1 000 kV GIS超声波在线检测系统设计与应用研究

汤会增

(国网河南省电力公司检修公司，河南 郑州，450007)



1 000 kV GIS超声波在线检测系统设计与应用研究

汤会增

(国网河南省电力公司检修公司，河南 郑州，450007)

摘要：提出了1 000 KV GIS超声波局部放电在线检测系统整体设计方案，并对系统的硬件和上位机界面进行设计。信息采集处理单元以TMS320单片机为控制核心，基于AD620的前置放大单元具有较高检测精度。运用1 000 kV GIS超声波检测系统对4种绝缘缺陷进行模拟试验，得出超声波检测法的特点。该系统成功发现某1 000 kV GIS盆式绝缘子故障，工程实际应用效果良好。

关键词：超声波；TMS320；GIS局部放电；前置放大器

Abstract：An overall design scheme of on-line detection system for ultrasonic partial discharge in 1 000 kV gas insulated switchgear (GIS) is presented, and the hardware part and software part of detection system are designed. Information acquisition and processing unit takes TMS320 single-chip microcomputer as control core, and the preamplifier unit based on AD620 has a higher precision. Through the simulation tests of four conventional insulation defects by ultrasonic detection system in 1 000 kV GIS, the characteristics of ultrasonic detection system are summarized. The proposed system has successfully found a basin-type insulator damage in 1 000 kV GIS, which has a good engineering practical application effect.

Key words：ultrasonic; TMS320; GIS partial discharge; preamplifier

0引言

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear，GIS)是将断路器、隔离开关、接地开关、母线等多种设备全部封闭在充满SF6气体(作为绝缘和灭弧介质)金属外壳中的组合式开关电器[1]，1 000 kV GIS是特高压输变电工程中的关键设备，一旦出现故障，将可能造成电网重大事故发生[2]。绝缘降低是GIS设备故障的主要原因，对GIS进行在线局部放电(partial discharge，PD)检测可有效掌握GIS内部绝缘状况，预防GIS故障跳闸造成电网事故。GIS发生局部放电时会产生包括纵波、横波和表面波的声波向四周传播，超声波检测法，即用超声探头检测局部放电处的超声、振动信号，是目前监测GIS设备局部放电的有效方法之一[3]。

1检测系统设计

1.1检测原理及结构

超声波测量法原理如图1所示，超声波传感器安装在GIS外壳上，不会对GIS运行和操作产生任何影响，其通常测量20～100 kHz频率范围，可以剔除外界的干扰信号，获得较好的信噪比，抗电磁干扰性能好，原理简单，可以实现放电类别识别和定位，易于实现在线监测。

图1　超声波在线检测系统原理框图

在1 000 kV GIS外壳或盆式绝缘子上装设超声波探头，超声探头实时采集GIS放电信号并将这些信号用光纤传输到光中继站，转化为电信号后经过放大、处理和存储后，有上位机软件进行分析处理，并提供显示、打印及远传。系统结构框图如图2所示。

1.2定位方法

GIS局部放电伴随相应的超声脉冲，超声传感器接收同一放电声波的时间因在GIS上的安装位置不同而有所差异，可利用PD产生的声电信号时间差对PD进行空间定位。超声传感器与放电源距离S的关系为S=tn×C。式中：tn为放电点产生的超声波信号到达n号传感器的时间；C为横波在壳体中的传输速率。通过对某相同信号的时间差、幅值进行同步记录，求出距多个传感器的距离S1,S2,…Sn，通过对以上所求距离的组合分析来确定PD的坐标。

图3　超声波探头的实际安装位置图

2硬件系统

检测系统主要组成部分是超声波传感器、光中继站、前置功率放大器、多通道数据采集系统和上位机软件等。主要技术参数如下：超声探头为低频谐振式NU40A18TR传感器；通道数：48个，用于监测GIS内部的放电；运用模式：66路采用并行模式；超声脉冲特性：5 μs；超声频率：30～220 kHz；相位外同步：50 Hz；使用电源：AC 220 V 500 W；光缆与电源线的安装：光缆是用ST头与传感器对接的；电源线是用二通道的Ф3.5插头对接的。

图4　GIS现场的超声波探头图5　现场小室光接收机

高灵敏度传感器对局部放电检测效果影响较大，系统采用压电陶瓷为材料的NU40A18TR外置式传感器，在局部放电产生的机械应力作用下利用压电陶瓷的正压电效应产生交变电场，声传感器将其转换为电信号，其输出电压V(t，x)=U(x，t)×T(t)，U(x，t)为表面位移波，T(t)为响应函数。利用此超声波传感器来接收GIS表面产生的机械振动，其灵敏度大于-80 dB，频带在17～220 kHz之间，谐振频率40 kHz，外观如图4所示。超声波传感器接收到的采样信号通过前端信号调理电路的处理后再经过射频耦合器隔离和高速A/D转换器将模拟信号数字化；最后再由DSP(digital signal processor)将转换过来的数字信号读取并存入RAM中。

由于超声波传播过程中衰减较快，因此需要选用增益较大的前置放大单元。如图6所示，前置放大电路采用增益可调的前置放大器AD620，其输入端连接2个0.1 μF耦合电容与100 kΩ的接地电阻R1、R2构成高通滤波器滤除低频噪声干扰，管脚4、管脚7与电源相连接，管脚5与地相接，管脚1、管脚8与电阻Rg进行连接，Rg为增益可以调节的电阻。由图7可知，在保证信号不失真情况下获得最大增益，Rg取210 Ω满足频率40 kHz左右信号检测要求，由此可得增益G为

CPLD(complex programable logic device)采用Altera 公司EPM7128S (PLCC84)芯片，DSP采用TI公司的DSP TMS320C6713。基于DSP和CPLD的多通道分布式高速数据采集系统能够实现同时采集现场多个超声波传感器检测到的数据。在逻辑控制模块CPLD的作用下,DSP控制信号能够产生同步采样信号，来控制不同信号的采集，以及模数转换模块进行采样和A/D转换。各模数采集卡中的数据由DSP读取并存储在RAM中，去除噪声干扰和取样分析工作也在DSP中完成，最后将处理后数据通过网络接口传送至上位机。

图6　前置放大电路图

图7　AD620的频率与增益对应图

图8　采样板系统框图

3客户端软件设计

客户端软件采用专家系统进行数据分析处理，综合运用数字滤波、动态阈值等抗干扰方法，来消除或抑制噪音干扰，能够实现同时对多路超声波信号的同步采集、传输、滤波、分析、报警、放电类型识别、放电位置定位、放电趋势分析、二维(Q-Φ，N-Φ，N-Q)和三维(N-Q-Φ)图表显示打印等功能。

图9　局部放电监测系统软件显示二维界面

4常见局部放电类型模拟试验

利用上述设计的超声波在线监检测系统对GIS模型进行检测，根据图10所示组建测试系统电路，实际测试系统模型如图11所示。其中变压器采用工频试验变压器200B4M-380 V/1 000 kV；限流滤波阻抗为工频试验保护电阻(GR 1 000-1/6)；超声波传感器为NU40A18TR低频谐振式传感器。

图10　GIS超声波局部放电测试系统电路图

图11　GIS超声波局部放电测试系统模型图

在GIS模型内部分别设置4种绝缘缺陷：导电杆上系一根长约为12 mm的铜丝模拟突出物缺陷，绝缘子表面沾上直径0.2 mm铜丝模拟附着物缺陷，环氧树脂绝缘棒中设置一个长约15 mm、直径为10 mm孔洞后再将表面封好来模拟绝缘子气隙缺陷，用数个约2×2 mm2和2×3 mm2的矩形薄铝片模拟微粒缺陷。试验过程中缓慢升高试验电压，仔细观察示波器中的信号及波形，超声波局放测试装置检测出如图12所示的放电灰度图。

图12　GIS 4种缺陷下的局部放电示意图

图12中a)绝缘子气隙缺陷在相位的正半周上和负半周都有放电现象，正半周较负半周的局部放电点总数多、相对脉冲幅值大。图b)绝缘子附着污染物缺陷局部放电产生的灰度图比较分散，电压较低时放电不明显，局部放电次数在相位上的分布范围较宽，放电特点并不明显。图c)自由金属微粒的局部放电灰度图相对较为集中，放电次数也更为集中，正半周与负半周均有放电现象，正半周的放电点与负半周基本均衡，负半周上放电幅值比绝缘子内部气泡缺陷幅值大一点。局部放电集中在20°～60°和180°～260°之间，表现为周期性的波动，具有良好的对称性。图d)金属突出物缺陷灰度图中，可以看出在工频正半周和负半周也都存在放电现象，在0°～60°放电量较少一些，但到240°～360°时放电现象开始明显，而且放电幅值也变大了。

通过实验测试可知，超声波传感器与GIS之间无任何电气联系，不受电气干扰，通过时间间隔可以定位PD。通过增大传感器增益和采用带通滤波器来减小外界不同频率特性振动因素的影响，在故障类型检测中对金属尖端、自由颗粒、悬浮电等缺陷具有较高灵敏性。

5一起局部放电实例分析

2013年03月12日12∶30，某特高压变电站1号主变压器1 000 kV侧 GIS组合电器C相隔接组合气室与母线气室间盆式绝缘子闪络放电，1号主变压器三侧开关跳闸后失电，造成华中地区部分电号，如图13(a)中C相C-T1通道放电量达到112 pC，网波动。12∶24 超声波在线检测系统发出告警信脉冲个数231，C-T1通道即为安装在C相隔接组合气室与母线气室间盆式绝缘子的超声波探头，图13(b)显示放电类型为盆式绝缘子放电。由于故障电流较大，1号主变压器保护动作，GIS设备停电，放电现象消失，所以只能够对放电初期信号进行采集。

图13　超声波信号现场分析图

将故障间隔GIS转检修后解体检查，发现绝缘子内部出现长且深的裂纹，与超声波检测系统检测结果一致。

6结论

所设计的基于TMS320单片机的1 000 kV GIS超声波在线检测系统，采用空间时间差的方法进行局部放电故障定位，采用灵敏度高的超声波传感器和基于AD620的前置放大电路图，通过带通滤波器排除外界振动干扰,能够有效检测金属尖端、自由颗粒、悬浮电、盆式绝缘子故障等绝缘缺陷，但此检测法现场要在GIS外壳和盆式绝缘子上安装多个传感器。

参考文献

[1]邱毓昌. GIS 装置及其绝缘技术[M]. 北京：水利电力出版社, 1994.

[2]刘振亚. 特高压电网[M]. 北京: 中国经济出版社, 2005.

[3]周广，刘勇，金正波，等.1 000 kV HGIS在线特高频技术在局放监测的应用[J].华中电力，2011,24(5):57-62.

[4]Lundgaard, L.E , G.Tangen, B.Skyberg, et at. Acoustic Diagnosis of GIS;Field Experience and Development of Expert System[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2013,7(1)： 287-293.

[5]罗勇芬, 孟凡凤, 李彦明. 局部放电超声波信号的检测及预处理[J]. 西安交通大学学报, 2006，40(8):964-968.

[6]Hasegawa y,Izumi K,Kobayshi A,et al. Investigation on Phenomena Caused by Insulation Abnormalities in Actual GIS[J] .IEEE Transactions on Power Delivery,1994,9(2):796-804.

中图分类号：TM595

文献标志码：A

文章编号：1003-6954(2016)02-0024-05

作者简介：

汤会增(1982)，硕士研究生、工程师，从事电力设备在线检测技术研究和超特高压变电运维管理工作。

(收稿日期：2015-11-19)