PDM-3000 GIS/GIL局部放电在线监测系统

技术背景

    气体绝缘金属封闭开关（GIS）和气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)作为电力系统中最重要的设备之一，肩负着控制和保护的双重任务，如果在运行过程中发生故障又得不到及时的处理，将有可能给电网带来严重的危害。局部放电故障是GIL/GIS常见的故障类型，需要利用PDM-3000 GIS局部放电在线监测及故障定位系统对GIL/GIS局部放电信号进行实时在线监测，并对测量的数据进行分析处理和综合判断，实时给出设备的绝缘状态评估报告，后续根据监测结果安排检修计划，避免由于设备故障而导致重大电网事故发生，以最低维护成本来保证系统的正常运行。

电力设备发生故障的过程

检测原理

    PDM-3000型 GIS局部放电在线监测及故障定位系统通过安装在GIL/GIS关键零部件上的UHF特高频传感器实时采集GIL/GIS内部局部放电激发出的500MHz ~ 1500MHz的电磁波信号，通过检波降频电路，高速采样电路，数据处理缓存电路，采集达到触发条件的局放脉冲信号的幅值（Q）、相位(Φ)、频次(N)、周波序列(t)等特征量，并生成事件文件，上传到上位机专家诊断系统进行事件图谱建立和监测设备绝缘状态分析。

特高频（UHF）法局放测量原理

    在GIS设备的母线部位或GIL上安装UHF传感器，传感器测量原理图如上图所示，传感器安装分为内置和外置方式，一个GIS间隔或整体GIL上可安装多个传感器，达到对不同部位的局放进行有效监测，同时需要安装一个噪声传感器，用于获取现场背景噪声，在数据分析时作为背景信号进行对比。针对GIL的UHF局放传感器的安装原理与GIS相同，按照局放信号传播的距离特征进行布置。内置式传感器采用GIL/GIS生产时预装的方式进行安装，传感器布置应保证对GIL/GIS内部任何位置发生的局部放电都能够被有效检测，在此前提下，传感器应尽量安装在GIL/GIS关键部件附近，包括断路器、隔离开关、电压互感器、母线等位置。

系统构成

    PDM-3000型 GIS局部放电在线监测及故障定位系统由局放监测IED主机、UHF局放传感器、专家分析软件构成。

    PDM-3000型 GIS局部放电在线监测及故障定位系统采用在线监测式IED进行组网时，会配置一套监测服务器机柜，其内部安装高性能工控机，显示器，键盘，鼠标，UPS电源，交换机，另外包括专家分析软件。

• UHF局放传感器

    ZKA系列局部放电UHF特高频传感器分为内置式和外置式两种。

    局放传感器（UHF）在各频率段的等效高度曲线如下图所示(等效高度试验样品为标准直径的内置式局放传感器)。

1. 内置式局放传感器

    内置式传感器采用电容型天线，通过手孔，置于GIL/GIS内部，信号通过L16-N型射频端子输出，抗干扰能力强，灵敏度高。

    内置式UHF特高频传感器在GIL/GIS生产时进行预装，安装在GIL/GIS各监测位置的盆子处，GIL/GIS的金属同轴结构可视为一个良好的电磁波导体，局部放电形成的电磁波可以沿导体传播，传入在线监测IED或便携式IED进行混频、检波处理，并进行深入分析，建立诊断图谱。

    变电站现场环境复杂，干扰信号繁多，内置式传感器与GIS集成为一体，电容型天线置于气室内部，不影响气室内部电场分布，局部放电信号接收效果良好，噪声信号屏蔽效果明显。内置式传感器设计有密封槽，利用三元乙丙O型圈实现信号引出部分的纵向密封，在面与面的接触区，采用传统的密封圈进行密封，避免内置式UHF传感器的安装造成气室的漏气。同时，传感器的信号输出端子处可配置安装防水盒，适用于户外设备。

    2. 外置式局放传感器

外置式传感器采用电容型天线，内部用电子密封胶进行固定，外壳用铁壳屏蔽，周边用屏蔽绵进行安装时缝隙的信号屏蔽，传感器内部具有过电压保护模块，当接收信号出现过电压时，内部过电压保护模块开始工作，保护外置式传感器不受损坏，同时也对GIL/GIS监测IED主机形成保护。

外置式UHF特高频传感器安装在GIL/GIS本体外壳、盆子侧边或者母线盆子位置处，GIL/GIS的金属同轴结构可视为一个良好的电磁波导体，局部放电形成的电磁波可以无衰减的进行传播，传入GIL/GIS在线监测IED或便携式监测IED进行混频、检波处理，并进行深入分析，建立诊断图谱。GIS的一个间隔或GIL上可安装多个传感器，实现对不同部位局放的有效监测。

变电站现场环境复杂，干扰信号繁多，外置式传感器设计有金属屏蔽棉，一方面可以对信号进行屏蔽，另一方面也可以实现传感器的外壳接地，配合GIL/GIS在线监测IED内的滤波电路，有效的过滤掉信号中的噪声干扰，实现对有效局放信号的采集目的。

外置式传感器实物图

• 局放监测IED

局放监测IED主机分为两种类型，分别为在线监测式装置和多功能便携式设备。在线监测式局放监测IED装置有两种设计结构，一种为2U插箱式，可根据需要安装在室内或室外的汇控柜中，另一种为户外挂箱式结构，可就地挂式安装。 

    1. 在线监测式IED装置

    在线监测式IED主机采用标准化结构实现，插箱式结构采用2U 19英寸型材机柜，确保工程安装的便利性，户外挂箱式结构采用304不锈钢材质进行设计，满足防水防尘性要求。单台采集控制单元可监测8-16路UHF传感器的局放信号，每个通道都是独立连续监测，互不影响，可根据现场实际布点位置及方案灵活选择通道数目。多套IED可组网对整站GIS所有间隔或整站GIL设备进行监测，所有数据和信息汇总到信息中心的监测主机与监测诊断系统进行分析和显示。现场信号采集控制单元采用独立的可靠电源进行供电，确保采集控制单元的稳定工作，并且设置有外同步信号输入接口，能安全接入如电压互感器（PT）二次信号、外部调频电源及函数信号发生器等不同触发源信号，以便监测不同电压频率下的局放信号，生成局放特征谱图，并且采用统一的通信协议和数据格式，满足一致性测试要求。

    2.专家分析软件

    监测诊断软件（专家分析软件）能够实时显示局部放电事件的特高频信号幅值(Q)、相位(Φ)、放电次数（N）等参量，绘制满足放电触发条件事件的局放信号的Φ-Q-N三维图谱、N-Q二维图谱、Q-t二维图谱、N-t二维图谱、Qmax-Φ二维图谱、Qavr-Φ二维图谱、椭圆图、事件的Φ-Q-t三维放电灰度图谱，以及放电类型的概率统计值。分析系统依据设置条件和实测放电图谱及能量值利用向量机工具进行类型识别，并给出故障预测警报和发展趋势统计。监测诊断软件（专家分析软件）支持利用IEC61850上传局放分析数据和结果。

技术参数

GIL/GIS局部放电监测传感器技术指标：

    GIL/GIS局部放电在线监测IED的技术指标如下：

监测方案

• 传感器安装布置方式

    内置式传感器采用GIL/GIS生产时预装的方式进行安装，传感器布置应保证对GIL/GIS内部任何位置发生的局部放电都能够被有效检测，在此前提下，传感器应尽量安装在GIL/GIS关键部件附近，包括断路器、隔离开关、电压互感器、母线等位置。如果传感器距离IED主机超过20米，需要另扩展IED。传感器具体布置要求参考国家电网公司标准Q/GDW 11282-2014<气体绝缘金属封闭开关设备特高频局部放电传感器现场检验规范>中附录A的传感器配置原则。

传感器安装图

    局放传感器在进行位置选取时，要确保GIL/GIS局放传感器除能够实现局放信号全覆盖外，任意一点发生局部放电，距离放电点最近的两只传感器均能监测到，方便实现定位功能。为达到此监测需求，局放传感器需要满足以下要求：

局放传感器监测覆盖计算表

• 在线监测系统整体布置方案

 PDM-3000型GIS局部放电在线监测及故障定位系统整体布置方案如下图所示。

局放监测系统整体布置方案

典型工程技术方案案例示例

• UHF传感器布置原理

    确保220kV GIS局放传感器除能够实现局放信号全覆盖外，任意一点发生局部放电，距离放电点最近的两只传感器均能监测到，方便实现定位功能。为达到此监测需求，局放传感器需要满足以下要求：

• 局放传感器检测范围覆盖说明

    充分考虑设备现场可能存在的背景噪声和干扰等对系统测量的影响因素，实际布置传感器间的衰减总量控制在30dBm以内；GIS设备单元的衰减数据为：

1) 母线直管段衰减量：小于1dBm / 米；

2) 单独盆子衰减量：4dBm；

3) L型母线衰减量：5dBm；

4) T型母线衰减量：9dBm； 

• 在线监测IED的通道数配置原则

    考虑到超高频信号传输衰减，传感器到IED的电缆长度最大不超过25米为原则来选取IED 的通道数，目前KZ6000局放监测IED装置最大可单台接入16路监测传感器信号，并实现同步监测，数据刷新速度小于1秒，没有数据遗漏。

• 本系统方案的优势

本方案中所选取的传感器位置，经过局放信号的衰减，也能够实现GIS间隔的全部覆盖，不会造成局放监测的盲点，还能够为局放源的位置定位提供实现基础，确保局部放电得到有效监测。

• 传感器位置标示

    如下图所示，将局放传感器位置在断面图上进行标示示意，最终安装位置以及传感器数量可能会根据现场盆子情况或GIS结构进行调整。（本方案中内置式局放传感器位置用红色圆点标示）。

完整间隔上传感器安装位置示意图

母设间隔上传感器安装位置示意图

母联间隔上传感器安装位置示意图

• 方案整体设备清单

    此方案中，整体设备清单如下表所示。

    依据传感器到IED的距离最大不超过25米为原则来选取IED 的通道数，最大可以选单台IED最大接入16路监测传感器信号。