暂态地电位测试新方法
连伟华;王洪涛;李威
【摘 要】基于暂态地电位、局放测量技术,设计并制作暂态地电位测量传感器.使用信号发生器和示波器,对该传感器的性能和灵敏度进行测试,根据测试数据分析,对传感器加以改进.应用该传感器对GIS的局放信号进行测量,并对测量结果进行记录和分析.暂态地电位测量法对高压电气设备、封闭式高压开关等进行局部放电在线监测,实时采集暂态电压脉冲信号,判断被检测设备的绝缘状态,以便及时消除设备缺陷和隐患.
【期刊名称】《河南科技》 【年(卷),期】2016(000)017 【总页数】3页(P131-133)
【关键词】暂态地电位;局放测量;传感器;GIS 【作 者】连伟华;王洪涛;李威
【作者单位】河南恩湃电力技术有限公司,河南郑州450016;国网河南省电力公司电力科学研究院,河南郑州450052;国网河南平顶山供电公司,河南平顶山467001 【正文语种】中 文 【中图分类】TM835
电力系统中电气设备都处于一个特殊的电磁环境中，电磁干扰通过各种形式传导和耦合，时刻都有可能危及电气设备的安全。变电站地电位升高对一次设备、二次设备和通信设备等危害极大，一直是危害电力系统安全稳定运行的重要因素之一。长
期以来，国内外对电站地电位升高的产生机理、特性和传播方式的研究从未间断过。 暂态地电位测量法是一种新的技术方法，高压电气设备发生局部放电一般分为外部放电和内部放电2种［1］。外部放电是指放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流，通过设备的金属外壳表面传到地下；内部放电是指放电量聚集在接地屏蔽的内表面，电压、电流脉冲沿GIS金属外壳的内表面传播，同时产生一个暂态电压［2］。因此，如果屏蔽是连续时，很难检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位出现破损而导致不连续，高频信号从这些部位传输到设备屏蔽外壳而被检测出来。
鉴于此，本文基于暂态地电位、局放测量技术，设计并制作暂态地电位测量传感器。然后使用信号发生器和示波器，对该传感器的性能和灵敏度进行测试，根据测试数据分析，对传感器加以改进。应用该传感器对GIS的局放信号进行测量，并对测量结果进行记录和分析。
暂态地电位测量技术已经在国内外受到了越来越多的重视及运用。总的来说，该技术具有以下的特点。一是故障发现及时性。能够及早发现局放现象，进而采取有效的维护处理措施，可有效避免停机故障发生，避免设备损坏。二是检测方便易行。能够在设备带电运行的状态下进行，在线或者离线的局放监测都无需将设备停机，只要在设备承受工作电压的情况下即可进行监测，提高设备可用率，提高用户供电可靠性。三是故障定位准确。在线监测与离线监测的结果相同，准确的定位可显著缩短维修时间，对于降低维修成本具有重要意义［3］。四是抗干扰性。监测灵敏度大大提高，抗干扰能力强，能够识别故障类型。
暂态地电位测量法能够实现对于封闭式高压开关设备进行局部放电信号的在线监测，与传统的测试方法相比，更能够提高发现设备绝缘缺陷的概率，同设备巡视进行局放监测相结合，更体现出巡视有效性，发现缺陷并及时消除，为最终实现长周期巡视提供技术方案和技术支持，为以后设备状态检修提供可靠的数据分析和理论依据，
确保设备常态化运行，保证供电安全［4，5］。
暂态地电位测量法是一种新的技术方法。局放发生时，外部放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流，通过设备的金属外壳表面传到地下。局放引起脉冲沿GIS金属外壳的内表面传播，当屏蔽是连续时，放电信号很难传出。但遇开口、接头等处的缝隙时就会传出设备，此时电压、电流脉冲信号沿着金属外壳的外表面传播至大地。其特征为：瞬时电压值变化范围在毫伏到伏之间；存在时间较短；上升时间为纳秒级［6］。依据这些特征，故采用电容性探测器来检测放电脉冲，将探头放在正在工作的GIS外面。此暂态地电位法检测法为非侵入式检测局部放电活动，其工作原理如图1所示。
项目的设计方案主要包括3个方面，一为传感器设计方案，二为传感器性能试验方案，三为GIS试验设计方案［7］。 3.1 传感器设计方案
3.1.1 传感器结构。GIS金属外壳表面本身涂有一层绝缘涂膜（如绝缘油漆等），即可作为绝缘薄膜，根据外复电极法的原理，外壳与金属电极之间要形成小电容，所以在绝缘薄膜外再敷设一个薄铜片作为金属电极，以满足外复电极法的基本原理（见图2），该金属电极与绝缘薄膜之间形成一个小电容C0。当局放电引起的脉冲信号通过小电容C0耦合到设置的检测阻抗R0上（见图3），再经过放大检查出来，而小电容C0和监测阻抗对低频信号起到一定的隔离作用，通过电容测量到的信号是泄露出的流动波所产生的电压差。此方法由于检测阻抗一段接电容，另一端接地，形成大环路，易受外界干扰。改进方法是将2个电容传感器置于绝缘体的一侧，一个与绝缘薄膜之间形成一个小电容C0，另外一个形成耦合电容C1（见图4）。
为了方便设计制作的传感器在GIS上的应用试验，可以用粘合剂（AB胶）把铜片粘在一段长约25cm的粘条上，由于粘条较窄，可以将2条并列粘在铜片上，中
间约5mm的缝隙恰好可以留出焊点位置，这样传感器就可以更方便地固定在GIS表面。同时，为了对GIS上放电信号进行测量，就必须能读取信号，为此对传感器结构进行改造。首先，在铜片粘条缝隙处用锡焊上一条导线，导线另一头伸入一小金属罩内，并与金属罩的一端已固定好的BNC接头输入端相连。其次，把电容C1焊接在BNC接头的输入端与地端之间。这样测量信号就可以通过BNC接头直接接入示波器，便于实验数据的读取，如图4所示。
3.1.2 传感器的参数设置。根据外复电极法的原理，C0为绝缘薄膜与金属电极之间的等效电容，其电容值大小与金属电极面积（铜片大小）有关。C0的值与金属电极面积（铜片大小）成正比，金属电极（铜片）表面积越大，则C0的值越大，接收电信号越强，效果就越好，但此时C0上分压U0太小，易受外界干扰，不容易被测量到且测量误差较大。但如果铜片表面积太小，C0的值就越小，此时杂散电容的影响较为严重且很难消除。因此，C0的值应取适当的值，既能使电压大小满足测量的要求，又能较好地避开杂散电容的影响。根据经验，项目可取铜片表面积为5cm×10cm。为方便计算，将传感器结构图合理科学地表示为等效电路图，如图5所示。
由串联电容分压公式得出：
从公式（1）可以得出，当C0≫C1时，U1取最大值。当C0约为30pF，此时的C0已经比较小了，考虑实际电容值的情况，并结合实验测量要求，取，则耦合检测电容C1的值为300pF。根据市场上电容的实际规格，故取C1=300pF。按实际取值C0=30pF、C1=300pF计算得：基本符合理论和实验的要求。传感器的材料参数如表1所示。
综上所述，基于暂态地电位技术的基本原理，绘制了传感器的结构图及其等效电路图，并计算出了传感器的材料参数，由此确定了传感器的设计方案。 3.2 传感器性能试验的设计方案
项传感器根据以上设计方案制作，并对传感器性能试验设计，对其性能进行测试，以便满足GIS实验的要求。本设计方案主要包括三方面的内容，一是设备选型，二是信号测量和收集，三是数据处理分析。具体的方案如下。
3.2.1 设备选型。基于实验精度和数据分析方便性的要求，本试验选用的设备仪器有SPF40型函数信号发生器（100μHz～40MHz）、RIGOL DS1102E型数字示波器及BNC头鳄鱼夹测试线。
3.2.2 信号测量和收集。为了提高传感器的适用性，本方案分为正弦信号和脉冲信号两部分。两者分别采用函数信号发生器输入50K～30MHz的正弦扫频信号和上升沿与脉宽都较短的脉冲信号，并测量传感器对一般适用性的正弦信号和模拟局放的脉冲信号的传输特性与灵敏度，并对数据进行存储。
3.2.3 数据处理与分析。首先，用MATLAB软件对3.2.2中存储的信号数据进行快速傅立叶变换（FFT），并对变换结果进行判断。若数据的FFT结果符合实验要求，则予以采纳；否则，查找原因并返回3.2.2的相应步骤，重复测试该数据。然后，根据FFT结果，绘制出传感器基于正弦信号的传输函数的幅频特性和相频特性或者输入输出关系特性，并进行分析总结。 3.3 暂态地电位传感器在GIS上的应用设计方案
在初步完成对传感器的性能测试，并对所设计制作的传感器的各方面性能有所把握以后，该传感器将被进一步应用于GIS上进行测试试验。具体的设计方案包括：①根据实验原理，结合实际情况，选择相应的实验设备，并设计线路连接方案；②根据暂态地电位信号产生的原理，在GIS上选择若干测试点，进行正弦信号和脉冲信号的测试；③使用示波器记录下实验数据，并用MATLAB软件对数据进行处理。
该设计方案较为合理，能满足实验的要求。方案中对传感器性能的测试是整个实验的基础，对于后期传感器在GIS上应用实验结果的优劣有相当重要的作用。采用
函数信号发生器在GIS上产生正弦及脉冲信号后，使用改造后的暂态地电位传感器对GIS表面的电信号进行测量，进而得到该传感器在GIS上的特性曲线和频带宽度。用MATLAB软件对数据处理与分析，并对变换结果进行判断。
【相关文献】
［1］李文书.封闭式组合电器GIS在线监测系统的设计与研制［D］.北京：清华大学，2005. ［2］卢毅，松浦土.GIS局部放电的非接触在线监测［J］.高电压技术，1997（13）：6-8. ［3］李晓春.传感器信号调理电路电磁兼容性研究［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2008.
［4］王胜辉.变压器局部放电在线监测高数数据采集系统的研究［D］.北京：华北电力大学，2003. ［5］张丽娜，李广达.GIS局部放电检测仪的在线检测技术［J］.电气制造，2008（8）：60-63. ［6］邱向群.GIS中局部放电检测技术［J］.电工技术杂志，1994（1）：2.
［7］邱华，邱毓昌.GIS中局部放电测量用超高频方法的研究［J］.高电压技术，2004（10）：19-20.
