基于超高频法的GIS局部放电在线监测

研究现状及展望

钱勇，黄成军，江秀臣，肖燕

（上海交通大学电气工程系，上海市闵行区 200240）

PRESENT SITUATION AND PROSPECT OF ULTRAHIGH FREQUENCY METHOD BASED RESEARCH OF ON-LINE MONITORING OF PARTIAL DISCHARGE

IN GAS INSULATED SWITCHGEAR

QIAN Yong，HUANG Cheng-jun，JIANG Xiu-chen，XIAO Yan

（Department of Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Minhang District，Shanghai 200240，China）

ABSTRACT：The progress of ultrahigh frequency (UHF) based on-line monitoring of gas insulated switchgear (GIS) in recent years is summarized, including the research results in the UHF transducers, the propagation characteristics of UHF electromagnetic wave in GIS, the recognition and location of partial discharge source and so on. The problems existing in the UHF based on-line monitoring system and its application, such as the selection of detecting frequency band, etc. The direction in the future research on UHF based partial discharge monitoring is looked a head and it is pointed out that the easy and fast partial discharge location by new types of transducers is still the focal point of the research.

KEY WORDS：High voltage and insulation engineering；Ultra high frequency (UHF)；Gas insulated switchgear (GIS)；On-line monitoring；Partial discharge；Transducer

摘要：文章综述了基于超高频（UHF）的气体绝缘组合开关设备（GIS）绝缘在线监测近年来所取得的进展，包括在UHF 传感器、GIS中UHF电磁波的传播特性、局部放电源识别和定位等方面取得的研究成果，并指出了UHF在线监测系统及其应用中存在的问题，如检测频带的选择等。最后还对未来UHF局放监测的研究方向进行了展望，指出新型传感器及快捷方便的定位方法等依然是研究的重点。

关键词：高电压与绝缘技术；超高频（UHF）；气体绝缘组合开关设备（GIS）；在线监测；局部放电；传感器

1 引言　

采用超高频（Ultra High Frequency，UHF）法检测气体绝缘组合开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）中局部放电产生的UHF信号是20世纪80年代初期由英国电力局（Central Electricity Generating Board，CEGB）开发出来的，该方法由Scottish Power于1986年最先引进并应用于英国的Torness 420kV的GIS设备上[1]。Torness电站的多年运行经验验证了该方法的可行性，并得到了人们的认可。

与其他局放检测方法相比，UHF法具有灵敏度较高、抗干扰能力较强、可识别故障类型及进行定位等优点[2]，成为近20年来的研究热点之一。其中以英国Strathclyde大学、德国Stuttgart大学、荷兰Delft大学和日本Nagoya大学的研究工作最为突出。除大学和研究所以外，一些大型电力设备制造公司，如英国的Rolls Royce工业电力集团、德国的Siemens AG、瑞士的ABB、法国的ALSTOM T&D和日本的Mitsubishi等公司也都积极参与了UHF法的研究和推广，加速了该技术的发展。

我国的UHF在线监测技术起步较晚，一些大学和研究所于20世纪90年代初期对UHF法开始研究，目前取得了一定的进展[2-6]。本文针对UHF 传感器、GIS中超高频电磁波的传播特性、局放源识别和定位等方面存在的问题对GIS局部放电在线监测系统进行了综述和评价。

2 UHF传感器

UHF传感器是UHF局部放电在线监测系统的关键，用来检测GIS中由局部放电所激发的频率为300MHz~3GHz的电磁谐振波[2]，通常它要具备抑制低频（300MHz以下）干扰的能力。

UHF传感器根据安装方式可分为内置式和外置式两种。内置传感器可获得较高的灵敏度（目前英国新制造的GIS均要求加装内置传感器），但对制造安装的要求较高，特别是对早期设计制造的GIS安装内置传感器通常是不可行的，这时只能选择外置传感器。相对于内置传感器，外置传感器的灵敏度要差一些，但安装灵活、不影响系统的运行、安全性较高，因而也得到了较为广泛的应用。

图1为英国Strathclyde大学研制的几种传感器（其中(a)为内置型，(b)、(c)为外置型），Strathclyde 大学对UHF传感器的研究起步较早[7]，目前它的各型传感器比较完备，应用较广。

(a) 盘型 (b) 集成型

(c) 窗口型

图1 Strathclyde大学研制的UHF传感器

Fig.1 UHF sensors developed by Strathclyde University

与英国不同，日本的UHF传感器以内置式为

主，且类型较多，有的设计比较独特。图2为日本

Hitachi公司研制的两种内置传感器：半圆板偶极子

型和二次元对数周期型传感器[8]。

(a) 半圆板偶极子型 (b) 二次元对数周期型

图2日本Hitachi公司研制的UHF传感器

Fig.2 UHF sensors developed by Hitachi Corporation

我国清华大学、西安交通大学、重庆大学、上

海交通大学等高校对内置和外置UHF传感器都做

了相应的研究。图3(a)、(b)为重庆大学最近研制的

两种内置传感器。这两种传感器可用于测量纳秒级

的局部放电信号。在不经放大的情况下均可由示波

器直接检测局部放电信号[9]。图3(c)为西安交通大学

研制的UHF非频变超宽带外置传感器[10]，图中各变

量的含义参见文献[10]。

(a) 圆板型传感器 (b) 圆环型传感器

(c) 双臂平面等角螺旋传感器

图3我国高校研制的UHF传感器

Fig.3 UHF sensors developed by domestic universities

对于内置及外置传感器，都有一些需要注意的

问题。对内置传感器的基本要求是不应损害GIS的

可靠运行，无论是使气体发生泄漏还是使内部场强

增加都可能导致绝缘击穿；对于外置传感器，选择

合适的检测位置是确保检测灵敏度的关键。

3 UHF信号的传输特性

局部放电在发生的过程中会产生声、光、电等

多种信号，UHF法主要检测局放中的超高频电磁

波，该信号在GIS中的传播是一个非常复杂的过程。

系统地正确建模和分析对于理解局部放电的本质、

开发先进的检测技术都具有重要的意义。

GIS中电磁波的谐振模式很复杂，目前一般可

近似地用传输线模型来研究GIS中的局部放电信号

传输特性。电磁波在GIS中的传播形式不是单一的，

既有横向电磁场波（Transverse Electromagnetic,

TEM），又有横向电场波（Transverse Electric, TE）

及横向磁场波（Transverse Magnetic, TM）。此外，

还可用反射和传输系数来表示每个GIS部件，并由

此推算出UHF传感器的位置[11]。还有学者研究了

较宽频率范围内GIS部件对电磁波传播特性的影

响，指出在低频500MHz以下，绝缘子孔上的连接

闩有电磁屏蔽的效果；对于500MHz~1.2GHz的高

频，由于连接闩的电感和绝缘子孔的电容发生并联

谐振，故电磁波很容易辐射出来；增加绝缘子的厚

度会减弱屏蔽效果，增加电磁波的辐射；对于

1.2GHz以上的高频，由于连接闩的阻抗较大，故有42 Power System Technology Vol.29 No.1

无连接闩时的频谱很相似；1.5GHz以上的电磁波主要通过外壳辐射，而不是由绝缘子上的孔辐射到外面[12]。这些研究结论对于采用UHF法检测局放来说都非常重要，但还有很多需进一步验证的问题。

目前我国学者对电磁波在GIS内部的传输特性已做了不少研究工作[13]，但我国有很多GIS出厂时没有安装内置传感器，只能采用外置传感器进行检测，因此研究电磁波在GIS外部的传输特性也非常重要，这还有待于广大学者的努力。

4 局部放电源的识别技术

GIS中的局部放电源有多种，常见的有自由金属微粒、高压导体上的突出物和浮动电极等8种。不同放电源所表现出来的局放特征不一样，对GIS 的损害程度也不一样，其中自由金属微粒对GIS系统的危害最大。正确识别各种局部放电源对于评估GIS的绝缘状态及制定合理的维修策略至关重要。

局部放电源的识别也是模式识别问题，常规的识别方法有：①局放相位的分布形状与局放源类型之间有紧密的联系，因此可根据局放的二维或三维谱图来识别；②局放理论目前还不完善，有很多未知因素，因此在大量统计数据的基础上可以利用模糊专家系统结合神经网络（Neural Network, NN）来识别[14]。Gulski等[14]学者提取了一些统计特征算子作为输入NN的信息来描述局放的波形特征（Point On Wave，POW）。

此外，近年来不少学者还采用了不同结构的神经网络以及分形分析等技术来识别局放源：（1）利用不同的神经网络结构识别局放源

通常的神经网络有误差反传（Back-Propagation，BP）网络、自组织Kohonen网络和学习矢量量化网络（Learning Vector Quantization，LVQ）。其中，BP网络的学习速度较快、识别率较高。近年来，关于BP网络的研究主要集中在改进BP算法及模块神经网络（Modular Neural Network，MNN）上[15]。目前利用神经网络识别局放源的主要缺点是系统的泛化能力较差，结构和参数的选择以实验数据为基础，究竟选择何种结构以及采用何种参数作为输入是最优的还缺乏理论根据[16]。近期有学者采用自回归时间级数来研究网络结构及输入参量，认为级联结构（如图4所示）具有高于其他网络结构的识别率，并可决定合适的输入参数数目[17]，但这种结构能够达到何种效果还需进一步验证，图4中各变量的含义参见文献[17]。

=1.0mm

=1.5mm

阶段2

阶段1

图4 用于区别两种气隙的双输出级联神经网络

Fig.4 Cascaded neural network with double

outputs used for cavity identification

（2）树方法和分形分析

树方法采用群平均分析技术，用树结构来表示单个局部放电指纹间的关系。分形分析则用于研究三维谱图的特性。研究结果表明这两种局放源的识别方法是互为补充的[18]。在一种方法无效的情况下，可以用另一种方法来识别。例如，分形分析方法不能区别导体上的突出物和绝缘子上的固定微粒；而树方法则很容易区别这两种缺陷。

Toshiba公司开发了一种基于传感器的局放源识别方法，即比值法[19]。该方法同时采用两个传感器，一个为环形对称的，另一个为非对称的，通过提取这两个传感器输出信号的比值，可消除噪声并识别出不同的局放源。不同局放源在GIS中具有不同的电磁场分布，比值法可以显示出这种差异（如图5所示）[19]。增加不对称指数可以使比值间的阈值增大，更便于识别。与常规的局放源识别方法相比，比值法降低了对数字信号处理及噪声滤波器的要求，但传感器的数量需增加一倍，且对制造安装的要求较高。

图5不同情况下的输出比值

Fig.5 The output ratios under different conditions

总体来说，在局放源识别方面，目前主要借助于谱图特征和神经网络。鉴于神经网络自身理论方面的缺陷，如何选择最优的神经网络结构及合适的输入参数还是今后有待解决的问题。

5 应用UHF法对局部放电源进行定位

GIS中局放源的准确定位可显著缩短维修时间，对于降低GIS的维修成本具有重要意义。目前常用的局放源定位方法是时间差方法（time of flight method），即根据UHF信号到达两个传感器的时间差及信号传播的速度来定位（距离定位）。但GIS 中电磁波谐振模式具有多样性及不规则性，准确判断信号到达传感器的时间很困难，此外，由于电磁波以光速传播，定位对分析仪器也提出了很高的要求，例如为达到10cm以内的定位精度，需要的时间分辨率为0.1ns，这在理论上虽然可行，但在实际应用中却比较困难。近年来也有学者对方向定位方法进行了研究[20]，方向定位的精度远不及距离定位，但相对比较快捷简单，也有一定的应用价值。

6 UHF监测系统

UHF监测系统根据检测频带的不同可分为窄带和宽带监测系统。UHF宽带监测系统通常测取100MHz~2GHz频率范围内的信号（英国Judd等学者选用500MHz~1.5GHz的频带），在系统中需加装前置的高通滤波器；UHF窄带监测系统则利用频谱分析仪对所研究的频段进行筛选，选择合适的中心频率是提高系统抗干扰能力的关键。

由于现场电晕等干扰对监测系统存在影响，窄带检测信号的信噪比要高于宽带。通常宽带UHF 系统在实验室里应用较多，而在现场监测中多采用窄带UHF监测系统，近年来还出现了将宽带和窄带结合起来的综合监测系统[21]。与窄带及宽带监测系统相比，综合监测系统具有近实时多通道显示、灵敏度相对较高及便于局放源的定位等优点，但该系统结构复杂，且需要借助于常规测量系统才能对局放源进行识别。

目前的UHF局放在线监测系统还有两个需要注意的问题：①系统的保护，主要是传感器输出部分的保护，隔离器和断路器工作时会产生较大的暂态过电压，必须采取预防措施防止它们损害节点的电子器件以及保证测试人员的人身安全；②提高在线监测系统的灵敏度和抗干扰能力，使其能够真正适应现场监测的需要。

7 结语

UHF法对于监测GIS中的局部放电有很好的应用前景。20多年的研究取得了不少成绩但也存在很多的问题，今后关于GIS中UHF监测系统的研究工作将会围绕以下几个方面展开：

（1）对新型UHF传感器的研究。鉴于国内大量早期设计制造的GIS无法安装内置传感器，灵敏度高、抗干扰性能好的外置传感器还有待深入研究。

（2）对UHF信号在GIS内外传播特性的研究。鉴于GIS结构及UHF信号传播模式的复杂性，研究GIS内部和外部UHF信号的传播特性对于完善UHF监测系统具有重要意义。

（3）对局放源的识别和定位新方法的研究。应注意选择最优的神经网络结构，由于局放信号的分散性，分形分析等新技术可用于识别局放源；鉴于常规时间差定位法对传感器及分析仪器的高要求，研究简捷的定位技术也是当务之急。

（4）对UHF在线监测系统的研究。宽带UHF 系统具有易于应用、能够多通道显示的优势；而窄带系统可以较好地抑制噪声、定位方便。随着计算技术和数字信号处理技术的发展，基于UHF法的局放在线监测系统将逐渐广泛应用到GIS的故障诊断中，并取得可观的经济效益。

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收稿日期：2004-12-02。

作者简介：

姜惠兰（1965-），女，博士，副教授，主要研究方向为人工智能和电力系统故障分析与控制；

魏强（1978-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统自动控制；

唐晓骏（1979-），男，硕士，主要研究方向为电力系统运行和自动控制。

（上接第43页 continued from page 43）

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收稿日期：2004-10-18。

作者简介：

钱勇（1977-），男，博士研究生，研究方向为大型电气设备在线监测和故障诊断技术；

黄成军（1970-），男，博士，副教授，研究方向为大型电气设备在线监测和故障诊断技术。下载本文