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GIS局部放电特高频检测技术的研究

作　者: 李信
导　师: 李成榕
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 高电压与绝缘技术
关键词: GIS 局部放电特高频检测定位放电量估计 FDTD
分类号: TM835
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

全封闭气体组合电器(GIS)局部放电在线检测技术中,需要解决的关键问题是:放电类型的判别、放电源的定位和放电量的估计。本文工作基于GIS局部放电在线检测特高频方法,研制出的两种固定式特高频介质传感器。第一种传感器利用了CT引线箱处的半封闭结构和二次引线端的绝缘结构,仿真和试验表明,在不降低GIS密封和绝缘性能情况下,传感器耦合到信号能量的大小约为普通外置式传感器的3倍,而且也具有内置传感器抗干扰的优点。第二种传感器安装在手孔位置,人为的在天线周围填充耦合介质,利用介质吸收局部放电产生的电磁波,通过仿真计算得到了介质最佳的参数:填充介质的整体厚度为2cm,介电常数为5。本文通过试验研究了GIS内部不同缺陷类型的局部放电特征,利用一个工频周期内的UHF检波输出进行局部放电类型的识别,从特高频信号中取出低频调制信号,将特高频传感器输出的特高频成分滤除,而仅保留信号的幅值和相位信息,大大减少了数据量,降低了监测设备的硬件采样率,使得检测工作更加简便并行之有效,而且可利用检波之后的数据对多个局部放电周期进行统计工作,得到放电的分布谱图,以利于局部放电的长期监测。本文提出了针对不同类型放电的UHF信号,利用三次样条插值结合互相关函数提取时间差和利用小波包分解结合互相关函数提取时间差的综合算法,基本上可以将定位误差范围限定在10cm内,从而提高了GIS局部放电定位的精度。为了进一步确定放电源的部位,本文利用在腔体周围放置多个传感器,发现当传感器接收位置与放电源垂直时,耦合到的能量值为最大,利用这种方法可以确定放电源的方位。为了验证特高频定位测量装置、定位综合算法和方法的整体性能,本文作者曾经对25个变电站进行实地局部放电定位测量,共发现三处变电站内存在有局部放电现象。本文利用时域有限差分法(FDTD)对波导结构中的局部放电和信号接收情况进行了仿真,研究了影响传感器接收信号能量的各种因素,包括放电源的位置、放电源与接收点的相对角度、GIS腔体结构和脉冲的陡度(宽度和幅值)。发现传感器输出的UHF信号能量大小与放电源的放电量并无线性关系。脉冲陡度是决定UHF信号能量大小的主要因素。当脉冲宽度一定时,UHF信号能量的平方根同实际脉冲的幅值成正比。本文提出利用局部放电源的实际放电量最大值对GIS局部放电进行估计。设定了放电量最大值对应的脉冲宽度为2.4ns,如果在同样幅值条件下,此时的实际放电量可达到最大值,但是接收点耦合到的信号能量最小。通过试验和仿真发现UHF信号能量的平方根与实际放电量之间呈线性关系,随着实际放电量的增长而增加。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-9
第一章引言  9-22
  1.1 GIS 局部放电在线检测的意义  9-10
  1.2 国内外GIS故障的情况  10-11
  1.3 GIS缺陷类型的分析  11-13
  1.4 现场常用的试验和检测方法  13-15
    1.4.1 耐压试验  13-14
    1.4.2 动态回路电阻检测法  14
    1.4.3 传统的局部放电测量法  14-15
  1.5 局部放电在线检测的方法  15-16
  1.6 特高频检测法的原理  16-17
  1.7 国内外特高频法研究的现状  17-20
  1.8 特高频法检测局部放电存在的问题  20
  1.9 本文研究的内容  20-22
第二章局部放电试验和测量装置  22-28
  2.1 实验装置  22-25
    2.1.1 GIS实体模型  22-23
    2.1.2 SF_6充气系统  23-24
    2.1.3 工频试验电源  24
    2.1.4 纳秒级脉冲放电发生装置  24-25
  2.2 局部放电测量和数据采集系统  25-28
    2.2.1 常规局部放电测量  26
    2.2.2 数字采集系统  26-27
    2.2.3 数据分析系统  27-28
第三章特高频传感器的研制  28-44
  3.1 特高频传感器的结构  28
  3.2 天线的研制  28-36
    3.2.1 非频变天线的基本概念  28-29
    3.2.2 等角螺旋天线原理  29-32
    3.2.3 阿基米德平面螺旋天线原理  32-33
    3.2.4 馈电系统的设计  33-35
    3.2.5 天线的设计  35-36
  3.3 特高频放大器  36
  3.4 检波器  36
  3.5 新型固定式介质传感器  36-44
    3.5.1 CT介质传感器  37-41
    3.5.2 手孔介质传感器  41-44
第四章基于检波技术局部放电类型的识别  44-55
  4.1 检波原理  44-47
    4.1.1 检波器的等效电路  44-45
    4.1.2 检波器参数的确定  45-46
    4.1.3 连续脉冲的仿真与计算  46-47
  4.2 局部放电的模型与设置  47-48
  4.3 试验结果  48-53
    4.3.1 尖刺模型的放电  49-50
    4.3.2 单点接触不良的放电  50
    4.3.3 多点接触不良的放电  50-51
    4.3.4 金属腔体上金属颗粒的放电  51-52
    4.3.5 绝缘子上金属颗粒群的放电  52
    4.3.6 绝缘子上自由金属颗粒的放电  52-53
  4.4 局部放电类型的识别  53-55
第五章提高GIS局部放电特高频信号定位精度的方法  55-74
  5.1 GIS局部放电特高频定位常用的方法  55-56
  5.2 特高频法定位存在的问题  56-58
  5.3 提高定位精度的数学方法  58-65
    5.3.1 互相关函数  58-59
    5.3.2 三次样条插值  59-61
    5.3.3 小波包分解提取的方法  61-65
  5.4 数学方法在定位中的应用实例  65-69
    5.4.1 三次样条插值与互相关函数的综合应用  65-67
    5.4.2 小波包分解与互相关函数的综合应用  67-69
  5.5 多传感器确定放电源方位的方法  69-70
  5.6 现场局部放电的定位  70-74
第六章放电源特性对UHF信号测量的影响  74-90
  6.1 同轴波导电磁波的特性  74-76
    6.1.1 同轴波导中TEM波的场分布  74-75
    6.1.2 同轴波导中TE和TM波的场分布  75-76
  6.2 时域有限差分法  76-80
    6.2.1 时域有限差分法原理  76
    6.2.2 时域有限差分法的特点  76-77
    6.2.3 标量Maxwell方程  77
    6.2.4 时域有限差分法迭代方程  77-79
    6.2.5 数值稳定性与时间步长  79
    6.2.6 计算内存的选取  79-80
  6.3 电磁波数值仿真参数的设置  80-83
    6.3.1 模型结构的设置  81-83
    6.3.2 剖分的设置  83
  6.4 仿真结果  83-88
    6.4.1 距离对UHF信号的影响  84-85
    6.4.2 相对角度对UHF信号的影响  85-86
    6.4.3 腔体尺寸对UHF信号的影响  86
    6.4.4 脉冲宽度对UHF信号的影响  86-87
    6.4.5 脉冲幅值对UHF信号的影响  87-88
  6.5 结果分析  88-90
第七章基于特高频法GIS局部放电的估计  90-97
  7.1 常规脉冲电流法的标定  90-91
  7.2 UHF信号与视在放电量的关系  91-92
  7.3 实际放电量最大值估计法  92-97
    7.3.1 最大值估计法的试验  93-95
    7.3.2 最大值估计法的仿真  95-97
第八章结论  97-99
参考文献  99-104
致谢  104-105
攻读博士学位期间发表的学术论文和科研成果  105-107
个人简历  107

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