六氟化硫氣體絕緣開關設備預防事故診斷系統
普士電業股份有限公司 / 縈邦技研股份有限公司 賴邦煇
一、前言
SF6 GIS 在變電站中扮演的角色為保護大電力用戶之電力系統的整體安全性，一但發生事故，則整體電力系統均為之癱瘓，而GIS之事故，大多數為CT、PT之爆炸事故。所以SF6 GIS事故預防診斷則為大電力用戶需要關心及研究的重要課題。
我們知道，當帶電體表面電位梯度超過空氣的絕緣強度(約30KV/cm)時，會使空氣游離產生電暈放電現象。而在特高壓設備中，常會因為設計、施工之方式與方法不對，又GIS組件，如CT、PT、避雷器與電纜處理頭等，品質不良或絕緣劣化造成局部放電，並導致電暈現象生成產生爆炸，故設計單位與電力用戶必須相當注意局部放電的處理，方能確保用電安全。
二、局部放電(局部放電)檢測簡介 :
說明 :
不同於模鑄式變壓器的部份放電檢測可用非接觸超音波感測器，電容耦合感測器和高頻電流感測器等不同的感測器，施行各種互補性的部份放電檢測，油浸式變壓器因高壓線圈包覆在絕緣油內，且外表以金屬密封(甚至內襯以銅片以防止磁化之發生)，因此適用的部份放電檢測方式目前多用接觸式超音波感測器，貼附於油浸式變壓器外殼，以偵測內部的部份放電，甚或定位。
在國外，油浸式變壓器在建造時常有預留接地線自高壓套管(bushing)處搭接出來，以便由高頻電流感測器執行日後在線(on-line)的部份放電偵測或監測，這是最有效的油浸式變壓器部份放電的偵測和監測方式(IEC60270)，但在國內絕大多數的油浸式變壓器在建造時皆無預留此項裝置，因此多只能以接觸式超音波感測器執行局部放電檢測。而另一種較新的方法為以UHF感測器自變壓器濾油孔插入，以偵測變壓器內部局部放電之訊號，但實際效用仍待進一步驗證。
接觸式超音波感測器，貼附於油浸式變壓器外殼，以偵測內部的局部放電時，如何分辨出以機械波測得之局部放電訊號和雜訊，是最重要的技術關鍵。
在GIS與主變之電纜與電纜頭，因電纜距離短(僅數十至數百公尺)，且無接續匣(joint)，IPEC之成熟發展的活線(on-line)電纜檢測技術，早已能輕易的精準檢測出大範圍(涵蓋整條連接GIS與主變之電纜與電纜頭)內是否有無局部放電，而若有局部放電，則執行精確的局部放電位置之定位。
2.部分放電(局部放電)檢測原理說明 :
使用的PD偵測Sensor有 :
(1).電性偵測--HFCT & CC (TEV/UHF)
(2).聲波式偵測--非接觸式(Air borne or Non-contact Type)超聲波(適用於乾式變壓器與開關箱)與接觸式(Contact Type - AE)超聲波sensor(適用於油浸式變壓器、GIS)。
(3).高頻RF(Aerial sensor)訊號偵測—視情形與環境使用,用於判別除PD外之其他高頻的雜訊來源，以便用於分辨局部放電與環境雜訊分辨及剔除雜訊。
由於乾式變壓器表面不可接觸及黏貼Sensor，因此只有CT、CC，與高頻RF訊號偵測及非接觸超聲波 Sensor 可用。
3. 各種感測器的使用時機與檢測原理:
以Airborne(非接觸式超音波Sensor)偵測說明 :
非接觸式超音波只能測於變壓器表面產生之PD，而無法偵測變壓器内部PD (因為超聲波由固體傳至氣體介面，或由氣體傳至固體介面，因聲阻抗非常大之差異，百分之99以上的超聲波皆被反射，而無法透射傳出)因此，只能外部接點或表面之 PD可以被非接觸式超音波測得。而運用非接觸式超音波技術，亦可輔助用以判斷HFCT測得之PD是否於變壓器外部或接點上，以及用電訊號與聲波傳遞速度之差異，來判定PD源及位置。
以CC(TEV/UHF sensor)偵測說明: 可偵測出變壓器外殼與部分高壓設備內部產生的PD，但對內部PD可以HFCT sensor搭配，執行非常靈敏的局部放電偵測，而CC Sensor並能用以進一步確認PD之位置(PD定位)。
以HFCT (高頻CT) Sensor偵測說明: 則適用於檢測變壓器內部所產生的部份放電訊號接觸式超音波(Contact Airborne Acoustic)適合應用於油浸式變壓器(TR)、氣體絕緣開關(GIS)的部份放電檢測，其中GIS局部放電檢測是以接觸式超音波為主搭配UHF、HFCT技術加以輔助，油浸式變壓器局部放電檢測則是以接觸式超音波為主搭配CC、HFCT技術加以輔助，高壓電纜(含電纜頭)局部放電檢測是以HFCT為主搭配CC(TEV)、超音波技術為輔。
4. GIS 部份放電檢測說明：
GIS局部放電檢測是以接觸式超音波為主搭配UHF、HFCT技術輔助判別
步驟一 : 以接觸式超音波進行檢測
步驟二 : 以UHF技術輔助定位
步驟三 : 以HFCT技術輔佐判別
三、SF6 GIS預防事故診斷系統介紹
局部放電（Partial discharge; PD）是GIS絕緣特性轉變的一個重要指標。PD脈衝抑制頻率，擴大湧升在1GHz以上的快速上升邊緣，並且這種情況會引起GIS套管內部超高頻（UHF）各種形式的共振。共振持續最小的萬分之ㄧ秒可由安裝於任一個GIS本體套管內部或GIS套管封口（檢視窗）之間的絕緣筒上面的UHF PD感知器獲得。無論是內部或外部的UHF感知器的使用，UHF信號皆可同步放大與顯示，並且能展現目前GIS任何缺點之種類於特性圖上。根據這種即將發生之故障的早期警報，可以採取適當的行動，能有效避免對做GIS的強制中斷的動作。以下針對活線PD監視系統的主要架構的基本功能做說明。
- UHF PD 感知器，能由局部放電或常規GIS套管封口的視窗，接收電磁波發電。而UHF PD 感知器，應放置於適當的距離，當GIS內發生最小值為5Pc的表面充電，則能偵測到UHF信號。
內部型 UHF PD感知器
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外部型 UHF PD 感知器 |
2. 資料擷取系統 (Data Acquisition System ;DAS)
DAS能經由低損失同軸電纜傳輸，通常安裝於GIS場地旁邊，收集UHF PD感知器的輸出信號。UHF信號於PD模組上演算處理，並隨著數位信號轉換。DAS的輸出信號由光纖傳輸至CCU。根據UHF設置的位置，一組DAS可包含最多6個UHF PD 感知器。
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3. 通訊控制單元(CCU)
CCU能把輸出信號同時從DAS歸檔，並且其設備通常安裝於控制室。此設備由光學HUB以及工業級電腦組成，將每一個UHF PD感知器的量測 PD 資料，傳輸至現場伺服器，以及提供PD事件與歷史資料。而且，當系統發生錯誤時，提供監視通訊條件與警報信號給現場伺服器。
4. 現場伺服器
現場伺服器安裝於控制室。此設備隨著CCU經由一條LAN的網路線通訊。PD量測資料由PD監視軟體(HIPDS-G)顯示與歸檔於現場伺服器。操作員可以看見每一個UHF PD感知器，並且檢查PD事件與PD歷史資料之PD即時動作。PD記錄資料由伺服器內中性網路演算系統分析使，使操作員容易發現PD的產生。
四、監視畫面
- 導引與主畫面
2.PD即時顯示
3. PD 事件與歷史資料顯示
4. 網路架構顯示
5. 每一個缺點的PD圖形
6. 活線診斷系統監視之項目
五、結論：
對GIS的局部放電檢測，目前最先進的檢測技術是以高頻UHF和接觸式超音波感測器執行，最佳的方式為一開始於GIS建造時即安裝於GIS內部，否則一但GIS建造安裝完成，若於GIS本體(一般位於間隔環-spacer上)尚未預留任何局部放電檢測窗口(window)，則整個GIS將成為一密封的法拉地牢籠(Farady Cage)，任何電磁波接無法自GIS內傳出，因此，接觸式超音波感測器，所測得之局部放電訊號，將無法有參考與比對，增加局部放電檢測的困難。
一般電力監控（SCADA）系統，大部分只注意到RELAY、CB、ES、DS等，跳脫、投入，往往忽略掉局部放電、避雷器洩漏電流，殊不知此二項為絕緣劣化的重要指標對事故預防也是佔有重要的地位，本公司GIS技術團隊研發出的UHF PD 感知器可用於GIS本體內部或外部偵測出PD，以DAS收集信號資料傳至伺服器演算，得到即時的狀況與數值，方能早期發現異常狀況並對其做處置。若未能購置本公司提供GIS與診斷系統的整套解決方案，也可以僅選購事故診斷系統，猶如幫GIS罩上一層金鐘罩，如果因為預算問題，無法添購監控設備，建議每年都能找PD檢測單位來協助檢測PD與避雷器洩漏電流。方能確保GIS無爆炸事故發生。
六、資料提供
韓國現代株式會社、萬匠企業股份有限公司
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