蔣遠(yuǎn)東 劉顯強(qiáng) 梁慶龍 余 菲 余 燈

（1.欽州供電局，廣西 欽州 535000；2.武漢烽火富華電氣有限責(zé)任公司，武漢 430074)

目前，高壓開關(guān)柜的檢修主要是在停電狀態(tài)下進(jìn)行，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)手段應(yīng)用的比較少，而開關(guān)柜的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。由于各種原因，高壓開關(guān)柜不能按照計(jì)劃固定停電檢修，開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行情況不能被實(shí)時(shí)的掌握，因而存在安全隱患，嚴(yán)重威脅供電安全[1]。開關(guān)柜內(nèi)局部放電一般不會(huì)導(dǎo)致絕緣的貫通性擊穿，但會(huì)造成電介質(zhì)的局部損壞以及絕緣電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度降低，即局部放電對(duì)絕緣設(shè)備的破壞是個(gè)緩慢的發(fā)展過程，隨著絕緣設(shè)備以及電介質(zhì)的損壞，也會(huì)導(dǎo)致局部放電次數(shù)和放電量的增加，如此形成一個(gè)惡性循環(huán)。開關(guān)柜內(nèi)的局部放電特性能反映開關(guān)柜設(shè)備的絕緣缺陷的特性和損壞程度，因此，對(duì)開關(guān)柜內(nèi)局部放電的監(jiān)測(cè)顯得很有必要，不僅增加了電網(wǎng)的供電安全性，同時(shí)也為智能電網(wǎng)的建設(shè)起到積極的促進(jìn)作用[2-3]。本文擬采用脈沖電流法對(duì)高壓開關(guān)柜中的局放信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并制作出了相應(yīng)的產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有靈敏的反應(yīng)速度，同時(shí)結(jié)合小波變換方法對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行處理，使得軟件具有精確捕捉局放信號(hào)的能力，滿足IEC-60270的局放測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[4]。

1 高壓開關(guān)柜的局部放電特性

局部放電（簡(jiǎn)稱局放，partial discharge）是指設(shè)備絕緣系統(tǒng)中部分被擊穿的電氣放電，這種放電可以發(fā)生在導(dǎo)體（電極）附近，也可發(fā)生在其他位置。局部放電主要包括：絕緣材料內(nèi)部放電（固體-空穴；液體-氣泡）；表面放電；高壓電極尖端放電。

高壓開關(guān)柜中引起局部放電的主要原因有：導(dǎo)體、外殼內(nèi)表面上的金屬突起，常常是由于制造和安裝時(shí)造成金屬表面有較尖的毛刺；絕緣介質(zhì)的缺陷、老化和表面的污穢造成絕緣內(nèi)部或表面出現(xiàn)局部放電；高壓母線連接處、開關(guān)電路出頭接觸不良或斷路器觸頭接觸不良造成局部放電；高壓設(shè)備里的可以移動(dòng)的金屬微粒，主要在制造、裝配和運(yùn)行中產(chǎn)生，當(dāng)靠近高壓導(dǎo)體并未接觸時(shí)，就很可能導(dǎo)致放電[5]。

當(dāng)高壓開關(guān)柜中有局部放電時(shí)，沿著放電通道將會(huì)有過程極短的脈沖電流產(chǎn)生，這些電流脈沖的寬度一般為ns級(jí)，并激發(fā)瞬態(tài)電磁波輻射，產(chǎn)生的脈沖電流會(huì)沿著電纜傳輸。高壓開關(guān)柜在穩(wěn)定狀態(tài)，三相電纜的電流在三相電纜分支前的接頭處疊加的總電流為 0；沒有局放發(fā)生時(shí)，在三相電纜分支前的接頭處只能監(jiān)測(cè)到均勻的噪聲電流信號(hào)。若在三相電纜分支前的接頭處監(jiān)測(cè)到不同尋常的脈沖電流信號(hào)，滿足局放特性，則可判斷開關(guān)柜中發(fā)生過一次局部放電事件，當(dāng)監(jiān)測(cè)到柜中的局放的放電頻率和放電量超過規(guī)定的閾值后，則可安排停電檢修，避免設(shè)備的進(jìn)一步惡化，保障高壓開關(guān)柜安全運(yùn)行。

高壓開關(guān)柜的典型特點(diǎn)在于開關(guān)柜四壁都是金屬密封結(jié)構(gòu)，對(duì)外界的電磁波有很好的屏蔽作用，同時(shí)，柜內(nèi)的局放信號(hào)也無法傳出開關(guān)柜，只存在于開關(guān)柜內(nèi)，因此開關(guān)柜內(nèi)的電磁干擾只因柜內(nèi)的電氣設(shè)備產(chǎn)生，因而對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的局放信號(hào)探測(cè)時(shí)，本身信噪比就較高，加上一些信號(hào)處理技術(shù)，更加容易檢測(cè)到局放信號(hào)。

2 局部放電監(jiān)測(cè)方法

目前，用于局放監(jiān)測(cè)的方法有脈沖電流法、超聲波檢測(cè)法、光測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法、紅外檢測(cè)和超高頻檢測(cè)法等多種方法。其中最受人們關(guān)注的當(dāng)屬脈沖電流法和超高頻檢測(cè)法[6]。

超高頻檢測(cè)法是近幾年出現(xiàn)的一種新的檢測(cè)方法，通過檢測(cè)電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻（300～3000MHz）電磁波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)和定位。由于噪聲信號(hào)主要集中于低頻段，因此這種方法的測(cè)量具有很強(qiáng)的抗外界干擾能力，且靈敏度高，已應(yīng)用于一些固體絕緣設(shè)備（如變壓器等）中的局部放電檢測(cè)。其缺點(diǎn)在于，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電氣設(shè)備，電磁波傳播時(shí)會(huì)發(fā)生多次折反射及衰減；同時(shí)，電氣設(shè)備外壁也會(huì)對(duì)電磁波的傳播帶來不利影響，這也增加了超高頻電磁波檢測(cè)的難度。因此，在開關(guān)柜中，由于柜中復(fù)雜的電氣結(jié)構(gòu)和金屬外壁等影響，電磁波在柜內(nèi)傳播特性復(fù)雜，不利于使用超高頻檢測(cè)法檢測(cè)局放信號(hào)；同時(shí)，由于不同類型的放電在超高頻段的能量分布差異較大，同時(shí)天線的放置位置與放電產(chǎn)生位置的距離會(huì)嚴(yán)重影響天線耦合到的超高頻信號(hào)強(qiáng)度，因此導(dǎo)致超高頻檢測(cè)方法無法對(duì)放電的大小進(jìn)行定量分析，也就無法有效顯示出開關(guān)柜內(nèi)的放電嚴(yán)重程度。

脈沖電流法是最早研究，且是迄今為止最廣泛使用的一種檢測(cè)方法，IEC對(duì)此制定了專門的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。每一次局部放電都會(huì)發(fā)生正負(fù)電荷的中和，伴隨有一個(gè)陡的電流脈沖，脈沖電流法即通過測(cè)量該脈沖電流檢測(cè)到局部放電的發(fā)生。該方法通過測(cè)量阻抗在耦合電容側(cè)或通過Rogowski線圈（簡(jiǎn)稱羅氏線圈）測(cè)取由局放引起的脈沖電流，獲得視在放電量、放電相位等放電信息。本系統(tǒng)采用基于羅氏線圈的脈沖電流傳感器來測(cè)量局放信號(hào)，這種檢測(cè)方法具有靈敏度高、實(shí)時(shí)性好，而且可以測(cè)得放電量、放電重復(fù)率、平均電流等，因而這種方法得到了廣泛的使用。其缺點(diǎn)在于在線檢測(cè)時(shí)，局放信號(hào)容易被噪聲干擾甚至湮沒，信噪比低。在開關(guān)柜內(nèi)，由于外界對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的局放信號(hào)干擾很小，因此開關(guān)柜內(nèi)的信噪比較高，同時(shí)可以通過引入小波變換的方法，在不改變信號(hào)可評(píng)估性的同時(shí)能顯著的提高信噪比。相對(duì)于超高頻檢測(cè)法，脈沖電流法檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)便，價(jià)格上更便宜，對(duì)于開關(guān)柜局放實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，使用脈沖電流檢測(cè)法更合適。

2.1 羅氏線圈電流傳感器

羅氏線圈實(shí)際上是均勻密繞在環(huán)形磁性鐵心上的線圈，原理圖如圖1所示，等效電路圖如圖2所示。

圖1 羅氏線圈原理圖

圖2 羅氏線圈等效電路圖

羅氏線圈的輸出電壓u(t)正比于被測(cè)原電流i1(t)隨時(shí)間t的變化率，即

式中，i1(t)垂直通過測(cè)量線圈所在的平面，M 為互感系數(shù)。羅氏線圈的自積分等效電路如圖2所示，其中 i2(t)為線圈感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，L0為線圈的自感系數(shù)，R0誒線圈繞線的電阻，CC0為線圈繞線與線圈外殼間產(chǎn)生的分布電容，通常CC0很小，可以忽略。由圖2中的等效電路圖，其回路方程為

測(cè)量時(shí)主要關(guān)心電流信號(hào)的第一個(gè)峰值和第一個(gè)周期，故可假設(shè)正弦衰減信號(hào)為理想狀態(tài)，即α→0。并且考慮到 sinωt、cosωt均為有界函數(shù)，則式（7）可轉(zhuǎn)化為

式中，N為羅氏線圈的匝數(shù)。通過式（10）可見，i2(t)與 i1(t)成線性關(guān)系且同相位[7-10]，即 u(t)與i1(t)成線性關(guān)系且同相位。據(jù)此條件則可用來對(duì)高頻沖擊信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，即對(duì)局放脈沖電流的測(cè)量。羅氏線圈采用磁耦合方式工作，檢測(cè)回路和高壓回路之間無直接接電聯(lián)系，非常適用于高壓開關(guān)柜的局放現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。羅氏線圈電流傳感器具有如下性能。

1）在較寬的頻帶上具有平坦的幅頻響應(yīng)：3dB帶寬為2～330MHz。

2）響應(yīng)速度很快：建立時(shí)間為ns量級(jí)。

3）靈敏度高：可測(cè)量最小局放脈沖電流的幅度為±0.5mA。

4）線性度好，輸出失真?。壕址琶}沖電流幅度為±0.5～±1000mA無失真。

5）安全可靠：與高壓回路之間無直接連接，安裝在中性點(diǎn)零電位處。

根據(jù)羅氏線圈原理制作出的局放脈沖電流傳感器的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 基于羅氏線圈的局放傳感器

2.2 小波變換原理

局部放電信號(hào)的檢測(cè)中，首先要解決的是噪聲抑制問題，其中典型的為白噪聲。局部放電是典型的非平穩(wěn)信號(hào)，處理這樣的信號(hào)就必須采用具有表征信號(hào)時(shí)頻局部特征能力的信號(hào)分析方法，包括短時(shí)傅里葉變化、Gabor變換、Randon-Wigner變換、循環(huán)統(tǒng)計(jì)量理論、調(diào)幅-調(diào)頻信號(hào)分析和小波變換等方法。小波變換具有多分辨率分析的優(yōu)點(diǎn)，是近年來非平穩(wěn)信號(hào)處理的研究熱點(diǎn)。目前基于小波變換的白噪聲抑制方法可分為兩種：小波模極大值法和小波閾值法，前者過程比較復(fù)雜，且計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，在實(shí)際中應(yīng)用很少；后者根據(jù)信號(hào)和噪聲不同的Lipschiitz指數(shù)變化規(guī)律，直接利用小波系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征量確定閾值，分離信號(hào)和噪聲，方法簡(jiǎn)單，實(shí)際應(yīng)用較多，本系統(tǒng)即利用小波閾值法對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行分離處理，具有良好的效果，顯著提高了信噪比[11]。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)脈沖電流法研制出了的一種用于高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并編寫了相關(guān)的局放測(cè)量軟件。系統(tǒng)在高壓實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行了高壓放電測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，本局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反映迅速，靈敏度高，信噪比較高，價(jià)格便宜且安全可靠，十分適合在開關(guān)柜里面使用。

在高壓開關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)的接線圖如圖 44所示，局放傳感器環(huán)套在三相電纜分支前的接頭處，獲取三相的全部電信號(hào)。在高壓開關(guān)柜中，沒有局部放電發(fā)生時(shí)，三相的全部電信號(hào)的幅值一致，且具有固定相位差，局放檢測(cè)儀只能探測(cè)到電纜上的噪聲信號(hào)。當(dāng)有局部放電發(fā)生時(shí)，局放所產(chǎn)生的脈沖電流會(huì)沿著電纜傳輸，置放在三相電纜分支前接頭處的環(huán)形局放傳感器即可探測(cè)到脈沖信號(hào)，并經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件的處理顯示并記錄下來。本系統(tǒng)的局放信號(hào)軟件采用了小波分析原理，能獲得更好的信噪比。

圖4 開關(guān)柜內(nèi)局放檢測(cè)裝置圖

利用此檢測(cè)裝置在開關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行電流監(jiān)測(cè)，典型的放電數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。 從圖5可以看到，高壓開關(guān)柜中總是存在大量的噪聲，相位幅度都很均勻，且幅度較小（受外界干擾很?。瑢?duì)于小脈沖，通過調(diào)節(jié)時(shí)域分辨率可以看到這些脈沖的相位、幅度具有重復(fù)的一致性，主要頻率分量也較低，故可以判斷圖5中的脈沖信號(hào)均是其他用電設(shè)備產(chǎn)生的干擾脈沖，不是局部放電。由圖6所示，脈沖電流檢測(cè)儀記錄的 20ms波形可以看出，此周期中有一個(gè)典型放電脈沖，如圖6所示左邊紅線圈所示，其幅值在3.5mV左右，其對(duì)應(yīng)的放電量在35pc左右，判斷其為放電脈沖的原因?yàn)椋涸撁}沖是隨機(jī)出現(xiàn)的，并帶有一定的相位特征，并且從高分辨率的波形可以看出，該脈沖的上升時(shí)間很快，即上升沿很陡。其他脈沖，通過其相位、幅度的重復(fù)一致性可以判斷為其他設(shè)備的干擾噪聲，不是局部放電。

圖5 高壓開關(guān)柜某段放電數(shù)據(jù)

圖6 高壓開關(guān)柜某段放電數(shù)據(jù)

通過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反應(yīng)迅速、靈敏度高且價(jià)格低廉，十分適合高壓開關(guān)柜的局部放電在線監(jiān)測(cè)。每發(fā)生一次局部放電事件，終端軟件均會(huì)有詳細(xì)的記錄，隨時(shí)供操作者查看，當(dāng)開關(guān)柜中局部放電頻率越來越頻繁，放電量越來越大時(shí)，則軟件會(huì)告警提示，提醒用戶對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行停電檢修，具有實(shí)時(shí)智能，安全方便等特點(diǎn)。

4 結(jié)論

高壓開關(guān)柜的穩(wěn)定運(yùn)行在電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行中具有重要的作用，而目前對(duì)高壓開關(guān)柜的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)手段少之又少，不符合建設(shè)智能電網(wǎng)的大潮流。本系統(tǒng)采用基于羅氏線圈的脈沖電流檢測(cè)儀，用來監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)柜中的局放信號(hào)，同時(shí)采用小波分析法對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，能取得滿意的效果。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置反映迅速，靈敏度高，安全性好，價(jià)格低廉，且具有實(shí)時(shí)在線檢測(cè)和記錄功能，完全可以實(shí)現(xiàn)無人值守的智能化監(jiān)測(cè)，在智能電網(wǎng)的建設(shè)中具有重要意義。

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