詹广振

(中国铁路郑州局集团有限公司 新乡供电段， 河南新乡 453000)

GIS开关柜是我国高速铁路牵引变电所(包括分区所、AT所)的重要组成部分，由于其集成度高、少维护甚至免维护、可靠性高、便于布置和减少占地面积等优点，而在我国高速电气化铁路广泛应用。GIS开关柜的高压元器件被封闭在金属柜体内，不仅无法观察到其运行的状态，而且也无法对其柜内的断路器、隔离开关、互感器等高压元件进行常规的检修试验，其可靠性直接影响着我国高速铁路的安全供电。如在郑州铁路局集团公司新乡供电段管内的京广高铁，曾经发生了几起当接触网线路上有600 A以上的负荷电流时，分区所的GIS开关柜，就会发出很大的不正常的异声，通过设备厂家工程技术人员现场听GIS开关柜的音响、气体味道以及气体的检漏等方面的检查的情况，反馈到设备厂家的专家团队进行综合分析确定为GIS柜内部放电。故障性质的确定与现场检查的工程技术人员业务能力、积累的实践经验有很大关系，而且确定故障的时间比较长。为保证京广高铁的安全运行，及时发现GIS柜在运行中出现的局部放电现象，做到早期预防，研制了一套基于脉冲电流法的高速铁路GIS柜局部放电在线监测装置，以期实现对GIS柜故障早发现、早预警、早处理，从根本上避免GIS柜故障的发生，保障GIS柜安全可靠的运行[1-2]。

1 监测的原理

局部放电是指由于电气内部绝缘中存在的弱点，在一定外施电压下发生的局部重复击穿和熄灭现象[3]。一般情况下如果局部放电不是很严重，对电气设备的绝缘影响不大，但局部放电现象如果长期存在就会对设备绝缘造成损害。局部放电过程中的视在放电量是判断设备绝缘是否老化的关键参数，视在放电量越大，表明绝缘设备老化的程度越深，存在的风险越大。该装置采用脉冲电流法作为测量原理，能够准确的测量出电气设备的视在放电量，脉冲电流法也是唯一能够准确测得视在放电量的测量原理。脉冲电流法是一种应用最为广泛的局部放电测试方法(以下文中“局部放电”=“局放”)，国际电工委员会(IEC)专门对此方法制定了相关标准(IEC-60270)[4]。图1为脉冲电流法测量回路：

图1 脉冲电流法测量回路

图1为脉冲电流法的基本回路。其中，Ca代表被试品的电容；Ck代表耦合电容；Zm代表监测阻抗；MG代表测量仪器。这种回路是要把在一定电压u作用下的被试品Ca中产生的局放脉冲信号传递到Zm的两端，然后通过放大器送到测量仪器。检测阻抗Zm的作用是获取局放所产生的高频脉冲信号。由于信号幅度很小需要经过放大器予以放大，所以Zm与放大器在特性上需相互匹配。它们关系到测量的灵敏度与脉冲分辨率[5]。

在测试仪上所测得的局放脉冲值是与试验的局放视在电荷量q成比例的，他们之间的具体比例关系与测量回路和放大器等都有关，要从指示值来计算视在放电电荷量q是困难的，需要通过试验来确定，即脉冲电流法的测量仪器必须进行实验校正。校正方法是在原有的回路被试品的两端发出模拟局放的一致放电量大小的脉冲[6]，在测量仪器上与被试品发出的局放信号进行比对观察，从而得到被试品局放视在放电量的大小。

2 监测装置总体设计

GIS高压开关柜局放在线监测装置由中央数据分析器主机、局放传感器、局放图谱分析仪、信号传输电缆等几个环节构成。其构成示意图如图2所示。

图2 GIS柜局放在线监测装置示意图

中央数据分析器主机，通过信号传输电缆接收来自局放传感器的信号，对信号进行分析，并通过网络通信接口将分析结果传输至局放图谱分析仪。主机有自我检测和局放报警功能，最多可同时监测8路用电设备。

局放传感器，用于对高压开关柜的局放信号进行采集[7]。局放传感器包括电容耦合式局放传感器、电感耦合式局放传感器和空间电磁波式局放传感器。电容耦合式局放传感器包括耦合电容和与其连接的第1局放信号放大器，第1局放信号放大器将耦合电容采集到的脉冲电流信号进行放大，通过信号传输电缆送给中央数据分析器主机分析；电感耦合式局放传感器包括罗科夫斯基线圈和与其连接的第2局放信号放大器；空间电磁波式局放传感器包括天线和与其连接的第3局放信号放大器。中央数据分析器主机分别与上述3个局放传感器连接，所述3个局放传感器单独使用或组合使用。

局放图谱分析仪，用于对所述采集的局放信号进行分析，通过局放图谱，判断局放类型和局放源的位置。

信号传输电缆为带屏蔽的同轴电缆。

3 关键技术及其解决方案

3.1 系统抗噪技术的研究

电力设备中如出现微小的局放，其感应出的电信号是微小的，传感器感应到的电压信号将是几十毫伏级，如此小的脉冲信号必将受到谐波、开关设备的操作、空间噪声等信号的干扰，在此条件下进行局放信号的采集是非常困难的，为保证该系统具有最高的灵敏度，对局放信号进行筛选和区分是必要的，为此选择软硬件相结合的方式来提高信噪比[8]。

(1)信号采集频段的选择。选择高于传统脉冲电流法所使用的100子表kHz的信号频段，采样带宽范围达到10 MHz以上，主要采集10 MHz以上的局放信号，由于大部分噪声的频段小于1 MHz，在这个频段下采集信号能够有效的提高信噪比。所以在研发过程中，分析主机采用了高频信号采集系统。

(2)传感器的选择。选择开关柜中普遍配置的绝缘子式电容传感器。该类传感器具有稳定、抗干扰能力较强的特点。相对于超声波、地电波、高频电流互感器等传感器，绝缘子式电容传感器不易受空间噪声影响。该传感器有较高的带通，可以采集10 MHz以上的局放信号。同时放大器可以直接配合开关柜的带电指示装置的相序接口使用。

(3)局放信号放大器的选择。该系统所使用的局放信号放大器与传统的信号发生器有本质的不同，此放大器使用3个模拟信号入口和1个信号出口，3个信号入口分别接收从来自连接在三相母线上的传感器上传来的信号，经过放大器处理放大后，由信号出口传输给分析主机。同时将放大器的带宽设计为10 MHz以上。这样，经分析主机出口的信号，只放大输出三相信号的差模信号，共模信号被视为背景噪声被放大器滤除。使用该放大器能够显著提升系统整体的抗干扰能力，大大降低背景噪声，进一步提高了测量值的准确性。

(4)数字抗噪处理，设置了噪声抑制功能，通过特殊算法设计，能自动识别并处理部分噪声，得到较为纯净的局放信号相图[9]。

3.2 故障定位

当高压开关柜内部发生局放时，不仅希望实时监控电气设备的局放视在放电量，而且还希望在设备出现较为严重的局放时，能对故障进行大致的定位，以方便后续的检修工作。通过判断局放出现的相位位置，以实现基本的故障定位功能[10]。

(1)分析主机与设备的工频同步的实现，想实现故障定位，分析主机首先需要与被监测设备工频同步，分析主机通过采集电源的工频信号，经过校准仪对其进行相角的校准后便可与被监测设备工频同步。

(2)分析局放相图实现故障定位,一般情况下，局放发生在工频电压值上升阶段，即0°～90°和180°～270°之间,依靠后台软件系统,我们能够非常容易的判断故障点发生在具体的哪一相,如图3所示。从图中可以看出故障发生在第二相。

图3 GIS柜局放故障定位相图

3.3 脉冲电流法测量的校准

由于原理是直接测量与被监测设备电气耦合的电容传感器上的局放信号，脉冲电流法是唯一能够直接得到设备局放视在放电量的方法。在分析主机上所测得的局放脉冲是与试验的局放视在放电量q成比例的，它们之间的比例关系与测量回路和放大器等都有关，要从指示值来算的视在放电量是非常困难的，一般通过试验的方式去校准。为此研制了专门针对在线方式校准的局放校准仪，一般的局放校准仪只能实现离线校准，而该校准仪可实现在线校准与离线校准。

3.4 智能数据分析管理系统平台

为了方便相关人员对被监控设备的监控、分析与管理，该系统提供有强大的智能数据分析管理平台，该平台与分析主机通讯后，有向用户显示各分析主机、各通道的实时相图、三维相图、提示、报警等功能，形成一套完整的分析管理系统。今后，结合此平台数据库，还可以依靠人工神经网络和模糊识别技术对被监测设备进行放电类型识别工作。

4 技术研究与试验综合分析

4.1 试验目的

利用10 kV 配网平台实测试验，考核GIS高压开关柜局放在线监测装置的灵敏度、抗干扰性、可靠性，并与北京电科院的试验室局放检测设备进行对比，最终得出该产品的综合性能分析结论和评估实际应用价值。

4.2 试验方法

预先在10 kV 配网试验平台的245-5开关柜上，安装高压开关柜局放在线监测装置，并在该柜内搭建了一个放电量比较大的金属悬浮放电缺陷。

对开关柜施加电压后，利用局放校准器对高压开关柜局放监测装置进行在线校准。试验过程中先对245-5开关柜施加一定等级的电压至有明显的局放信号后，利用局放校准器对高压开关柜局放监测装置校准并进行局放的监测。同时使用北京电科院试验室局放检测设备进行对比测试。

4.3 测试结果

对245-5开关柜施加电压为单相4 kV，利用高压开关柜局放监测装置进行检测，其放电量为大于500 pC(超出量程，量程为500 pC)，测试图谱如图4所示。

图4 局放监测装置测试图谱

利用便携式开关柜局放测试系统进行测试，放电量为771 pC(量程为2 000 pC)。测试图谱如图5所示。

图5 便携式测试系统测试图谱

从图4、图5看出，当在245-5开关柜内搭建了一个放电量比较大的金属悬浮放电缺陷时，用高压开关柜局放在线监测装置和便携式开关柜局放测试装置测试时，两者图谱一致。

通过本次试验，得到如下结论：

(1)高压开关柜局放在线监测装置可实现开关柜的局放在线监测，放电量测试比较准确。

(2)高压开关柜局放在线监测装置可用局放校准器在线校准，测量数值准确，抗干扰能力强，能够有效区分和排除现场的干扰信号，适合变电站现场测试应用。

(3)高压开关柜局放在线监测装置分析软件能够清晰显示局放幅值，特征图谱等信息，准确判断局放类型、局放大小、局放位置。

5 京沪高铁泰铁牵引变电所测试情况

2015年11月在京沪高铁泰铁牵引变电所201GIS柜上进行在线局放的测试，并与超声波、TEV地电波局放检测设备进行了对比。测试包括高压开关柜局放在线监测装置的测试效果、传感器灵敏度、重复性以及局放模式识别功能等。本次试验的201GIS开关柜内安装了一小段切断的电缆，电缆裸露的线芯尖端会发生尖端放电缺陷。对该柜施加单相4 kV电压，利用该局放装置进行检测，放电量为11 pC，测试图谱如图6所示。

图6 高压开关柜局放测试装置测试图谱

同等条件下使用TEV地电波和超声波进行测试未能检测到局放。

6 京广高铁GIS柜异音检查情况

郑州铁路局集团公司新乡供电段管辖的京广高铁牵引变电所使用的GIS柜，在运行中，当接触网线路上有600 A以上的负荷电流时，姬庄AT所272GIS柜、白马分区所273、274GIS柜就会发出很大的不正常的异音。由于GIS柜是一个完全密封的电气设备，其内部的断路器、三工位隔开、避雷器、母线等，在日常的设备巡视检查中，根本无法观察到其运行的状态。设备厂家的有关专家，也多次到现场进行技术指导，得出的结论可能是由于GIS柜中有大电流通过时谐振引起[11]，也可能是GIS柜内部高压电缆与柜的连接处、柜体内部内锥腔等处接触不良放电引起。

为了验证GIS柜局放在线监测装置的准确性、可靠性，有效判断GIS柜的局放类型、大小以及具体位置，2017年8月15日使用该装置对姬庄AT所272GIS柜、白马分区所273、274GIS柜，分别进行局放的测试，测试采用从GIS柜高压带电显示装置位置采样的方式进行。

6.1 GIS柜测试情况

(1)姬庄AT所272GIS柜测试情况

当接触网线路上有500 A的电流时，利用高压开关柜局放在线监测装置进行测试，放电量为11 pC，测试图谱如图7所示。

图7 姬庄AT所272 GIS柜测试图谱

(2)白马分区所273 、274GIS柜测试情况

当该所273、274 GIS柜分别显示有650 A、500 A的电流时，该监测装置均未发现GIS柜内部有放电情况。测试图谱如8所示。

图8 白马分区所273 GIS柜测试图谱

6.2 GIS柜厂家设备检查情况

(1)姬庄AT所272GIS柜检查

2018年1月16日“天窗”，把272GIS柜T、F相高压电缆头从GIS柜中拔出检查，T、F高压电缆头均无烧伤、损伤现象。把2号电压互感器从272GIS柜顶部拔出，检查发现电压互感器插接绝缘接头处有4处明显的放电麻点。对放电麻点进行处理投入运行后，异声消失。

(2)白马分区所273 、274GIS柜检查情况

2018年1月29日“天窗”，解体检查白马分区所273、274GIS柜T、F相高压电缆头及3、4号电压互感器，发现273、274GIS柜T、F相电缆头及3、4号电压互感器插接绝缘接头上面有很多硅脂，并且在靠近GIS柜部位硅脂已经固化，检查273、274GIS柜电缆头及内锥腔，3、4号电压互感器插接绝缘接头及内锥腔，均无烧伤、损伤现象。将固化硅脂进行清理，设备投入运行后，未再发现有异声现象。异声产生的原因主要是由于GIS柜在现场安装过程中使用的硅脂固化，对GIS柜形成电位差造成。

由此可知，使用GIS高压开关柜局放在线监测装置，带电监测京广高铁姬庄AT所272GIS柜，白马分区所273、274GIS柜，其测试结果与GIS柜设备厂家现场检查结果一致。

7 应用前景

高速铁路已经成为我国的一张名片，其运行的安全可靠性不言而喻。GIS柜是高速铁路牵引变电所的重要组成部分，已被中国铁路总公司列入《高速铁路设计规范》，也就是说高速铁路牵引变电所2×27.5 kV侧必须使用GIS柜。由于GIS柜的高压元器件都被封闭在金属柜体内，不仅无法观察到其内部各个元器件的运行的状态，而且到目前为止，尚未有能够有效检测GIS柜内部放电的检测仪器、测量仪表。因此当牵引变电所的值守人员在设备巡视检查时，即使是听到GIS柜内部发出的诸如变压器不正常的声响时，也要立即与设备厂家联系处理，由设备厂家的工程技术人员通过气体定性检漏仪的检测、仔细认真的听开关柜的声响、是否有异常的气体味道等多方面的检查分析判断，给出一个初步的结论，然后把现场检测的各种信息反馈到设备厂家的专家技术团队，再进行综合分析判断，以确定GIS柜内部是否有问题，而且问题性质的确定与现场检查的工程技术人员积累的实践经验有很大关系。所以全路各拥有高速铁路运营的供电段等单位，都非常重视GIS柜在运行中出现的各类信息，但对GIS柜都缺乏行之有效的检测手段，即使是设备厂家也没有对GIS柜内部放电进行定量检测的仪器仪表。而该装置能够准确的监测京广高铁新乡供电段管内姬庄AT所272GIS柜内部放电故障，判断出白马分区所273、274GIS柜在运行中发出的不正常的异声为非内部放电引起，说明GIS柜局放在线监测装置能够有效的监测GIS柜的内部放电故障。正基于此，使用该装置对管内京广高铁13个所亭的所有GIS柜进行了在线监测，均未发现GIS柜内部有局放现象，实现了GIS柜局放故障的早发现、早预警、早处理。

随着中国铁路总公司《牵引供变电所实施无人值班值守工作的指导意见》(工电函〔2018〕101号)的实施，GIS高压开关柜局放在线监测装置会将局放监测作为标准化配置，推动高速铁路GIS柜全行业智能化监测水平的提升，通过GIS柜局放在线监测，能够快速捕捉因GIS柜内部放电的事故征兆，早期预警，防范故障，减少突发性恶性事故变得相对容易和准确，为GIS柜内部存在的故障或潜在故障的判断提供依据。

8 结束语

针对我国高速铁路使用的GIS柜全密封、无法对其内部进行电气监测试验的特点，按照上述监测原理，研制了一套高压开关柜局放实时在线监测装置。使用该装置对京广高铁新乡供电段管内的姬庄AT所272GIS柜，白马分区所273、274GIS柜运行中出现的异声问题进行带电测试，准确的判断姬庄AT所272GIS柜局放的类型、大小、位置，清晰显示高压开关柜内部局放的幅值、特性图谱等信息，找到了GIS柜运行中产生异声的原因，测试结果与GIS柜设备厂家的现场检查结果一致。