CN111505457B - 一种gis局部放电综合在线监测装置 - Google Patents

Abstract

一种GIS局部放电综合在线监测装置，包括：检测单元、控制单元、取电单元、第一腔体以及第二腔体。监测装置在综合多个传感器检测数据的基础上确定检测结果，此判定方式能够排除大部分的误报，减少工作人员排查次数以及排查工作量，该装置还通过通信模块将检测数据发送到上位机，使得值守在上位机旁的工作人员第一时间得到警报信息。该装置通过取电单元从GIS内部导体获取电能，不需要外接电源即可工作，无需增加电缆，不需要破坏现有的GIS气室结构，方便现有设备进行改造。该装置将检测单元设置在第一腔体内部，吸附剂的上方，能够实现分解气体先检测，后吸附，较现有技术，更能够准确的检测出GIS气体分解情况。

Description

一种GIS局部放电综合在线监测装置

技术领域

本发明涉及GIS局部放电检测技术领域，特别是一种应用于GIS局部放电综合在线监测装置。

背景技术

GIS内部中心为导体，气室内充满绝缘气体，内部设有支撑绝缘子、盆式绝缘子。在运行过程中，由于导体上的毛刺、气室内的金属颗粒、悬浮电位、绝缘子上的缺陷等，往往会导致GIS内部发生电晕放电、沿面放电、空穴放电、金属颗粒物放电等问题。若SF₆气体存在水分，在放电时分解物与水分发生反应生成HF、SO₂，严重危害电气设备的安全运行。

GIS内部可能发生连续性的局部放电，也可能发生间歇性的局部放电。对于连续性的局部放电，可由工作人员在GIS外部随时通过超声波、特高频以及SF₆气体分解物进行检测；对于间歇性的局部放电，很难通过工作人员在GIS外部检测发现局部放电，尤其是局部放电强度低，局部放电间隔时间长，产生的分解物少的情况。

当前部分GIS上已安装了SF₆气体综合在线监测装置或特高频局部放电在线监测装置，也有文献提出了将两种在线监测装置结合在一起对GIS进行检测，将在线监测装置浇筑于盆式绝缘子上。

特高频局部放电在线检测现有技术缺陷是容易产生误报，特高局部放电在线检测装置，是利用局部放电产生的电磁波来识别GIS内部产生的局部放电，因GIS气室周围电磁场环境通常不能做到背景电磁波纯净，如受到手机、无线通信设备的干扰，GIS局部放电综合在线监测装置就会产生报警信号，需要人工现场进行排查确认，又因为间歇性局部放电不可复现性，常常给排查人员带来困惑。

部分作为技术改造的应用复合SF₆气体检测的情况，通常难以将两者有机结合，作为综合判断的标准。产生误报后，工作人员到达现场，根据特高频局部放电在线监测装置报警信号，综合SF₆气体检测数据，进行排查，费时费力。

此外，GIS内部一般装设吸附剂，对于分解气体产生较少的情况，在检测前分解气体已被吸附，难以在GIS外部气体分解物的检测验证局部放电现象的发生。现有技术在设计上未考虑到GIS气室内存在吸附剂的情况。

特高频法（UHF法）是通过特高频信号传感器接收局部放电过程辐射的超高频电磁波，实现局部放电的检测。研究认为：变压器每一次局部放电都发生正负电荷中和，伴随有一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。试验结果表明：局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局放源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较，辐射高频电磁波的能力比较强。

当局部放电在很小的范围内发生时，击穿过程很快，产生很陡的脉冲电流，其上升时间小于1ns，并激发频率高达数GHz的电磁波。应用宽带天线（300MHz-1.5GHz传感器）检测GIS内部局放激发的电磁波信号，从而反应GIS内部局部放电的类型及大***置。由于现场的电晕干扰主要集中在300MHz频段以下，因此特高频法能有效地避开现场的电晕等干扰，具有较高的灵敏度和抗干扰能力，可实现局部放电带电检测、定位以及缺陷类型识别等优点。

局部放电，还伴随有爆裂状的声发射，产生超声波，且很快向四周介质传播。超声波（AD法）通常是通过安装在电力设备外壁上的超声波传感器（也可以根据需要将超声波传感器设置在GIS气室内部），将超声波信号转换为电信号，就能对设备的局部放电水平进行测量。

发明内容

本发明提供了一种GIS局部放电综合在线监测装置，用于减少现有GIS局部放电在线检测装置误报的频次。

本发明采用如下技术方案：

一种GIS局部放电综合在线监测装置，包括：检测单元以及控制单元；所述控制单元用于将从检测单元获取的信号加以处理，并将处理后的信号发送到外部上位机；所述控制单元包括控制器以及通信模块；所述检测单元包括：特高频传感器、超声波传感器、HF成分传感器以及SO₂成分传感器；所述特高频传感器、所述超声波传感器、所述HF成分传感器、所述SO₂成分传感器以及所述通信模块分别与所述控制器电连接。

进一步地，还包括感应取电单元，所述感应取电单元用于从GIS内部导体获取电能为各用电单元供电，所述感应取电单元包括：电流互感器、整流器、滤波器、稳压器，所述电流互感器用于从GIS内部导体获取电能，所述整流器输入端与所述电流互感器输出端电连接，所述滤波器输入端与所述整流器输出端电连接，所述稳压器输入端与所述滤波器输出端电连接，所述稳压器输出端用于为各用电单元供电。

进一步地，所述感应取电单元还包括：充电器以及储能电池，所述电流互感器从GIS内部导体获取的电能不足以为各用电单元供电时，由所述储能电池为各用电单元供电，所述充电器输入端与所述稳压器输出端电连接，所述储能电池与所述充电器电连接。

进一步地，还包括：第一腔体，所述第一腔体上表面设有开口，所述第一腔体上表面开口与GIS气室连通，所述第一腔体内部设有吸附剂；所述吸附剂设置在所述检测单元的下部。

进一步地，还包括：第二腔体，所述第二腔体分别与GIS气室以及所述第一腔体连通。

进一步地，所述第二腔体还设有循环风扇，所述循环风扇为无刷直流散热风扇，所述循环风扇与所述控制器电连接。

进一步地，所述检测单元还包括温度传感器以及湿度传感器，所述温度传感器以及所述湿度传感器分别与所述控制器电连接。

进一步地，所述通信模块为WiFi通信模块。

进一步地，所述通信模块设有天线，所述天线设置在所述第一腔体的表面。

进一步地，所述电流互感器设有电流互感器铁芯，所述电流互感器铁芯由多片硅钢片组合而成，所述电流互感器铁芯单点接地。

本发明的积极效果如下：一种GIS局部放电综合在线监测装置，包括：检测单元以及控制单元，检测单元包括：特高频传感器、超声波传感器、HF成分传感器、SO₂成分传感器。监测装置在综合上述传感器检测数据的基础上确定检测结果，在确定为局部放电时发出警报，应用多种传感器的GIS局部放电综合在线监测装置，在此判定方式下能够减少大部分的误报，减少工作人员排查次数，减轻工作量，该装置还通过通信模块将检测数据发送到上位机，使得值守在上位机旁的工作人员第一时间得到警报信息，提升了设备维护的主动性，降低了设备故障响应时间。

该装置还设有取电单元，取电单元通过GIS内部导体获取电能，并将一部分电能存储在储能电池中，储能电池在GIS内部导体不能够提供电能时为本装置供电，此设计不需要外接电源即可工作，无需增加电缆，不需要破坏现有的GIS气室结构，方便现有设备进行改造。

该装置还设有第一腔体以及第二腔体，将检测单元设置在第一腔体内部，吸附剂的上方，能够实现分解气体先检测，后吸附，较现有技术，更能够准确的检测出GIS气体分解情况。第二腔体设有循环风扇，风扇加快了GIS气室内部气流流通的速度，从而达到更快更准的反映出GIS气体分解情况。该装置通过WiFi模块与上位机建立通信连接，通信模块天线设置在第一腔体内表面，方便与上位机进行连接。

附图说明

图1为本发明实施方式整体结构主视示意图；

图2为本发明实施方式整体结构俯视示意图；

图3为本发明实施方式局部放电诊断过程示意图；

图4为本发明实施电流互感器取电方式示意图；

图5为本发明实施方式功能框图。

图中：特高频传感器1、HF成分传感器2、SO₂成分传感器3、天线5、电流互感器6、吸附剂7、第一腔体8、第二腔体9、循环风扇10、电流互感器铁芯11、导体12、超声波传感器13、温度传感器14、湿度传感器15。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-5所示，一种GIS局部放电综合在线监测装置，包括：检测单元以及控制单元；控制单元用于将从检测单元获取的信号加以处理，并将处理后的信号发送到外部上位机；控制单元包括控制器以及通信模块；检测单元包括：特高频传感器1、超声波传感器13、HF成分传感器2、SO₂成分传感器3；特高频传感器1、超声波传感器13、HF成分传感器2、SO₂成分传感器3以及通信模块分别与控制器电连接。

控制器本实施方式采用以型号为STM32F103C8T6的单片机为核心的电路，该单片机内部集成了AD转换器、串口通信单元，该单片机最高时钟主频可达72MHz，能契合我们的使用要求。

特高频传感器1应用宽带天线5（300MHz-1.5GHz传感器）检测GIS内部局放激发的电磁波信号。根据传感器安装位置不同，分为内置法与外置法两种。本实施方式为内置法，该传感器通过宽带天线5捕捉到GIS气室内部局部放电产生的电磁波，控制器将捕捉到的电磁波信号进行模数转换为可以处理的数字信号，应用幅值法将背景噪声电磁波滤除，超出阈值部分即为有效信号，经过单片机数据处理即可大致判断出不同的放电类型，如尖端放电、悬浮放电、自由金属放电、沿面放电、内部放电。

超声波传感器13安装在GIS气室内壁上，当GIS气室内部发生局部放电时，超声波传感器13捕捉到超声波，控制器将捕捉到的超声波信号进行模数转换，应用幅值法，并与工频进行比较，如工频50Hz，两次相邻放电产生的超声波峰值间隔可以计算出放电间隔频率，当两次超声波峰值间隔频率与工频频率相同，控制器即判定为电晕放电；单片机按现有技术即可大致判断出不同的放电类型，如尖端放电、悬浮放电、自由金属放电。

HF成分传感器2以及SO₂成分传感器3均为电化学传感器，当传感器周围出现目标气体时，电化学传感器通常将接触到的目标气体浓度转变成与气体浓度呈对应关系的的电位差信号，该电位差信号经过放大传送至控制器，控制器通过模数转换器转换为可以用来处理的数字信号，从而指示出目标气体的浓度，HF成分传感器2以及SO₂成分传感器3分别与控制器电连接。

最终控制器会综合来自特高频传感器1、超声波传感器13、HF成分传感器2、SO₂成分传感器3的数据，其判断方式如图2，图中，≥1为逻辑或关系，&为逻辑与关系，对于尖端放电、悬浮放电、自由金属颗粒放电，当超声诊断、特高频诊断两种检测方式有一种检测出异常且分解气体传感器检测到某种分解气体时，才可确定发生该类型的局放；其他情况则为干扰。由于超声诊断不能检测沿面放电及内部放电，内部放电无法产生分解气体，沿面放电在特高频诊断及分解气体诊断发现异常时发出告警信号，内部放电在特高频诊断出异常时即可发出报警信号。通过这一方法可排除较多干扰，提高检测的准确性。在确定为局部放电信号后，控制器会通过通信模块将来自各传感器的数据发送至上位机，上位机旁的值守人员会第一时间得到警报信息，对现场的GIS设备进行确认，必要时进行维护。

GIS局部放电综合在线监测装置采用特高频传感器1、超声波传感器13、HF成分传感器2、SO₂成分传感器3相结合的方式进行检测，在综合上述传感器检测数据的基础上确定检测结果，在确定为局部放电时发出警报，能够减少大部分的误报，减少工作人员排查次数，减少工作量，该装置还通过通信模块将检测数据发送到上位机，使得值守在上位机旁的工作人员第一时间得到警报信息，提升了设备维护的主动性，降低了设备故障响应时间。

进一步地，为减少该装置对外部电源的依赖，还包括感应取电单元，感应取电单元用于从GIS内部导体12获取电能为各用电单元供电，感应取电单元包括：电流互感器6、整流器、滤波器、稳压器、充电器以及储能电池，电流互感器6用于从GIS内部导体12获取电能，整流器输入端与电流互感器6输出端电连接，滤波器输入端与整流器输出端电连接，稳压器输入端与滤波器输出端电连接，稳压器输出端用于为各用电单元供电。储能电池用于在电流互感器6从GIS内部导体12获取的电能不足以为各用电单元供电时为各用电单元供电，充电器输入端与稳压器输出端电连接，储能电池与充电器电连接。更为具体地，电流互感器铁芯11由多片硅钢片组合而成，电流互感器铁芯11单点接地。

工作原理，电源模块的感应线圈是利用法拉第电磁感应定理从GIS内的磁场中获取电能，流通交流电流的GIS内部导体12，周围会产生交变的磁场，互感器铁芯包围该交变磁场，互感器线圈两端会感应出交变的电动势:

导体12外某一点的磁感应强度为：

B=（սI）/（2πa）

其中，ս为铁芯中的磁导率，I为流过导体12的电流，a为空间某点到导体12轴线的距离，B为该点的磁感应强度。则互感器线圈两端产生的电动势为：

E=（N*dΦ）/dt=（N*S*dB）/dt

式中，N为互感器线圈匝数，Φ为互感器线圈中的磁通，S为单匝感应线圈的面积，t为时间。

电流互感器6获取的交流电经过整流滤波后，变为平滑的直流电压，再经过稳压后，便可以为各用电单元供电。

此应用基础在于，用于产生交变磁场的导体12电流I应足够大，如在用电低谷，或停电状态，则由储能电池为各用电单元供电。电流互感器6正常工作时，一路经稳压模块为各用电单元供电，另一路经稳压模块以及充电模块为储能电池充电。

设有取电单元的GIS局部放电综合在线监测装置，从GIS内部导体12获取电能，不需要外接电源即可工作，无需增加电缆，不需要破坏现有的GIS气室结构，方便现有设备进行改造。

进一步地，该装置还设有第一腔体8以及第二腔体9，第一腔体8上表面设有开口，第一腔体8上表面开口与GIS气室连通，第一腔体8内部设有吸附剂7；检测单元设置在第一腔体8内表面，吸附剂7的上部。

第二腔体9上表面设有开口，第一腔体8上表面开口与GIS气室连通，第一腔体8以及第二腔体9下侧均设有开口，第一腔体8以及第二腔体9通过下侧均设有开口连通。第二腔体9接近上表面开口的内部设有循环风扇10，循环风扇10为无刷直流散热风扇，循环风扇10与控制器电连接。

检测单元还设有温度传感器14以及湿度传感器15，温度传感器14以及湿度传感器15分别与控制器电连接，温度传感器14以及湿度传感器15均设置在吸附剂的上部，第一腔体8的内部。

工作过程，局部放电产生后，特高频传感器1以及超声波传感在第一时间即可感知，并将检测到的信号传送到控制器，控制器立即启动循环风扇10，GIS气室内的气体先后通过第一腔体8以及第二腔体9，由于循环风扇10加快气流流动的作用，HF成分传感器2、SO₂传感器、温度传感器14以及湿度传感器15能够更快的取得检测数据，经过一段时间检测后，循环风扇10关闭，控制器读取出该段时间传感器的数据，再经过判断，即可确定为是否发生了局部放电。

将检测单元设置在第一腔体8内部，位于吸附剂7的上方，能够实现分解气体先检测，后吸附，较现有技术，更能够准确的检测出GIS气体分解情况。该装置还设有与第一腔体8连通的第二腔体9，第二腔体9还设有循环风扇10，加快了GIS气室内部气流流通的速度，从而达到更快更准的反映出GIS气体分解情况。

进一步地，通信模块为WiFi通信模块，通信模块天线5设置在第一腔体8的内表面。

如我们所知，GIS气室外壳绝大部分为金属材质，而金属材质对无线电信号有极强的屏蔽效果，故我们采用天线5设置在第一腔体8内表面的WiFi通信模块。WiFi通信模块，采用无线电磁波传递信号，免去了连接数据传输线的烦恼，使用时仅需要在上位机与WiFi模块进行配对，即可进行数据传输，方便使用。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所做出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种GIS局部放电综合在线监测装置，其特征在于，包括：检测单元以及控制单元；所述控制单元用于将从检测单元获取的信号加以处理，并将处理后的信号发送到外部上位机；所述控制单元包括控制器以及通信模块；所述检测单元包括：特高频传感器(1)、超声波传感器(13)、HF成分传感器(2)以及SO₂成分传感器(3)；所述特高频传感器(1)、所述超声波传感器(13)、所述HF成分传感器(2)、所述SO₂成分传感器(3)以及所述通信模块分别与所述控制器电连接；还包括感应取电单元，所述感应取电单元用于从GIS内部导体(12)获取电能为各用电单元供电，所述感应取电单元包括：电流互感器(6)、整流器、滤波器、稳压器，所述电流互感器(6)用于从GIS内部导体(12)获取电能，所述整流器输入端与所述电流互感器(6)输出端电连接，所述滤波器输入端与所述整流器输出端电连接，所述稳压器输入端与所述滤波器输出端电连接，所述稳压器输出端用于为各用电单元供电；所述感应取电单元还包括：充电器以及储能电池，所述电流互感器(6)从GIS内部导体(12)获取的电能不足以为各用电单元供电时，由所述储能电池为各用电单元供电，所述充电器输入端与所述稳压器输出端电连接，所述储能电池与所述充电器电连接；还包括：第一腔体(8)，所述第一腔体(8)上表面设有开口，所述第一腔体(8)上表面开口与GIS气室连通，所述第一腔体(8)内部设有吸附剂(7)；所述吸附剂(7)设置在所述检测单元的下部；还包括：第二腔体(9)，所述第二腔体(9)分别与GIS气室以及所述第一腔体(8)连通；所述第二腔体(9)还设有循环风扇(10)，所述循环风扇(10)为无刷直流散热风扇，所述循环风扇(10)与所述控制器电连接；控制器综合来自特高频传感器(1)、超声波传感器(13)、HF成分传感器(2)、 SO₂ 成分传感器(3)的数据，对于尖端放电、悬浮放电、自由金属颗粒放电，当超声诊断、特高频诊断两种检测方式有一种检测出异常且HF成分传感器、 SO₂ 成分传感器检测到某种分解气体时，确定发生该类型的局放，其他情况则为干扰；沿面放电在特高频诊断发现异常且HF成分传感器、SO₂ 成分传感器检测到某种分解气体时发出告警信号，内部放电在特高频诊断出异常时发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的一种GIS局部放电综合在线监测装置，其特征在于，所述检测单元还包括温度传感器(14)以及湿度传感器(15)，所述温度传感器(14)以及所述湿度传感器(15)分别与所述控制器电连接。

3.根据权利要求2所述的一种GIS局部放电综合在线监测装置，其特征在于，所述通信模块为WiFi通信模块。

4.根据权利要求3所述的一种GIS局部放电综合在线监测装置，其特征在于，所述通信模块设有天线(5)，所述天线(5)设置在所述第一腔体(8)的表面。

5.根据权利要求4所述的一种GIS局部放电综合在线监测装置，其特征在于，所述电流互感器设有电流互感器铁芯(11)，所述电流互感器铁芯(11)由多片硅钢片组合而成，所述电流互感器铁芯(11)单点接地。

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