任 重

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001）

金屬封閉式開關(guān)柜的絕緣狀態(tài)影響著變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過局部放電檢測(cè)能夠及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備的絕緣隱患，防止放電發(fā)展造成的絕緣劣化甚至設(shè)備故障，保障供電可靠性[1-3]。采用暫態(tài)對(duì)地電壓（Transient Earth Voltage，TEV），又稱地電波法檢測(cè)開關(guān)柜局部放電具有靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)、易于定位以及可帶電測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，近年來在國(guó)內(nèi)發(fā)展較快，取得了大量的研究成果[4-7]。

然而，由于地電波法檢測(cè)局部放電在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)應(yīng)用時(shí)間較短，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，變電站依然存在難以充分挖掘儀器功能，快速準(zhǔn)確診斷開關(guān)柜絕緣狀態(tài)的情況。本文就開關(guān)柜局部放電帶電檢測(cè)的原理和方法、放電源的精細(xì)定位、現(xiàn)場(chǎng)干擾的排除等方面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試出現(xiàn)的幾個(gè)常見問題加以討論，為開關(guān)柜的狀態(tài)評(píng)估和故障診斷提供幫助。

1 地電波法原理

金屬封閉式開關(guān)柜內(nèi)部導(dǎo)體表面金屬毛刺、柜體內(nèi)自由移動(dòng)金屬顆粒、斷路器觸頭接觸不良以及絕緣件破損或表面污穢等隱患都可能造成局部放電，由于集膚效應(yīng)的影響，放電電量?jī)?yōu)先聚集在與放電點(diǎn)相鄰的接地金屬部分，形成電流脈沖向各個(gè)接地體傳播，如果開關(guān)柜接地屏蔽連續(xù)，則電流脈沖只出現(xiàn)在屏蔽層內(nèi)表面，但實(shí)際上屏蔽層通常在墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現(xiàn)縫隙，使得電流脈沖流向屏蔽層外表面，形成暫態(tài)對(duì)地電壓，地電波法就是通過測(cè)量開關(guān)柜外表面的暫態(tài)對(duì)地電壓，檢測(cè)柜內(nèi)的局部放電，對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷，如圖1所示。

圖1 地電波法檢測(cè)原理

當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，產(chǎn)生的高頻電磁波還會(huì)通過氣體絕緣介質(zhì)向四周傳播，采用超高頻天線也可以在柜內(nèi)或柜外檢測(cè)到放電信號(hào)，但其檢測(cè)原理與地電波法不同，如果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員不能準(zhǔn)確加以區(qū)分，常常會(huì)出現(xiàn)沒有將地電波傳感器緊貼接地柜體的情況，此時(shí)若繼續(xù)檢測(cè)依然可以測(cè)到放電信號(hào)，但只是空間電磁波信號(hào)在傳感器內(nèi)耦合電容上產(chǎn)生的微弱感應(yīng)電壓，這就容易給相關(guān)工作人員準(zhǔn)確評(píng)估開關(guān)柜內(nèi)的放電嚴(yán)重程度，合理制定試驗(yàn)和檢修策略帶來誤導(dǎo)。圖2為傳感器正確使用方法與錯(cuò)誤使用方法的比較。

圖2 傳感器正確使用方法與錯(cuò)誤使用方法

2 放電源的定位

采用地電波法可以對(duì)開關(guān)柜內(nèi)局部放電的放電源進(jìn)行定位，但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)此功能常常不能得到合理充分運(yùn)用。

在粗略判斷放電源位置時(shí)，可根據(jù)單一的信號(hào)檢測(cè)強(qiáng)度進(jìn)行多點(diǎn)移動(dòng)測(cè)量，也可比較不同探頭的信號(hào)檢測(cè)強(qiáng)度，所測(cè)得放電幅值大的探頭一般距離放電源較近，但由于信號(hào)衰減和折反射的影響，這種方法誤差較大，不能用于精細(xì)定位。如果需要對(duì)放電源的空間位置準(zhǔn)確獲取，則要采用四個(gè)檢測(cè)探頭，根據(jù)不同探頭檢測(cè)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間差，計(jì)算放電源的空間位置，為故障源排查和設(shè)備檢修提供參考。如圖3所示，分別定義四個(gè)檢測(cè)探頭和放電源的空間坐標(biāo)為（x1,y1,z1），（x2,y2,z2），（x3,y3,z3），（x4,y4,z4），（x0,y0,z0），探頭1和探頭2的信號(hào)響應(yīng)時(shí)間差為Δt1，探頭2和探頭3的信號(hào)響應(yīng)時(shí)間差為Δt2，探頭3和探頭4信號(hào)響應(yīng)時(shí)間差為Δt3，電流脈沖的傳播速度為 v，則可列方程組如式（1），通過該方程組可以計(jì)算得到放電源的空間坐標(biāo)。值得注意的是，傳播速度v并不是光速c，而是為導(dǎo)體的介電常數(shù)。

圖3 放電源定位示意

3 現(xiàn)場(chǎng)干擾排除

3.1 現(xiàn)場(chǎng)干擾及簡(jiǎn)單處理措施

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)金屬封閉式開關(guān)柜內(nèi)的局部放電信號(hào)時(shí)，干擾常常會(huì)影響測(cè)試效果，進(jìn)而影響工作人員的分析和判斷，因此需要對(duì)干擾進(jìn)行排除。然而在不同地區(qū)開關(guān)柜的運(yùn)行環(huán)境可能千差萬別，現(xiàn)場(chǎng)干擾也會(huì)有所差異，這就給干擾的抑制和甄別帶來了困難。

根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論研究可知[8-10]，局部放電檢測(cè)的干擾源，主要可以分為連續(xù)性干擾、脈沖性干擾和白噪聲（背景噪聲）。而地電波為高頻電磁信號(hào)，主要干擾源為其他放電信號(hào)的高頻分量及高頻波，例如無線基站、軌道交通、飛機(jī)噪聲、照明燈具、氖泡有電顯示器、陰雨天架空線產(chǎn)生的電暈、在電纜頭上安裝的耦合器等，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生干擾的設(shè)備

這些干擾會(huì)造成數(shù)據(jù)超標(biāo)，儀器報(bào)警，給試驗(yàn)人員的判斷帶來誤導(dǎo)，因此，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前要盡量規(guī)避這些干擾源，具體的規(guī)避措施下面加以簡(jiǎn)要介紹。

1）無線電干擾

防止無線電干擾對(duì)檢測(cè)儀器的影響，可以將檢測(cè)儀器放入特質(zhì)的電磁屏蔽盒中，數(shù)據(jù)傳輸線路盡量短，或采用光纖傳輸線等。

2）大功率電力設(shè)備

電動(dòng)機(jī)、電鉆、繼電器、電梯等設(shè)備通斷產(chǎn)生的電流劇變及伴隨的電火花產(chǎn)生的干擾，不屬于連續(xù)干擾，可以通過地電波探頭和跟蹤示波器提取有效特征進(jìn)行甄別，如果是上述干擾（在開關(guān)柜內(nèi)部無局放產(chǎn)生的情況下），得到的信號(hào)相位必然是隨機(jī)的。

對(duì)于電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)載（如電弧爐等）、不間斷電源（UPS）等同態(tài)電源轉(zhuǎn)換設(shè)備產(chǎn)生的干擾，主要是由于負(fù)載切換纏上大量諧波涌入電網(wǎng)所造成，這可以通過對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的同期監(jiān)測(cè)予以去除。

3）電暈干擾

如果發(fā)現(xiàn)有較為固定的電暈干擾情況，應(yīng)該對(duì)測(cè)量環(huán)境周圍的設(shè)備金屬連接處，高壓線路端頭、桿塔以及其他一些可能引起強(qiáng)烈電暈的地方予以檢查，保證其緊密連接，減少電暈，也可采取加裝屏蔽盒、采用較短測(cè)量傳輸線或采用光纖傳輸手段抑制電暈干擾的傳輸途徑。

4）天氣濕度的影響

根據(jù)長(zhǎng)期檢測(cè)的歷史數(shù)據(jù)可以建立放電強(qiáng)度與大氣濕度等關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，如果是在陰雨或潮濕天氣下測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以對(duì)當(dāng)前測(cè)量值與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)。如果沒有大量的歷史數(shù)據(jù)，就必須在相近大氣濕度或確定在晴天進(jìn)行測(cè)量，保證條件一致性。

3.2 干擾信號(hào)消減策略

干擾信號(hào)進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)的途徑有空間耦合、地線、電源以及通過測(cè)量點(diǎn)四種。前三種主要通過增強(qiáng)屏蔽、電源濾波、單獨(dú)接地等方法可以將干擾抑制到足夠小的水平。干擾及其進(jìn)入試驗(yàn)回路的途徑如圖 5所示，M 為鄰近試驗(yàn)回路的金屬物件；UA為電源干擾；UB為接地干擾；UC為經(jīng)試驗(yàn)回路雜散電容C耦合產(chǎn)生的干擾；UD為懸浮電位放電產(chǎn)生的干擾；UE為高壓各端部電暈放電的干擾；UF為試驗(yàn)變壓器的放電干擾；IB為經(jīng)試驗(yàn)回路雜散電感M耦合產(chǎn)生的輻射；IC為耦合電容器放電的干擾。

圖5 干擾及其進(jìn)入試驗(yàn)回路的途徑

對(duì)于干擾信號(hào)的消除，主要從干擾源、干擾途徑、信號(hào)后處理三個(gè)方面來考慮。直接消除干擾源和切斷干擾路徑是最有效最根本的方法，例如改進(jìn)結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)電路，增強(qiáng)屏蔽，保證連接處緊密穩(wěn)定和清除現(xiàn)場(chǎng)孤立導(dǎo)體，而對(duì)于各種耦合進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的干擾，除了加裝濾波器等硬件外，數(shù)字處理方面則可通過信號(hào)處理的辦法解決，可以建立一個(gè)分層式綜合模型，如圖6所示。

圖6 四層數(shù)字處理系統(tǒng)

3.3 干擾甄別技術(shù)

1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前，先評(píng)估周圍環(huán)境的噪聲水平，多次檢測(cè)背景噪聲波形，然后檢測(cè)開關(guān)柜局部放電信號(hào)，兩次檢測(cè)相隔時(shí)間不能太長(zhǎng)，在后期的數(shù)據(jù)分析中再將放電信號(hào)與噪聲信號(hào)進(jìn)行比較。

2）采用局部放電檢測(cè)對(duì)開關(guān)柜絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，可根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的歷史變化來推測(cè)絕緣狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)（縱向比較）。另外，同一變電站的高壓室內(nèi)通常都安裝有多面開關(guān)柜，有的甚至為同一型號(hào)，在短期內(nèi)可對(duì)一個(gè)變電站普測(cè)完畢后通過比較多面開關(guān)柜的測(cè)量結(jié)果可有效揭示異常情況（橫向比較），如圖7所示。

圖7 多面開關(guān)柜的地電波測(cè)量結(jié)果比較

3）在電磁噪聲比較強(qiáng)的環(huán)境中，充分運(yùn)用地電波儀器的雙通道響應(yīng)功能，第一個(gè)通道Ch1測(cè)量薄鋼板上的噪聲水平，另外一個(gè)通道Ch2測(cè)量開關(guān)柜上信號(hào)，若Ch1先于Ch2觸發(fā)，則可以認(rèn)為是干擾。

4）結(jié)合其他檢測(cè)手段綜合測(cè)量，比如超聲波檢測(cè)法和超高頻檢測(cè)法。超聲探頭的檢測(cè)頻段在幾十kHz到幾百 kHz之間，超高頻天線的檢測(cè)頻段在300MHz到 3GHz之間，都與地電波探頭的檢測(cè)頻段不同，聯(lián)合使用可以有效避開周期性干擾和脈沖性干擾。另外，將地電波傳感器和高頻電流互感器（HFCT）、數(shù)字示波器組合，可有效測(cè)得局部放電波形，再采用窄帶濾波、小波去噪等處理方法，也能達(dá)到較好的放電波形提取的效果。

3.4 干擾處理效果

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)開關(guān)柜局部放電信號(hào)時(shí)，分別采用加裝屏蔽盒、模擬濾波和小波降噪的方法處理干擾。

圖8為在檢測(cè)儀器外面加裝屏蔽盒的干擾處理效果，在裝屏蔽盒前，由于外部電磁信號(hào)的影響，放電脈沖序列的背景噪聲帶較寬，信噪比較低，不利于放電信號(hào)的提取和分析，加裝屏蔽盒后，背景噪聲明顯減弱。

圖8 加裝屏蔽盒效果

圖9為在傳感器后端裝模擬濾波器后，對(duì)放電脈沖波形的處理效果，濾波前，放電脈沖下降沿有較大幅度的過沖和振蕩，濾波后，過沖和振蕩都得到了有效的削減，有助于脈沖波形的特征提取。

圖9 模擬濾波效果

圖10為利用小波降噪算法，對(duì)檢測(cè)信號(hào)處理的效果，在降噪前，現(xiàn)場(chǎng)噪聲很大，幾乎淹沒了放電信號(hào)，通過多層小波分解后，噪聲信號(hào)被有效的消減，清晰的脈沖序列得到提取。

圖10 小波降噪效果

4 結(jié)論

本文通過對(duì)地電波法帶電檢測(cè)開關(guān)柜局部放電的原理、定位方法和現(xiàn)場(chǎng)干擾排除等問題進(jìn)行討論，為現(xiàn)場(chǎng)工作提供了參考。

1）雖然都是檢測(cè)局部放電的電磁波信號(hào)，但地電波法的檢測(cè)原理與超高頻天線的檢測(cè)原理不同，地電波法采用電容耦合方式提取暫態(tài)對(duì)地電壓，測(cè)試時(shí)傳感器需要緊貼接地柜體。

2）采用地電波法粗略定位放電源時(shí)，可根據(jù)傳感器的信號(hào)響應(yīng)幅值判斷，但要精細(xì)定位放電源的空間位置時(shí)則需四個(gè)傳感器，并根據(jù)傳感器的響應(yīng)時(shí)間差計(jì)算得到。

3）開關(guān)柜局部放電檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)干擾抑制可根據(jù)干擾源靈活采用應(yīng)對(duì)措施，并采用縱向比較法、橫向比較法和多種檢測(cè)方法聯(lián)合測(cè)量等技術(shù)有效甄別干擾，提取放電信號(hào)。

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