用于GIS局部放电检测的电容型传感器

2003年4月重庆大学学报Apr.2003

第26卷第4期JOurnaI Of ChOngging University VOI.26 NO.4文章编号：l000-582X（2003）04-0086-04

用于GIS局部放电检测的电容型传感器!

许高峰，侍海军，唐炬，朱伟，魏钢，唐治德

（重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室，重庆400044）

摘要：气体绝缘组合电器（GIS）的同轴结构有利于局部放电激发的电磁场传播，为内部传感器检测局部放电提供了有利的条件，针对GIS结构及其中局部放电的特点，设计了用于局放信号检测的圆板型和圆环型两种内置电容耦合式传感器，描述了该传感器的结构。通过方波响应试验仿真与试验实测研究了传感器频率响应特性，并采用方波信号输入输出关系曲线分析了传感器对暂态信号耦合的输入输出特性。用所设计的传感器进行GIS模拟装置中电晕放电脉冲实测，实测结果表明设计的传感器性能可靠，灵敏度较高，可用于GIS局部放电的测量。

关键词：气体绝缘组合电器；局部放电；传感器；方波响应

中图分类号：TM835文献标识码：A

气体绝缘组合电器内部有时会存在一些绝缘缺

陷［l-2］，如内部杂质、导电体上毛刺、浮电位和固体绝

缘表面脏物等。这些缺陷通常比较微小和隐蔽，不足以在工频耐压试验时被发现，但投入运行后在正常运行电压作用下会发生局部放电，在长期运行过程中绝缘缺陷会逐渐发展扩大，最终导致绝缘事故，因此有必要对GIS进行局部放电检测。

GIS内部局部放电总是在小范围里发生，且具有极快的击穿特性［2］，这种局放陡脉冲包括从高频到超高频的频率成分。通过安装于GIS内部的传感器［3-5］，耦合局放信号，就可以有效地监视GIS绝缘状况，并及时发现内部绝缘缺陷。由于局部放电信号微弱，而且等值频率极高，因而要求传感器有很高的灵敏度和良好的频率响应特性。

笔者设计了两种结构的内置传感器，安装在GIS 模拟装置内部不同位置，通过传感器方波信号耦合试验分析传感器的信号耦合线性度，通过传感器方波响应分析传感器的频率响应特性，并采用该传感器对GIS模拟装置中实际局放脉冲进行了测量。

l 传感器结构

为了进行GIS局部放电检测的研究，结合实验室的GIS模拟装置尺寸，设计了用于检测GIS局部放电的圆板型和圆环型两种内置传感器，其结构如图l

所示。内置传感器安装在模拟装置外壳上，其结构和安装不影响GIS内部的电场分布。

图l 电容传感器结构示意图

圆板或圆环对内导体和对金属接地外壳都具有一定的耦合电容作用，分别用!

l

、!

2

来表示，如图2。对

于圆板传感器，其对地耦合电容!

2

为圆板电极与凹形底面和传感器安装孔侧壁之间的耦合电容；对于圆环

!收稿日期：2002-l2-l8

基金项目：重庆市应用基础基金资助项目（2002-45）

作者简介：许高峰（l975-），男，湖南衡南人，重庆大学博士生，主要从事电气设备在线监测及故障诊断研究。

传感器，其对地耦合电容C 2主要由圆环电极与GIS 外壳之间的耦合电容形成。为了保证耦合信号的幅值和波形质量，要求传感器电极对地耦合电容要适当，并且杂散电感微小。在不考虑其他因素的影响下，局部放

电信号检测可用电容分压模型来分析

［3，6］

。图2 GIS 局放检测传感器截面图

电容传感器在耦合局部放电脉冲信号的同时也会

耦合工频电压信号，耦合的工频电压过高，会影响局部放电信号的获取，因此需对工频信号进行一定隔离，采

取措施如图1，

即电容传感器并联电阻R r ，此时的等效电路（不考虑信号引线）如图3

。

图3 电容传感器加工频隔离电阻耦合等效电路图

当电阻R r 较小时（10k !

号，

R r 和C 2并联后的阻抗值近似为R r 。这样，相当于R r 和C 1串联，工频电压几乎全部降在C 1上。而对于

高频脉冲信号，

C 2形成的容抗远小于电阻R r ，就相当于C 1和C 2串联分压，故对于GIS 内局部放电高频信

号"u （t ）和传感器耦合输出u （t ）O 有如下关系：

u （t ）O t C 1"u

（t ）/（C 1+C 2）故传感器并联适当电阻其频率响应具有高通特性，相当于一个高通滤波器，能有效抑制低频信号。

针对实际制作的电容传感器，对其耦合电容C 2分别进行了理论计算与实测，表1给出了圆板传感器和圆环传感器耦合电容的计算值和实测值。

表1 传感器耦合电容

传感器类型计算值/pF

实测值/pF

圆板传感器8.79圆环传感器

19.6

21

由于实际制作的传感器与理论设计有差别，并且理论计算公式不能考虑到所有的影响因素，得到的理论计算值与实际测量值有一定偏差，但很微小。

2 传感器频率响应特性

为考核系统测量脉冲信号的能力，必须对测量系

统的频率特性进行分析研究。研究方法通常有两种，一是幅频特性法，二是方波响应特性法，对于陡脉冲信号测量系统，一般选用后一种方法分析。2.1 传感器方波响应仿真

针对制作的传感器结构和实测参数，采用Saber 高级仿真软件对GIS 测量系统进行方波响应模拟仿真。传感器方波响应仿真电路模型如图4所示。所用方波信号U m 的时域波形如图5所示，方波源信号的

下降沿时间约10ns ，

幅值为340V

。图5 方波信号时域波形图

在仿真电路中，C 1为传感器电极对GIS 模拟装置内导体的耦合电容，C 2为传感器电极对地耦合电容，在传感器上并联工频隔离电阻R r =66.7k !，传感器

耦合信号经过同轴电缆传输，同轴电缆采用分布参数电路等效，在电缆末端加50!的测量匹配电阻R L 。

由理论计算与实测结果确定耦合电容C 1、C 2，对圆板传感器，取C 1=0.016pF ，C 2=9pF ；对圆环传感器，取C 1=0.156pF ，C 2=21pF 。

由仿真得到的传感器模拟方波响应U n 波形如图6所示。

从传感器的方波响应仿真波形可知，圆板型传感器和圆环型传感器只能感应方波信号的上升沿和下降沿，仿真得到的方波响应波形下降沿时间与方波源信号相同，为10ns ，有较理想的方波响应特性。2.2 传感器频率响应实测

为验证仿真结果，对该模拟系统进行了方波响应的实测。实测回路如图7所示。方波信号U p 如图8（a ）所示，下降沿时间为10ns ，幅值为344V 。

传感器响应信号通过50!高频同轴电缆传送到示波器（TektrOnic 公司TDS3012B ）直接测量，方波响

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