一种特高频GIS局部放电无线便携检测系统的研制

薛爱惠平， 钱勇， 钟勇， 舒博， 盛戈皞， 江秀臣

(1.上海交通大学 电气工程系，上海 200240；2.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博 255000)

0 引 言

随着电力系统的发展，网络日益复杂，电压等级也逐渐升高，为了保障电力系统的安全稳定，电力设备的可靠性需求也就越来越高。

充有SF6的气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear，GIS)与传统的高压设备相比，有结构紧凑、占地面积小、可靠性高和维护便利等优点。因此，GIS在国内外电力系统中都已经得到了十分普遍的应用[1-2]。虽然GIS的可靠性相对较高，一般约为常规设备故障的十分之一，但绝缘故障始终是影响GIS的可靠性的一个主要原因。由于GIS在加工过程中可能存在毛刺，现场安装时内部混入杂质而产生绝缘缺陷[3]，绝缘子等部件受潮、脏污，以及GIS在长期运行时受到发热、雷电和过电压等因素的影响，绝缘发生劣化，性能下降，仍然有可能发生故障。而GIS一旦发生故障，就会引起巨大的损失。

局部放电(Partial Discharge，PD)是引起GIS故障的重要原因之一[4]，因此，局放检测是评估GIS绝缘状态的一个重要方法。目前，国内外主要采用局部放电的检测和诊断来评估GIS的绝缘状况。GIS的停电检修费时费力，因此，一般采用在线监测或带电检测的方式检测局部放电。目前，GIS局放检测方法有脉冲电流法、超声测量法和特高频(Ultra High Frequency，UHF)法[5-7]。UHF法检测局放所辐射出的特高频电磁波信号，有抗干扰性好，检测效率高等优点，因此UHF法在GIS局放检测中得到了广泛的应用[8-9]。

在目前的实际检测工作中，一般使用示波器观察不同检测点的波形，这种检测方法能够判断出放电的位置，但检测设备之间的连线复杂，检测效率较低。为了提高检测的效率，本文提出了一种便携的无线检测方案，将UHF传感器与无线信号调理装置相连，通过无线传输的方法将检测数据传输到移动终端上，接线、操作简单，同时又具有较高的灵敏度，能够快速发现存在放电的GIS，并将检测到的放电数据图形化地显示在移动终端上，便于检测人员的分析。在上海某一110 kV变电站的检测表明，采用本系统进行初筛，在发现放电后，再用示波器进行进一步的检测，能够显著提高检测的效率。

1 特高频局部放电检测原理

图1 特高频信号在GIS内部传播示意图

GIS设备内充有高气压的SF6作为绝缘介质。SF6的绝缘强度和击穿场强都很高。当GIS设备内部发生局部放电时，SF6很快被击穿，产生很窄的脉冲，波头的上升时间仅为1 ns左右。脉冲向四周辐射出频率超过300 MHz至几GHz的特高频电磁波[10]。由于GIS的金属同轴结构十分有利于电磁波的传播，局放所产生的电磁信号能够沿着GIS有效地进行长距离传播，衰减较小，最终通过GIS上的由非铁磁材料制成的部件，例如盆式绝缘子，泄漏到设备外部[11-13]，如图1所示。通过将传感器贴在GIS设备的盆式绝缘子上，就能够检测泄漏的特高频电磁波。再通过对检测到的特高频电磁波信号进行分析，就可以判断出GIS设备内部的缺陷情况，指导设备的检修工作[14]。

2 无线检测系统

特高频GIS局部放电无线便携检测系统的设计应满足以下要求：

(1)检测不影响GIS的正常运行；

(2)灵敏度高，抗干扰能力强；

(3)检测效率高，便于快速发现可能存在放电的GIS;

(4)装置体积小，操作简单，易于携带。

图2 无线检测系统的原理框图

根据上述需求，无线检测系统主要由UHF传感器，无线信号调理装置和移动终端组成，如图2所示。无线信号调理装置中包括信号处理单元和WiFi模块。

2.1 UHF传感器

UHF传感器的性能通常可以通过频域有效高度来反映。传感器的有效高度Hsens(f)为传感器输出电压Uout(f)与入射场强Ein(f)的比值：

(1)

式中：输出电压Uout(f)，V;入射场强Ein(f),V/m。因此Hsens(f)单位为m,但Hsens(f)通常较小，通常将单位取为mm[15]。

根据国家电网公司电力设备带电检测仪器性能检测方案，测量传感器的有效高度。测量平台和测量原理分别如图3和图4所示。

图3 有效高度测量平台

图4 有效高度测量原理

测量方法如下：

(1)通过标定源向GTEM小室内注入电压幅值为20 V的标定脉冲信号，在其内部建立300 MHz～1 500 MHz频带范围的脉冲电磁场；

(2)将参考传感器置于GTEM小室开孔处，通过测量系统得到此时参考传感器的电压响应VMr；

(3)将被测传感器置于GTEM小室开孔处，通过测量系统得到被测传感器的电压响应VMs；

(4)利用已知的参考传感器有效高度Href，依据Hsens=(VMs/VMr)×Href计算出被测传感器的有效高度，然后在300 MHz～1 500 MHz频段内计算平均值得到被测传感器的平均有效高度。

测量结果如图5所示，本系统使用的UHF传感器在300 MHz～1 500 MHz频段内平均有效高度为7.367 6 mm，能够满足UHF测量的要求。

图5 UHF传感器有效高度

2.2 无线信号调理装置

1)信号处理单元

信号处理单元包括一级线性放大、一级滤波、二级线性放大、二级滤波、对数检波、峰值保持、信号采集及预处理,其中:一级线性放大和二级线性放大均采用AD5610，增益为18.4 dB；一级滤波和二级滤波采用400 M～800 M的带通滤波器；对数检波采用AD8313，其频率响应范围为0.1 GHz～2.5 GHz，动态范围最高达70±3 dB精度。经过信号处理后，灵敏度能够提升到-75 dBm。

2)WiFi模块

目前普遍采用的无线通信技术有蓝牙，Zigbee，WiFi等。由于特高频局部放电检测的数据量较大，而Zigbee和蓝牙的传输速度较慢，无法满足数据传输速度的需求。同时，由于目前WiFi技术的应用十分普遍，很多常用电子设备都有WiFi功能，有利于移动终端的开发和移植。

本系统使用的WiFi模块选用LantronixxPicoWiFi。该模块配置简单，体积小，功耗低，传输可靠，能够满足检测的需求。

图6 单个无线信号调理装置连接示意图

图7 多个无线信号调理装置连接示意图

检测时，将移动终端的IP地址设为192.168.1.100，并创建TCP/IP服务器，端口8080。当使用多个无线信号调理装置检测时，需使用无线路由器或手机热点建立网络，每个无线信号调理装置可以通过DHCP自动获取IP地址，即可将多个无线信号调理装置同时与移动终端连接。最多可同时连接254个无线信号调理装置。如果只使用一个无线信号调理装置，可以省略无线路由器，无线信号调理装置能够直接与移动终端相连接。如图6和图7所示。

2.3 软件设计

图8 软件整体架构图

为了实现GIS的局部放电检测，软件整体架构包括HTTP通信层、数据处理层、逻辑控制层以及UI显示层，如图8所示。

HTTP通信层连接无线信号调理装置与移动终端，实现数据的交互传输。数据处理层对接收到的数据进行解析并输出到逻辑控制层进行处理。数据控制层对功能逻辑进行处理，包括数据采集单元、历史数据单元、参数设置单元和登录验证单元。该层将从UI显示层传来的指令下传至数据处理层，同时对数据处理层解析的数据上传至UI显示层进行图形化显示。

目前本系统支持的移动终端有Windows笔记本和Windows平板电脑。Windows笔记本上的软件界面如图9所示。

图9 检测系统软件界面

在软件中，可以实时图形化地显示并保存无线信号调理装置发送的局部放电数据，也可以载入历史数据。同时内置了一些典型的特征图谱，供检测人员对比分析。

3 应用案例

使用本文提出的特高频GIS局部放电无线监测系统对上海某一110 kV变电站进行检测。现场检测照片如图10所示，左侧的检测人员手持平板电脑，观察检测数据，右侧的检测人员将连接无线信号调理装置的UHF传感器贴在GIS的盆式绝缘子上，接收特高频信号。

其中某一间隔的隔离刀闸气室的检测结果如图11所示。

图10 现场检测照片

图11 某一间隔的隔离刀闸气室的检测结果

由图11可以看到，该检测点存在异常的局部放电信号。使用软件的诊断功能对信号特征进行分析，该异常信号存在一定的工频相关性，脉冲个数较少，幅值较大，并有一定的间歇性，放电类型应为绝缘件内部或表面放电。因此，建议该间隔隔离刀闸气室后续进行定期跟踪监测，根据信号发展情况适时安排停电检修。

4 结束语

本文设计了一种特高频GIS局部放电无线便携检测系统，将连接了无线信号调理装置的UHF传感器贴在GIS的盆式绝缘子上，通过无线传输的方式将采集到的特高频信号传送到移动终端上进行保存和显示。经过现场对某一110 kV变电站内GIS的实际检测和分析，本文设计的检测系统能快速筛选出存在放电的GIS设备，提高了检测的效率。