伊犁新天煤化工有限責任公司 陳朝暉 朱 濤 劉京師 俞愛軍

高壓開關柜是配電系統(tǒng)中不可或缺的電力設備，具有開斷和關合電力線路、保護和監(jiān)測等重要作用[1]。35kV及以下高壓開關柜應用規(guī)模極大，大多數無人值守，長期運行工作中，由于未對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，絕緣缺陷無法及時發(fā)現(xiàn)，導致事故頻發(fā)。事故原因多種多樣，尤其是由于開關柜的設計冗余低、材料特性不良、工藝缺陷、電氣元件絕緣老化、操作故障、工作人員誤操作或其它未及時消除的缺陷等因素導致的傷人、燒柜的事故經常發(fā)生，所引發(fā)的停電事件也給生產帶來的影響及損失也越來越大，特別是開關柜局部放電致使絕緣老化破壞絕緣層，由于發(fā)現(xiàn)不及時逐步發(fā)展成拉弧致使設備財產損失。因此，對高壓開關柜內局部放電進行檢測，有助于發(fā)現(xiàn)故障并處理故障，避免設備進一步損壞，提高供電的可靠性。

1 局部放電概述

1.1 局部放電原因

在足夠強的電場作用下，當高壓開關柜內某一區(qū)域的電場強度超過擊穿場強時，該區(qū)域就會發(fā)生局部放電，但這種放電未造成擊穿[2]。在高壓產品中，局部放電通常是不可避免的。在常見的高壓開關柜故障中，絕緣故障是故障發(fā)生率最高的。而高壓開關柜往往會存在絕緣等級不足的問題，在其制造或使用過程中會導致絕緣內部存在氣泡和雜質等，從而引起局部電場強度分布不均勻，進而導致局部放電。導致局部放電的原因可歸納以下三點。

設備自身原因：生產制造工藝不完善，導致設備內部存在氣泡和雜質；絕緣材料老化，設備外表存在凹凸不平；絕緣強度不足等。

運行狀態(tài)的影響：運行過程中受到過電壓，雷電波沖擊，諧波畸變等。

周圍環(huán)境因素：高壓開關柜運行處于潮濕、過熱、揚灰的環(huán)境。

1.2 局部放電危害

通常情況下，局部放電有幾種種類，其中常見的類型有：電暈放電、懸浮電位放電、內部放電和沿面放電等，不同類型的放電對電力設備都有巨大的危害。局部放電發(fā)生時，往往伴隨著多種物理變化和化學反應，將引起設備絕緣缺陷，導致絕緣性能下降，在電與熱的雙重作用下，加快絕緣劣化過程，縮短設備使用壽命。如果長時間的局放未得到有效處理，很可能會造成絕緣擊穿，導致故障進一步擴大。通常，高壓開關柜常發(fā)生的故障，大多數是由于局部放電所引起，其危害是加快設備絕緣劣化和影響安全生產，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行造成威脅。

1.3 局部放電檢測原理

為了確保系統(tǒng)的供電可靠性，同時提高對高壓開關柜檢修工作效率，則需要對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測。由于高壓開關柜具有密封的特點，使得其內部各器件的狀態(tài)難以巡視查看，如表面污損、物理變形、絕緣破損等。目前，大多數地方都是停電檢修，這種方法的主要問題就是盲目性大，費時費力。停電檢修增加了無故障設備的停運次數，可能會在檢修過程中由于檢修人員疏忽或操作失誤等，造成新的問題。另外一個更重要的原因是檢修停電并不能真實反映電氣設備在運行狀態(tài)下的真實狀態(tài)，這樣就導致部分故障問題不易被發(fā)現(xiàn)，甚至誤診。目前，國內外學者對局部放電已有了大量的研究與探索。局部放電是一種脈沖放電，往往會伴隨著電、光、熱、聲等物理現(xiàn)象和化學變化[3]。因此，這些物理現(xiàn)象和化學變化可以為檢測局部放電提供可靠依據。

2 局部放電檢測方法

目前，根據廣大學者推出的多種局放檢測方法，其中應用較多的方法有超聲波檢測法、超高頻檢測法、化學法以及光學法等。不同方法都存在各自的優(yōu)勢與不足，本節(jié)著重展開分析，并提出一種聲電聯(lián)合檢測的方法。

2.1 超聲波檢測法

當高壓開關柜內出現(xiàn)局部放電的情況下，其周圍會出現(xiàn)機械震動的現(xiàn)象，伴隨著震動就會形成聲波。聲波頻帶寬，包含的頻率分量多，超聲波信號的頻率高于20kHz。其檢測方法大致是在高壓開關柜外殼放置數多個超聲波傳感器，當發(fā)生局部放電時，所產生的超聲波信號傳至傳感器，經轉變?yōu)殡娦盘?，再通過電纜傳輸到數據采集器，數據處理單元對傳入的信號進行進一步處理，最終在主機顯示模塊將檢測結果顯示出來[4]。

該方法的主要特點是傳感器不與電路回路連接，且不易受電磁干擾，抗干擾能力強，在某些局部放電檢測領域中應用廣泛。但是，該方法也有不足的地方。在局部放電的過程中，其實際放電量與超聲波信號二者之間關系無法關聯(lián)，因此無法通過超聲波信號來判定局部放電的放電程度，進而無法分析設備的絕緣受損情況。由于超聲波由震動產生，在實際工程中其檢測方法易受到外界震動和噪聲的干擾，影響檢測結果[5]。另外，超聲波的衰減速度快，因此整體檢測效率低。所以，一般情況下，超聲波檢測在放電量較大的情況下比較適用。

2.2 特高頻檢測法

高壓開關柜內局部放電所產生的放電電流脈沖持續(xù)時間為ns級，并激發(fā)數GHz的電磁波，屬于特高頻段[6]。特高頻法原理就是通過特高頻傳感器檢測局部放電過程中所產生的電磁波信號，經過數據采集器采集，并將所采集到的信號傳至電腦監(jiān)測軟件，分析得出局放信息。該檢測方法具有以下優(yōu)點。

檢測靈敏度高：局部放電所產生的特高頻信號在傳播時，會伴隨功率損耗，因此信號會逐漸衰減，但衰減速度緩慢，一般可忽略這種損耗。若引起振蕩，特高頻信號振蕩時間加長，更有利于信號的檢測提取，因此，該方法靈敏度高。

抗干擾能力強：由于在現(xiàn)場運行中的高壓開關柜，其周圍有大量的電氣設備，因此會出現(xiàn)其他的電磁干擾，對檢測的結果有一定程度的影響。電暈放電干擾是現(xiàn)場最為常見的干擾，目前，大多數特高頻傳感器所檢測電磁波信號的頻率范圍在300～3000MHz，而現(xiàn)場電暈放電干擾主要集中在300MHz以下，因此該方法有效的避免了電暈發(fā)電干擾，與超聲波檢測法相比較，體現(xiàn)出了抗干擾能力強的優(yōu)點。

可實現(xiàn)局部放電源定位：局部放電產生的特高頻信號在氣體中傳播速度接近光速，信號經過傳播到達各個傳感器的時間和傳播路程成在一定關系，因此，可根據特高頻信號到達傳感器的時間差，分析信號傳播的方向，大概得出放電源的位置，及時發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，提高人工巡檢效率，為檢修計劃提供參考。

利于絕緣缺陷類型識別：不同類型絕緣缺陷引起的放電，得到的PRPD譜圖與PRPS譜圖也會不同?？蓪嶋H得到的譜圖與幾種典型的譜圖特征作比較分析，進而初步判斷缺陷類型。

一般情況下，傳感器安裝方式分為內置式和外置式。內置式安裝時，考慮到電磁波信號會在傳輸過程中緩慢衰減，在體積較大的開關柜內，為了確保檢測的靈敏性，需在一定距離的位置置放多個特高頻傳感器，相應的成本也會增加。高壓開關柜是金屬性密封設備，金屬外殼則會影響電磁波的傳播，柜內的電磁波信號也可通過檢測孔或縫隙傳播，因此也可采用外置式傳感器。選擇合理的、利于接收電磁波信號的置放位置，從而提高檢測的靈敏度。采用特高頻檢測法無法確定局部放電的放電量，因此也無法分析出設備絕緣受損程度。

2.3 其它檢測方法

根據局部放電所伴隨的現(xiàn)象特點，除以上方法外，通常還有暫態(tài)地壓法、光學法、化學法等。

2.3.1 暫態(tài)地壓法

在高壓開關柜發(fā)生局部放電時，金屬外殼表面裂縫處兩側形成不同電壓，通過對該暫態(tài)地電壓檢測，可以得到局部放電的相關信息，對推算放電源的位置提供幫助[7]。

2.3.2 光學法

通常在開關柜有局放現(xiàn)象時，會伴隨著光現(xiàn)象，所以可用通過光傳感器來檢測光信號。該方法缺點是準確度和精確度都容易受到環(huán)境干擾，且光傳感器成本高。

2.3.3 化學法

設備發(fā)生局部放電時，會將氣體分解，則可通過化學檢測法對分解氣體進行檢測，不足在于易受設備內斷路器電弧影響，大大降低檢測精度。

2.4 聲電聯(lián)合檢測法

目前，在對高壓開關柜進行局部放電檢測中，通常會結合多種方法，充分利用各自的優(yōu)點，提高局放檢測的精準度。特高頻法原理簡單，靈敏度高，信號傳輸衰減緩慢，抗干擾能力強，但是對定位精度不高。超聲波法定位準確，但信號衰減較快，受外界干擾影響。超聲波與特高頻的聲電聯(lián)合檢測法，集合了兩者的優(yōu)點，通過超聲波傳感器結合特高頻傳感器分別對超聲波信號、特高頻信號提取，再對提取到的信號進行分析比較，發(fā)現(xiàn)異常信號后，結合兩者檢測技術，進行綜合分析。

考慮到安裝費用成本問題，特高頻法一般采用外置式特高頻傳感器，由于電磁波傳播速度較快，利用時差法粗略檢測局放位置，可對局放進行檢測大致定位，排除現(xiàn)場其它干擾[8]。而超聲波信號傳播速度遠小于電磁波，因此時間差更加明顯，應用超聲波法對局放位置進一步檢測，使得局放檢測更加準確，為檢修人員提供參考，及時發(fā)現(xiàn)潛在絕緣缺陷，確保設備的穩(wěn)定運行。

2.5 應用案列

在變電站高壓開關柜局放檢測中，傳感器選擇合適的置放位置，應根據日常經驗總結分析易放電的區(qū)域。例如高壓開關柜的母線連接處，開關和側面板支撐的絕緣部件等。現(xiàn)以某變電站的高壓開關柜局放檢測為例，在其內壁上各安裝一只超聲波傳感器與特高頻傳感器，局放數據采集器則安裝在中間開關柜內壁，一臺采集器可檢測相鄰兩臺開關柜，共計三臺開關柜。

在此案例中，由后臺檢測軟件得到某一時間實時趨勢圖、PRPD譜圖、PRPS譜圖，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測軟件分析圖

由局放實時趨勢圖可分析出，放電次數基本在50的整數倍左右。PRPD譜圖點的累積顏色深度表示此處放電脈沖的密度，根據點的分布情況可判斷信號主要集中的相位、幅值及放電次數情況，并根據點的分布特征來對放電類型進行判斷。由PRPD圖看出，放電脈沖基本上集中在一塊區(qū)域或者兩塊區(qū)域。PRPS譜圖是一種實時三維圖，一般情況下x軸表示相位，y軸表示信號周期數量，z軸表示信號強度或幅值。把所測PRPS譜圖與典型放電譜圖進行比較，對發(fā)展趨勢等因素進行綜合判斷，可初步得出開關柜存在局部放電現(xiàn)象，進而確定檢修處理策略，確保了變電站的正常運行。

3 局放干擾信號及抑制措施

在對電氣設備特征狀態(tài)量的在線監(jiān)測過程中，由于運行環(huán)境不同，實際傳感器采集到的信號可能會不同程度地受到多種干擾源的影響。高壓開關柜內部由于長期處于大電流高壓環(huán)境中，其電磁環(huán)境復雜多變，在進行運行狀態(tài)監(jiān)測時，安裝的傳感器容易受到高溫和強電磁的影響。因此，本節(jié)重點針對高壓開關柜的局部放電信號中常見干擾源和抑制措施進行了研究。

3.1 常見干擾源

由于高壓開關柜運行環(huán)境較為復雜，因此在對其局部放電的檢測過程中，將影響檢測自身的干擾信號，連同局放信號一起被局放傳感器采集到，對檢測結果造成影響。常見的干擾源如下類型：

3.1.1 周期性干擾

常見的周期性干擾信號主要由電力設備中諧波、載波通訊、無線電信號以及自身高頻保護所引起的。這類干擾信號在時域特征上是高頻正弦波，且頻率較高，具有確定的諧振頻率和帶寬。

3.1.2 白噪聲干擾

一般來說，白噪聲干擾包含各種隨機噪聲。比如，繼電保護裝置動作發(fā)出的噪聲，配電線路正常運行過程中發(fā)出的噪聲，局放過程中電子器件動作引起的噪聲等。

3.1.3 脈沖干擾

脈沖型干擾包含隨機性脈沖型干擾和周期性脈沖型干擾。這類干擾信號主要由可控硅元件動作、異步電機干擾訊號、熒光燈、繼電器等開關設備動作以及電極在電場方向機械運動引起的。這類干擾信號一般稱之為系統(tǒng)固有干擾，或者環(huán)境干擾信號。

3.2 干擾抑制措施

由于在實際工程應用中，現(xiàn)場干擾往往比實驗室大許多倍，為了確保檢測結果的準確性，對現(xiàn)場干擾的抑制是必不可少的。對于特高頻法而言，雖然抗干擾能力較強，但在復雜多變的現(xiàn)場環(huán)境，仍有較多干擾，在開始測試前，盡可能排除干擾。對于超聲波檢測而言，干擾源主要是開關室內的異常發(fā)聲，如檢測人員觸碰物體、發(fā)聲等；開關柜中風扇運轉噪音；空調壓縮機噪音等。檢測前，可采取關閉空調、風扇，禁止發(fā)聲等措施。

4 展望

由于在實際工程應用中，現(xiàn)場設備的運行環(huán)境復雜，使得單一的局放檢測法存在一定局限性，檢測準確性不高。而以超聲波法為主，特高頻法為輔，集合兩者的優(yōu)點，各自發(fā)揮優(yōu)勢，可以更加全面的了解、分析數據，全面的反映出局放信息，不僅能夠檢測出局部放電，并且能對放電源進行定位，有效提高對放電源定位水平。基于超聲波法和特高頻法的聯(lián)合檢測法在今后不僅僅局限于高壓開關柜局放檢測，經過更深一步的研究探索，為未來的局放檢測領域積累經驗，甚至延伸至電力系統(tǒng)中更多電力設備的局放定位檢測當中。

5 結語

本文在局部放電檢測的研究現(xiàn)狀的基礎上，分析各自方法的優(yōu)缺點，進一步對基于超聲波法和特高頻法的聯(lián)合檢測法作出研究，對高壓開關柜內的運行狀況掌握更加深入，及時發(fā)現(xiàn)設備異常，并及時處理，盡可能避免故障的發(fā)生，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。