysis of 3GITs
较大,最大幅值在15～120mV 之间;#3主变幅值在几～100mV 之间。

从长期趋势来看,3台GIT 的PD 放电信号幅值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的112倍,若未突破箱体,则表明变压器运行正常;如果突破箱体向上,短期内放电幅值上升并达到警戒值,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2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3台变压器
5
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PD信号幅值同步增长,则可能是负荷增加导致。

3　结论
a)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M PA天线工作频带340～440M Hz,相对带宽2516%,增益达到了5138dB,可用于微弱PD信号的检测。

b)研制了由M PA传感器,信号调理单元,数字I/O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。

c)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。

d)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。

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ZHAN G Xiao 2xing Ph.D.,Professor
张晓星
1972—,男,博士,教授
主要从事高压电气设备绝缘在线监测和故障诊断技术研究工作
E 2mail :zhxx @
收稿日期　2009209201　修回日期　2010205231　编辑　李　东
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