陳慶榮

高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用策略

陳慶榮

（廈門(mén)斯瑪特思智能電氣有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

電力系統(tǒng)供電高可靠性對(duì)于供電具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，做好中高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢修工作是提高電力系統(tǒng)的供電可靠性的重點(diǎn)工作。絕緣與載流故障是開(kāi)關(guān)柜常見(jiàn)的故障類型，在開(kāi)關(guān)柜故障中占比高達(dá)30%～50%，通過(guò)局部放電在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行絕緣性能狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障及隱患，及時(shí)解決問(wèn)題，保證開(kāi)關(guān)柜平穩(wěn)運(yùn)行，保證供電可靠性。從開(kāi)關(guān)柜典型放電故障類型與特征分析入手，敘述了開(kāi)關(guān)柜局放監(jiān)測(cè)原理及測(cè)試方法，分析各主要檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)要求及開(kāi)關(guān)設(shè)備重要性，提出了不同局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在不同中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用策略建議。

高壓開(kāi)關(guān)柜；局部放電；在線監(jiān)測(cè)技術(shù)；應(yīng)用策略

高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的導(dǎo)電件和絕緣件之間有可能出現(xiàn)局部放電，導(dǎo)致電氣絕緣性能下降，如不及時(shí)處理可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。充分利用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)是必要的。高壓開(kāi)關(guān)柜與高壓變壓器、GIS設(shè)備故障檢測(cè)具有顯著差距，由于高壓開(kāi)關(guān)柜數(shù)量較多、造價(jià)較低，很難實(shí)現(xiàn)停電改造，無(wú)法采取GIS在線監(jiān)測(cè)技術(shù)路線。所以選擇小型化、智能化、經(jīng)濟(jì)型、免停電或少停電的監(jiān)測(cè)技術(shù)是開(kāi)關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 開(kāi)關(guān)柜主要缺陷及放電類型

開(kāi)關(guān)柜主要的故障類型有機(jī)構(gòu)等機(jī)械原因引起的拒動(dòng)故障、開(kāi)斷與關(guān)合故障、二次控制回路原因引起的誤動(dòng)故障、接觸不良或插件偏心原因引起的載流故障、制造設(shè)計(jì)缺陷或爬電閃絡(luò)等引起的絕緣故障以及外力或其他故障。

局部放電現(xiàn)象是指在開(kāi)關(guān)柜絕緣系統(tǒng)中，由于電場(chǎng)強(qiáng)度差異造成開(kāi)關(guān)柜電某一區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，該區(qū)域發(fā)生放電現(xiàn)象，同時(shí)在放電過(guò)程中，施加電壓的兩個(gè)導(dǎo)體沒(méi)有貫穿整個(gè)放電過(guò)程，也就是說(shuō)放電現(xiàn)象并未擊穿開(kāi)關(guān)柜絕緣系統(tǒng)，就被稱為局部放電現(xiàn)象。局部放電的類型和產(chǎn)生原因具有多樣性，常見(jiàn)的類型和主要產(chǎn)生原因有：①尖端放電。金屬部件加工的毛刺，殼體內(nèi)部的金屬異物。②懸浮放電。主要包括松動(dòng)部件的懸浮電位放電，非移動(dòng)金屬顆粒和設(shè)備部件之間的放電。③內(nèi)部放電。絕緣件內(nèi)部空隙、異物和裂縫等。④沿面放電。絕緣件表面污穢、受潮和凝露引起的放電等[1]。

2 開(kāi)關(guān)柜常用局部放電在線監(jiān)測(cè)方法的分析比較

2.1 常用檢測(cè)方法

局部放電檢測(cè)方法有電測(cè)法和非電測(cè)法。根據(jù)局部放電過(guò)程中所產(chǎn)生各種放電現(xiàn)象，高壓開(kāi)關(guān)柜常用局放檢測(cè)方法有ERA法（脈沖電流法）、超聲波（AE）檢測(cè)法、光測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法、紅外檢測(cè)法、射頻檢測(cè)法等。

2.2 脈沖電流法

脈沖電流法抗干擾能力較差，不具備現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)條件，但作為現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的離線檢測(cè)方法，可以有效檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的脈沖電流，其操作原理是將測(cè)量阻抗接入到測(cè)量回路對(duì)脈沖單留進(jìn)行檢測(cè)，可以有效反應(yīng)局部放電中的基本量，例如局部放電脈沖大小、數(shù)量與相位等[2]。

2.3 超聲波（AE）檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)法主要運(yùn)用傳感器對(duì)局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而判斷局部放電的大小以及位置，抗電磁信號(hào)干擾能力較差，所以在具體應(yīng)用中具有一定局限性，通過(guò)在線測(cè)量和定位，避開(kāi)鐵芯的鐵磁和變壓器的機(jī)械振動(dòng)等原因產(chǎn)生的噪聲干擾，以保證檢測(cè)效果。

2.4 超高頻（UHF）檢測(cè)法

超高頻檢測(cè)法通過(guò)超高頻天線傳感器接收超高頻電磁波信號(hào)，通過(guò)開(kāi)關(guān)柜超高頻電磁波信號(hào)對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，作為非接觸式檢測(cè)方法，超高頻檢測(cè)法具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)。

2.5 暫態(tài)對(duì)地電壓（TEV，也稱地電波）檢測(cè)法

局部放電產(chǎn)生的電磁波，通過(guò)屏蔽層不連續(xù)部分在設(shè)備表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，設(shè)備表面存在波阻抗進(jìn)而在設(shè)備外層形成一個(gè)暫態(tài)對(duì)地電壓（TEV）。暫態(tài)對(duì)地電壓檢測(cè)法就是充分利用這一原理，采用電容耦合探測(cè)器對(duì)局部放電的幅值和放電脈沖頻率進(jìn)行檢測(cè)。

3 開(kāi)關(guān)柜常用在線檢測(cè)法的試驗(yàn)對(duì)比及使用經(jīng)驗(yàn)

3.1 研究試驗(yàn)回路

模擬典型放電類型如圖1所示。圖1（a）是模擬針板放電結(jié)構(gòu)示意圖，采用直徑為6 mm的模擬針電極以及半徑為0.5 mm的模擬針尖曲率，實(shí)驗(yàn)中錐角呈30°，模擬針尖長(zhǎng) 15 mm，針板距離設(shè)計(jì)為20 mm；（b）為模擬絕緣內(nèi)部氣隙放電的電極結(jié)構(gòu)，試品采用兩塊厚度和直徑分別為5 mm、 50 mm的環(huán)氧樹(shù)脂板，利用厚度1 mm、直徑為10 mm中間通孔的環(huán)氧樹(shù)脂板進(jìn)行粘合，在兩塊環(huán)氧樹(shù)脂板中間形成扁平空氣隙；（c）為模擬懸浮放電的電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，懸浮電極采用直徑和高度分別為10 mm和3 mm的銅材質(zhì)圓柱體，高壓電極和地板電極之間用厚度和直徑分別為5 mm和70 mm環(huán)氧樹(shù)脂板。試驗(yàn)中懸浮電極和柱電極間距為15 mm。

試驗(yàn)回路示意圖如圖2所示。圖2的試驗(yàn)中將試品置于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部斷路器室，試驗(yàn)變壓器輸出的高壓引線經(jīng)套管引至柜體內(nèi)高壓電極端，AE/ TEV/UHF傳感器分別并排布置于斷路器室或電纜室?；芈分?10 kΩ為保護(hù)電阻，Ck為試驗(yàn)用耦合電容器，Zm為DDX7000局部放電檢測(cè)儀配套用檢測(cè)阻抗。

圖2 試驗(yàn)回路示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

開(kāi)關(guān)柜局部放電的產(chǎn)生的原因具有一定的隨機(jī)性，并且局部放電中每種放電類型的統(tǒng)計(jì)特征都各有不同，所以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，可以采取逐步升高電壓至出現(xiàn)微弱局部放電的方式，通過(guò)局部放電測(cè)量?jī)x進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，或通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)信號(hào)。每升壓一次采集一次信號(hào)，并反復(fù)做兩三次，以檢驗(yàn)試驗(yàn)的可重復(fù)性。因以上3種傳感器以定性判斷局放是否存在，并根據(jù)算法判別局放嚴(yán)重程度和定位，故在線檢測(cè)傳感器檢驗(yàn)數(shù)據(jù)主要以對(duì)數(shù)dB形式，同時(shí)與局部放電測(cè)量?jī)x顯示的測(cè)量值進(jìn)行簡(jiǎn)單匹配。

3.2.1 AE檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示超聲波幅值（dB）特征在3種典型放電模型下會(huì)隨著缺陷放電量變大而增加趨勢(shì)明顯。超聲波幅值對(duì)內(nèi)部放電反應(yīng)敏感。但對(duì)于其他幾種放電模型，當(dāng)缺陷放電量高于1 000 pC后檢測(cè)幅值趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定于25 dB左右。

3.2.2 TEV檢測(cè)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在懸浮和氣隙模型試驗(yàn)中，只要有局部放電，不管量多大，地電波幅值會(huì)維持在25 dB左右不變；針板模型試驗(yàn)中，局部放電量越大，地電波幅值也會(huì)隨著放電量增加而增加，但最終幅值也在25 dB左右；三種模型下每周波放電次數(shù)特征隨著缺陷放電量變大而增加趨勢(shì)明顯。

3.2.3 UHF檢測(cè)結(jié)果

TEV法和UHF法對(duì)脈沖的變化速度比較敏感，在檢測(cè)介質(zhì)內(nèi)部放電方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；TEV法和UHF法在檢測(cè)放電頻譜較低的套管、終端、絕緣子表面放電時(shí)，十分不敏感，有較大的局限性，容易受到外界電磁干擾，對(duì)檢測(cè)結(jié)果具有較大影響，與此同時(shí)，雖然TEV法和UHF法能夠精確定位，但TEV法和UHF法受到設(shè)備精度限制分辨率不高。

4 開(kāi)關(guān)柜局放在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用策略

開(kāi)關(guān)柜局部放電采用任何單一的檢測(cè)方法都存在著局限性，只有將不同的檢測(cè)方法進(jìn)行綜合運(yùn)用，融合多種檢測(cè)技術(shù)，才能保證軟件測(cè)試結(jié)果的專業(yè)性和準(zhǔn)確性，保障開(kāi)關(guān)柜設(shè)備監(jiān)測(cè)運(yùn)行結(jié)果的客觀性，根據(jù)科學(xué)結(jié)果做出合理決策。地電波（TEV）和超高頻（UHF）檢測(cè)技術(shù)在局部放電在線檢測(cè)中具有不可替代的重要地位，主要是由于地電波（TEV）和超高頻（UHF）檢測(cè)技術(shù)通過(guò)檢測(cè)電磁信號(hào)判斷局部放電情況，充分利用了高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備電磁波以波導(dǎo)的方式傳播的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，增強(qiáng)了檢測(cè)的靈敏度，所以受到廣泛應(yīng)用。但是局部放電具有一定的復(fù)雜性，不同運(yùn)行環(huán)境、不同絕緣介質(zhì)、不同類型條件下會(huì)產(chǎn)生不同的局部放電現(xiàn)象，所以產(chǎn)生的電磁波范圍也會(huì)相應(yīng)有所不同，地電波頻帶范圍為3～100 MHz，超高頻頻帶范圍為0.3～3 GHz，所以如果開(kāi)關(guān)柜局部放電現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁信號(hào)頻率超出地電波（TEV）和超高頻（UHF）檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)范圍，則局部放電現(xiàn)象無(wú)法被檢測(cè)到，這時(shí)就要通過(guò)超聲傳感器等其他傳感行彌補(bǔ)地電波（TEV）和超高頻（UHF）檢測(cè)技術(shù)的不足；除此之外移動(dòng)通訊信號(hào)，廣播信號(hào)、電子圍欄、照明燈、SF6測(cè)漏裝置、軌道交通、電表柜、空調(diào)、二次回路等產(chǎn)生的電磁信號(hào)也會(huì)對(duì)地電波（TEV）和超高頻（UHF）檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)結(jié)果造成影響和干擾，此時(shí)干擾來(lái)源的判斷，直接影響局部放電是否存在。

［1］柯鴻飛.高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用淺析［J］.通訊世界，2017（19）：222-223.

［2］劉云鵬，王會(huì)斌，王娟，等.高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電UHF在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［J］.高壓電器，2009（1）：15-17.

［3］錢(qián)勇，黃成軍，江秀臣，等.基于超高頻法的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀及展望［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（1）：43-46，58.

U224

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.074

2095－6835（2019）23－0158－02

陳慶榮（1976—），男，福建人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄芑娖鳌?/p>

〔編輯：張思楠〕