GIS局放傳感器_GIS局放在線監測裝置_GIS特高頻傳感器_IED_局放在線監系統

概述
近年來，隨著城市電網建設的發展，變電站的數量不斷增加，高壓電力設備如 GIS，變壓器，開關柜等亦不斷增加。由于高壓電力設備的運行電壓高、其內空間極為有限，導致高壓電力設備的工作場強很高。另一方面，高壓設備中絕緣裕度相對較小，例如，在 GIS 中，在嚴格控制的環境條件下， GIS 設備中 SF6 氣體的擊穿強度可望達到相當高的水平，但實際通常只能達到期望值的一半，甚至更低。而例如 GIS 設備等高壓電力設備在內部出現某種缺陷時，極易發生設備故障。GIS、變壓器等設備內部故障皆以絕緣性故障為多，而局部放電往往是絕緣性故障的先兆和表現形式，當這些高壓設備中產生局部放電，在電力作用下將使設備內部出現影響絕緣性能的情況，例如絕緣介質(SF6、變壓器油等)產生化學反應而分解，產生腐蝕性物質，破壞絕緣層或由于局部放電而導致溫度升高，絕緣層老化等等情況，最終引發絕緣擊穿。
實踐證明，開展局部放電檢測可以有效避免事故的發生。
我公司生產的 XZGIS-800 系列局放在線監測裝置，采用超高頻在線監測技術，可在線監測如 GIS 內部由于局部放電所產生的超高頻電磁波信號，進而監測并評估設備運行狀態，能有效預防事故的發生，避免 GIS 的突發性事故。

系統簡介
XZGIS-800 系列 GIS 局放在線監測裝置（以下簡稱 XZGIS-800）采用超高頻（UHF）在線監測技術，用于監測并分析氣體絕緣組合電器（以下簡稱 GIS）的內部局部放電所產生的電磁波信號，進而監測并評估設備運行狀態，能有效避免 GIS 的突發性事故。系統采用了 UHF 超高頻傳感器信號探測技術、傳感器優化布置技術、SQL 數據庫專家分析技術。
XZGIS-800 主要應用于 GIS 局部放電監測，由內置式或外置式超高頻傳感器組成的信號采集單元、同軸電纜線和通信線組成的信號傳輸單元、局放監測 IED 的信號處理單元、后臺電腦及軟件組成的信號顯示單元四部分構成 XZGIS-800 局放在線監測系統。
XZGIS-800 通過監視局部放電，及早發現 GIS 的內部絕緣缺陷，監測 GIS 時傳感器既可以安裝于 GIS 內部，也可以附著在 GIS 外部，系統能夠對因設備內部缺陷而發生的局部放電進行在線監測。
 
裝置分類及型號
分類
1、按裝置監測對象分類：
A)    GIS：用 G 標書（省略）
B）    變壓器：用 B 表示
C）    開關柜：用 S 表示
D)    電纜：用 L 表示
例如：變壓器局放在線監測裝置表示為：XZGIS-800G   變壓器局放在線監測裝置。

技術特點：
1、超高頻信號采集
◆  采用超高頻檢測技術，應用噪音傳感器能夠有效判別并抑制干擾信號，對GIS設備的局部放電進行在線監測；
◆  XZGIS-800G 采用超高頻局部放電傳感器，可滿足于最大限度覆蓋所監測的設備，根據設備結構不同而導致的信號衰弱減強變化來做最優化配置。
2、多種譜圖顯示                                  
◆  局部放電圖譜采用灰度圖像及二維（）、三維（）放電譜圖；
◆  放電時域波形、視在發電量即時、歷史譜圖，局放類型識別分析譜圖。
3、通信符合行業標準
◆  處理單元和后臺系統可采用光纖連接；
◆  處理單元和服務器、診斷系統可采用TCP/IP方式通信；
◆  系統和變電站綜自系統之間可采用IEC61850方式連接通信。
4、局部故障類型識別及報警
◆  可識別出電暈放電、懸浮電位放電、自由粒子放電、空隙放電等局放類型，裝置在識別出有局部放電，并超過系統設置閥值時能有報警窗口彈出報警。
5、高可靠性
◆  先進的干擾抑制方法
① 硬件方法：采用差動平衡法結合噪音傳感器實現外部干擾的鑒別；
② 軟件方法：小波包濾波方法和IIR濾波器、開窗法實現對白噪、周期性、脈沖性干擾的抑制和消除；

• 系統結構采用分布式結構，現場采集系統，避免現場干擾；

◆  裝置采用特殊工藝結構、多種屏蔽措施，通過了國家級電磁兼容實驗室浪涌、快速瞬變等10項抗干擾試驗。

局部放電的特征及種類：
◆  進行速度緩慢
    →即使在GIS、變壓器內部檢測出局部放電，也不會迅速發展為事故。
◆  初期發生時會間歇性的出現
    →發展趨勢非常重要，因此要長期在線監視。
◆  以一定的形態發生
    →根據異常問題種類，信號數據具有一定的形態。
◆  與相電壓頻率同步（Synchronization）發生
    →與無分別的外部噪音位相形態有區別。

以下圖為局放信號示例：

             
以下圖為外界噪音圖譜示例：

             
變電站設備局放監測的種類及特征
在線監測系統
   ◆  優點：
       ① 具體在線監測分析功能
       ② 能捕捉瞬間性的變化
       ③ 通過現場數據的采集豐富專家數據庫
   ◆  缺點：
       ① 產品價格、施工維修成本稍高
便攜式檢測儀
   ◆  優點：
       ① 容易移動
       ② 用較低的成本進行局部放電檢測
   ◆  缺點：
       ① 只能在適用時進行檢測
       ② 需要多數的時間和人力

功能及原理：
XZGIS-800 系統構架
XZGIS-800 局部放電在線監測系統由現場傳感器（內置外置超高頻傳感器及噪音傳感器）的信號采集單元，信號處理單元（IED 模塊） ，局放工作監視站（后臺電腦等）三大部分組成。

系統框架如下圖所示：
              
 局放工作站組成
按現場的通信方式，可經網絡服務器、以太網交換機、光纖收發器等，將 IED 與后臺電腦相連接，亦可使用其他如串口通信等方式與后臺連接，連接后使用后臺電腦上的 SQL 數據庫及人機對話、專家診斷系統等來對 IED 所采集到的信號進行判斷分析及數據保存。
局放 IED 組成
局放 IED 分為上中下三段式結構：底層為電源單元、中層為信號濾波單元、上層為信號采集處理單元。底層包括系統電源濾波器、一個AC/DC 開關電源、一塊 AC/DC 電源板。中層由固定增益放大器、帶通濾波器、程控放大器等組成。上層由 FPGA 信號采集掃描處理模塊及工頻信號觸發模塊構成。
 傳感器組成
超高頻傳感器主要由超高頻非頻變圓極化天線及發射電路構成。傳感器可分為外置和內置傳感器，以及用于采集干擾信號的噪音傳感器。超高頻傳感器可分為外置傳感器，內置傳感器。外置傳感器：安裝于設備外部。內置傳感器：安裝于設備內部。在實際應用中，根據現場情況及客戶需求進行傳感器的選擇。
系統功能
局放工作站功能
◆ 測量放電信號的幅值、極性、放電的相位、放電次數等基本的局部放電表征參數及各種統計計算數據；
◆ 顯示二維（）、三維（）放電譜圖、工頻周期放電圖；
◆ 利用各種圖譜分析，進行放電模式識別及故障類型診斷，觀察和預測局部放電故障的發展趨勢，故障信號及故障嚴重性報警，為絕緣狀
態診斷提供重要判據；
◆ 提供放電發展趨勢圖、歷史查詢、報表和設定報警等多項功能；
◆ 可定時自動啟動測量，整個監測過程自動化；
◆ 可以通過局域網、CAN 總線等方式實現數據上網，對系統進行遠程訪問，可采用 IEC61850方式連接通信。
 局放 IED 功能
◆ 實現對變壓器、GIS 多測點同步實時監測；
◆ 采用高速 D/A 采集掃描系統，采樣精度為 12 位；
◆ 內置數字濾波器及數據分析模塊，實時捕獲放電統計特征；
◆ 觸發方式：內觸發、外觸發可選擇；
◆ 自動生成三維譜圖數據；
◆ 實時報警；
◆ 定時自我診斷；
◆ 對采集到的信號進行濾波放大；
◆ 和變電站綜自系統之間可采用 IEC61850 方式連接通信。
傳感器功能
◆ 接收局部放電的超高脈沖信號；
◆ 整形超高頻脈沖信號，得到單極性寬脈沖信號；
◆ 通過高頻同軸光纜將單極性寬脈沖信號傳送給局放 IED。
 通信方式
◆ IED 模塊可通過局域網或串口通信方式與后臺通信◆ 以增加模塊的方式，可以用 IEC61850通信協議與后臺進行通信。
工作原理
 超高頻傳感器原理
局部放電過程會產生寬頻帶的電磁暫態和電磁波。不同類型局部放電的電擊穿過程不盡相同，從而產生不同幅值和陡度的脈沖電流，因此產生不同頻率成分的電磁暫態和電磁波。例如：空氣中電暈放電所產生的脈沖電流具有比較低的陡度，能夠產生比較低頻率的電磁暫態，主要分布在 200MHz 以下；相比之下，變壓器油、SF6 氣體中局部放電所產生的脈沖電流具有比較高的陡度，所產生的電磁暫態的頻率能夠達到 1GHz 以上。XZ-PD800 所采用的傳感器由超高頻信號接收天線構成，傳感器采用希爾波特分形天線，它是一種非頻變天線，其電性能與頻率無關，具有寬頻率，圓極化，尺度小，效率高，可嵌裝等優點。放大器采用低噪音、高增益（40db）超高頻信號。傳感器工作頻帶 300～1500MHz，能夠有效避開了現場電暈等干擾，具有較強的抗干擾能力。
信號采集處理原理
傳感器采集到的局部放電信號，進入信號調理單元，首先緩沖隔離，減小后續電路對局放信號的影響，然后送入頻帶為 680~890MHZ 的帶阻濾波器，經過濾波后的信號進入程控衰減放大電路，該電路增益可以進行軟件預設定調節，最后將預處理好的信號送入高速采集單元。高速采集單位進行了多個工頻周期時間段的測量，對傳感器檢測到的電磁波進行了最大放電幅值、平均放電量、放電次數的測量計算。
信號抗干擾原理
超高頻局部放電的抗干擾基于以下三個因素：
◆ 電力系統中的干擾信號，包括空氣中電暈放電的干擾，主要分布在低于 UHF 的頻段，因此，在 UHF 頻段進行局部放電信號檢測，可以避開主要的干擾信號，提高局部放電信號傳感的信噪比。
◆ 超高頻信號傳播過程中衰減比較快，一處的干擾信號只能局限在比較小的范圍，不會產生大范圍的影響。因此，采用超高頻局部放電監測，可以減小電力設備之間相互的放電干擾。
◆ XZ-PD800 硬件上采用差動平衡法結合噪音傳感器實現外部干擾的鑒別，軟件上采用小波包濾波方法和 IIR 濾波器、開窗法實現對白噪、周期性、脈沖性干擾的抑制和消除。

放電定位原理
超高頻局部放電定位基于以下兩種方法：
◆ 超高頻信號傳播過程中衰減比較快，離開放電源的距離不同，放電信號的幅值顯著不同，因此，通過比較放電信號的幅值可以進行放電的粗略定位。該方法需在設備中裝設多個傳感器，確保每一點發生局放時的電磁波信號至少能被兩個或兩個以上的傳感器接受。
◆ 局部放電的超高頻電磁脈沖具有 ns 時間量級的起始沿，采用多個傳感器同時測量，能夠得到 ns 量級準確度的脈沖時差，基于此時差測量，可實現 cm 量級準確度的放電源定位。但該方法需用到超高頻示波器，成本較高，故多用于便攜式測量。
 系統設計原理
《智能變電站技術導則》將智能變電站分為三層：過程層、間隔層、站控層。要求間隔層與站控層采用 IEC61850 通信規約的以太網通信。這對裝置硬件提出更高要求。我們的做法是在原有裝置硬件基礎上新增 IED 組件，實現將原來已用的各種通信規約轉為 IEC61850 規約，實現與監測平臺通信。結合 XZ-PD800 裝置特點，將現場采集裝置原有硬件控制電路和新增 IED 功能進行整合，達到功能更簡潔，成本更低，運行更穩定。

XZGIS-800 系統主IED 介紹
在 XZGIS-800 系統中，傳感器負責采集信號，主 IED 負責將局放傳感器與噪音傳感器所采集到的信號經濾波，放大，去噪，調試后，將調試完的信號經串口通信或 TCP/IP 或 IEC61850 通信，上傳至后臺處進行分析判斷。主 IED 通道數可隨現場需求進行調整，機箱有數種可供選擇，亦可由客戶提出要求。

IED外觀如下圖：