謝榮斌，楊超，申強，李詩勇，羅勇，于泊寧

(1. 貴州電網(wǎng)有限責任公司貴陽供電局, 貴州 貴陽 550004；2. 西安交通大學 電氣工程學院, 陜西 西安 710049)

0 引言

開關柜等電力設備內部產(chǎn)生的局部放電是反映設備絕緣缺陷的重要現(xiàn)象[1-2]。局部放電產(chǎn)生的電磁波信號通過金屬柜體的屏蔽縫隙傳播到設備外殼后，會通過電磁耦合在金屬外殼上感應出脈沖電流并經(jīng)過殼體接地線流向大地。脈沖電流在殼體自身阻抗作用下產(chǎn)生的脈沖電壓即是暫態(tài)對地電壓（transient earth voltage，TEV）。

暫態(tài)對地電壓的測量方法最早是由文獻[3]提出，并給出了理論依據(jù)及測量方法。文獻[4]對暫態(tài)對地電壓法檢測開關柜局部放電進行了實驗模擬，對3種典型缺陷的譜圖進行了分析；文獻[5]通過仿真研究了開關柜中暫態(tài)對地電壓信號的傳播特性，并對幾類典型缺陷局部放電的暫態(tài)對地電壓信號特點進行了初步分析；文獻[6]對開關柜的局部放電暫態(tài)對地電壓系統(tǒng)校驗方法進行了研究并設計了相應的軟硬件系統(tǒng)。

目前，由于暫態(tài)對地電壓法在測量金屬外殼類電氣設備（如開關柜等）的局部放電時不需要停電、拆解設備構建回路等優(yōu)點，得到了廣泛的應用[7]。然而從應用的情況來看，其與IEC60270國際標準推薦的脈沖電流法的測量效果存在一定區(qū)別[8]。因此，本文建立了模擬開關柜實驗平臺，分析并對比了暫態(tài)對地電壓法與脈沖電流法測量開關柜局部放電的PRPD圖譜特征差異，并研究了2種方法下信號統(tǒng)計特征參數(shù)的變化趨勢。該研究對于利用暫態(tài)對地電壓法開展電力設備狀態(tài)檢修工作提供了有效支撐。

1 實驗平臺

1.1 模擬開關柜局部放電試驗平臺

為了模擬實際開關柜內部的局部放電并獲取不同缺陷放電的信號特征，本文搭建了一套模擬開關柜局部放電的實驗平臺，通過柜體內置的模擬缺陷產(chǎn)生局部放電并同步使用高頻線圈和TEV傳感器進行測量。

實驗平臺由試驗變壓器及局部放電測試回路、模擬開關柜、模擬缺陷以及信號測量系統(tǒng)組成，信號測量系統(tǒng)中包括TEV傳感器、高頻線圈傳感器，對放電信號同步測量。高頻線圈為皮爾森PEARSON CM-500-L，靈敏度為5 V/A，帶寬為460 kHz～120 MHz；TEV傳感器為自制電容耦合型傳感器，檢測帶寬為1～30 MHz，并配有40 dB增益和檢波模塊，可以滿足暫態(tài)對地電壓信號的靈敏測量；數(shù)字示波器型號為LecoryWaveSurfer 64 MXs-B，其檢測帶寬為0～600 MHz，最大采集率為10 Gs/s；8通道采集卡型號為PicoScope 4 824，采集頻率80 MS/s，檢測帶寬16 kHz～20 MHz；使用分壓比為1∶2 000的阻容式分壓器對試驗變壓器輸出的外施電壓進行測量；局部放電測試回路中選用電容值為9.96 nF，耐壓為100 kV的標準高壓脈沖電容器。

模擬開關柜尺寸為1 800 mm×850 mm×390 mm，柜體厚度1.1 mm，柜體側面上方部分通過套管布置高壓母線，柜體背面下方開孔并用蛇皮鋁制接地線單獨接地，接地線與測量信號接地分離以減小干擾；TEV傳感器安裝在柜體正面柜門上，HFCT線圈布置在缺陷模型的接地線上，兩者輸出通過屏蔽電纜接入示波器和數(shù)字采集卡，如圖1和圖2所示。

1.2 局部放電典型缺陷模型

開關柜內部由多種設備組合而成，發(fā)生絕緣故障時可能存在的缺陷類型較多，一般將空氣絕緣的開關柜內局部放電類型分為4類。金屬尖端處由于電場集中產(chǎn)生的放電為尖端放電，主要發(fā)生在柜內導體表面毛刺處；固體絕緣介質表面產(chǎn)生的放電為沿面放電，主要發(fā)生在金屬導體與絕緣套管接觸處；固體絕緣介質中的雜質氣泡處由于介電常數(shù)較小而產(chǎn)生的放電為氣隙放電，主要發(fā)生在制作工藝較差或老化的絕緣介質處；脫落或松散的金屬零件處產(chǎn)生的放電為懸浮放電，主要發(fā)生在脫落的加固件如螺釘?shù)忍嶽9-13]。在實驗室中的模擬開關柜中設計制作了黃銅材料的尖端放電模型、沿面放電模型、氣隙放電模型和懸浮放電模型4種模型，對柜內不同情況下的缺陷放電進行模擬，如圖3所示。

圖3 典型放電缺陷模型Fig. 3 Typical discharge defect model

圖3 a)所示為尖端放電模型。針電極針尖圓錐角50°，尖端為雙曲面型，等效曲率半徑為50 μm，板電極直徑50 mm，二者間距為20 mm。

圖3 b)所示為沿面放電模型。其高壓端為棒電極，接地端為板電極，二者之間緊夾一環(huán)氧樹脂絕緣板。環(huán)氧樹脂板厚度2 mm，直徑80 mm；高壓棒電極直徑6 cm，板電極參數(shù)與尖端放電模型中相同。

圖3 c)所示為氣隙放電模型，放電模型為“三明治”結構，使用三層環(huán)氧樹脂板黏合制成三合板以模擬絕緣內部氣隙，其中中間的環(huán)氧板有直徑4 mm的圓孔，三合板的直徑為80 mm，上下蓋板厚度為0.5 mm，中間夾板厚度為1 mm；上下電極均使用半徑20 mm的半球電極并在邊緣進行倒圓處理。

圖3 d)所示為懸浮放電模型，在尖端放電模型中加入懸浮電極模擬懸浮放電。懸浮電極通過厚度5 mm的絕緣板與下電極分離，電極尖端圓錐角50°，等效曲率半徑為50 μm；高壓針電極與懸浮電極尖端距離為10 mm。

2 試驗結果分析

2.1 檢出能力對比

由于暫態(tài)對地電壓法與脈沖電流法在檢測對象以及測量原理方面存在較大差別，二者對于不同類型局部放電的檢測靈敏度與響應特性上也存在差異[14-15]。因此，需要了解2種方法在4種典型絕緣缺陷引發(fā)放電現(xiàn)象中的放電起始電壓（partial discharge inception voltage, PDIV）及各外施電壓條件下的信噪比，以評估2種方法的測量靈敏度與檢出效果。

本文根據(jù)IEC60270—2015中的相關規(guī)定，以逐級升壓法下試驗中首次觀測到重復、穩(wěn)定的放電信號時的外施電壓值為PDIV[16]，并取10次測量結果的平均值確定了各試驗條件下的起始放電電壓，結果如圖4所示。在尖端放電中，暫態(tài)對地電壓法的起始放電電壓略低于脈沖電流法，因此在測量微弱的尖端放電時具有較高的靈敏度；而對于沿面放電、氣隙放電及懸浮放電來說，二者的起始放電電壓沒有明顯差異，在微弱放電脈沖的測量效果上比較接近。

圖4 HFCT與TEV測量方法下4種典型缺陷的起始放電電壓Fig. 4 The initial discharge voltage of 4 typical defects with HFCT and TEV methods

此外，本文對于2種測量方法在不同缺陷及外施電壓下的信噪比（signal noise ratio，SNR）進行了測試，以反映2種測量方法在對應條件下的局部放電脈沖檢出效果，其結果如圖5所示。

圖5 各缺陷下2種測量方法的響應特性Fig. 5 Response characteristics of two measurement methods under each defect

由響應測試曲線可知，脈沖電流法對于各類局部放電脈沖信號測量的信噪比都優(yōu)于暫態(tài)對地電壓法。這是由于脈沖電流法測量的是局部放電現(xiàn)象發(fā)生時試驗回路中流通的放電電荷，在放電現(xiàn)象未發(fā)生時，回路中除接地系統(tǒng)本身引入的微弱干擾外，其他背景噪聲的影響較小[17]。而暫態(tài)對地電壓法的脈沖信號則是由局部放電發(fā)生時，放電區(qū)域電場和磁場的能量釋放向外部空間輻射電磁波，再由設備的金屬外殼感應耦合產(chǎn)生的，雖然在電力工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中設備外殼一般都與地電位相連，但由于外殼的尺寸較大，其在一定意義上成了一個能夠接收空間電磁波的天線，因此容易受到射頻信號以及其他高頻電磁信號的干擾[18]，導致測量信噪比較低。

2.2 PRPD圖譜特征對比

局部放電相位圖譜分析（phase-resolved partial discharge，PRPD）是反映局部放電特征一種重要形式，也是實現(xiàn)局部放電類型專家診斷的主要參考依據(jù)[19-22]。利用暫態(tài)對地電壓法與脈沖電流法分別獲取了局部放電的PRPD圖譜，并對二者的特性進行對比分析。

2.2.1 尖端放電

試驗電壓12 kV、14.8 kV、17 kV下TEV測量信號的PRPD譜圖如圖6所示。從譜圖中可以看出，在所施加電壓剛超過電極的放電起始電壓時，放電脈沖的幅值在0.1 V以下，正半周的脈沖集中在電壓正半周的峰值附近，以90°為軸呈現(xiàn)對稱分布；負半周沒有明顯聚集的脈沖點，在240°附近有少量的脈沖點，但是幅值沒有明顯突出。隨著施加電壓的升高，正半周的脈沖點在相位上分布區(qū)域逐漸變寬，在30°～150°范圍內呈現(xiàn)中間突出，兩端較低的“帽型”分布，脈沖大量積聚在中間區(qū)域。在脈沖點積聚的部分邊緣脈沖幅值略微升高，同時在起始放電的相位處有幅值稍高的小束脈沖。負半周內沒有明顯的放電脈沖積聚，在外施電壓升高過程中，在240°～270°范圍內有少數(shù)的幅值較小的脈沖點，因幅值大小均勻而呈現(xiàn)平坦的分布狀態(tài)。從譜圖上能夠直觀看出，在尖端放電條件下，由于負半周的脈沖數(shù)量較少且幅值相對低， PRPD譜圖的正負半周對稱性較差。

圖6 尖端放電TEV測量信號的PRPD譜Fig. 6 PRPD spectrum of the tip discharge TEV signal

HFCT測量信號的PRPD譜圖如圖7所示。同TEV測量結果比較，HFCT測量結果的譜圖中脈沖點的分布規(guī)律基本相同。HFCT測量的譜圖中，負半周基本測量不到明顯的脈沖信號。正半周的脈沖分布區(qū)域更窄，放電脈沖的相位分布更加集中。其“帽型”分布的中心區(qū)域較TEV更窄，說明HFCT測量的脈沖幅值分布更加集中。在起始放電相位處出現(xiàn)較高幅值的脈沖積聚更加明顯。

圖7 尖端放電HFCT測量信號的PRPD譜Fig. 7 PRPD spectrum of the tip discharge HFCT signal

2.2.2 沿面放電

試驗電壓6 kV、11 kV、16 kV下TEV測量信號的PRPD譜圖如圖8所示。從譜圖中可以看出，在外施電壓剛超過電極的放電起始電壓時，放電脈沖的幅值在0.15 V以下，正半周的脈沖分布集中于20°～90°，起始放電相位處的脈沖幅值較高，隨后幅值有所跌落，之后回升并在60°時幅值達到最大；負半周的脈沖點較少，脈沖點集中在270°之前，幅值保持在0.1 V以下。隨著外施電壓升高，脈沖點的相位分布變寬，正負半周的起始放電相位向0°和180°移動并延伸到另一半周，脈沖點主要分布在正負半周的電壓上升沿，即前半周內。正半周脈沖點幅值變化較小，在升壓過程中出現(xiàn)少量較高幅值脈沖；負半周內的脈沖幅值迅速升高，脈沖點整體分布較分散。在外施電壓較高時，負半周的脈沖幅值遠高于正半周。放電過程中脈沖點分布整體較均勻，沒有出現(xiàn)尖端放電中明顯的積聚。從譜圖上能夠直觀看出，沿面放電條件下，正半周的脈沖點形狀分布規(guī)律；負半周脈沖點分布較分散，幅值更高。正負半周的脈沖點相位分布有一定的對稱性，幅值分布的對稱性逐漸減小。

圖8 沿面放電TEV測量信號的PRPD譜Fig. 8 PRPD spectrum of the creeping discharge TEV signal

HFCT測量信號的PRPD譜圖如圖9所示。HFCT測量結果中脈沖點分布的規(guī)律性更加明顯，正負半周的脈沖幅值較均勻。外施電壓升高過程中正半周的脈沖幅值積聚在0.1 V之內，電壓升高時在幅值較高處出現(xiàn)新的脈沖點積聚。負半周的脈沖在前半周內分布均勻，電壓較高時在270°之后出現(xiàn)新的脈沖點積聚。正負半周的脈沖積聚在靠近電壓過零點處密度明顯較高。通過與TEV測量結果的比較可以看出，HFCT檢測到了正半周的少數(shù)高幅值脈沖，而TEV測量到的該部分脈沖較少。

圖9 沿面放電HFCT測量信號的PRPD譜Fig. 9 PRPD spectrum of the creeping discharge HFCT signal

2.2.3 氣隙放電

試驗電壓7.6 kV、11.6 kV、16 kV下TEV測量信號的PRPD譜圖如圖10所示。從譜圖上可以看出，氣隙放電的脈沖點在正負半周分布較對稱。當外施電壓較小時，放電脈沖呈“三角”狀分布，相位分布在正負半周的前半周；幅值分布差異較大，其最大值出現(xiàn)在45°和225°附近。譜圖呈明顯向左偏斜趨勢。隨著外施電壓升高，正負半周的起始放電相位逐漸左移，并在電壓較高時跨越外施電壓的過零點。正負半周的幅值分布逐漸分散，頂部趨于平坦，同時有少量幅值較高的脈沖點。正負半周的起始放電相位處出現(xiàn)分布較窄的脈沖點束，即呈現(xiàn)“兔耳”狀分布，在電壓進一步升高且起始放電相位左移的過程中，“兔耳”特征逐漸消失，該現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于氣隙中積聚的電荷形成了內部電場。大量小幅值的脈沖點積聚在 0°～60°和 180°～240°范圍內，其余脈沖點在整個分布相位上密度分布較為均勻。在電壓升高的過程中，譜圖形態(tài)變化平穩(wěn)，并保持較好的正負半周對稱性。

圖10 氣隙放電TEV測量信號的PRPD譜Fig. 10 PRPD spectrum of the air gap discharge TEV signal

HFCT測量信號的PRPD譜圖如圖11所示。HFCT譜圖中脈沖點與TEV呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律，相位分布較TEV更寬，同時在相同電壓等級下脈沖幅值更小但分布更加均勻。在電壓升高過程中“兔耳”分布的情況沒有TEV明顯，在電壓較高時則完全消失；相位分布隨電壓升高左移情況比TEV更多，能夠測量到大量穿過過零點與外施電壓相反極性的脈沖。從密度圖看小幅值脈沖的積聚規(guī)律與TEV相同，在電壓較高時積聚相位更加集中。綜合TEV和HFCT的測量結果可以看出，氣隙放電的PRPD譜圖中脈沖點形態(tài)在正負半周的對稱性較好，半周期內點的分布形態(tài)穩(wěn)定。

圖11 氣隙放電HFCT測量信號的PRPD譜Fig. 11 PRPD spectrum of the air gap discharge HFCT signal

2.2.4 懸浮放電

試驗電壓12.8 kV、15 kV、17.2 kV下TEV測量信號的PRPD譜圖如圖12所示。從譜圖中可以看出，在外施電壓較低時，懸浮放電譜圖中只有正半周檢測到了脈沖點且呈高低幅值兩簇脈沖積聚，相位分布集中在60°～120°范圍內。低幅值脈沖在90°附近分布，高幅值脈沖在60°～90°范圍內幅值逐漸增加，形成斜坡狀分布，幅值最大值在0.4 V左右。外施電壓升高過程中，正半周的低幅值脈沖積聚數(shù)量更大，相位分布更寬并逐漸向0°偏移，當電壓幅值較高時該部分脈沖積聚集中到30°～60°范圍，最大幅值在 0.2 V左右，60°～120°內的脈沖點數(shù)量減少。高幅值的脈沖呈現(xiàn)的斜坡狀分布逐漸趨于垂直，幅值在0.5 V范圍內均勻分布。負半周脈沖集中分布在210°左右，其幅值在電壓升高過程中緩慢增大，相位略微向180°偏移。正半周內的脈沖在外施電壓較低時主要集中在高幅值分布區(qū)域且分布均勻，在電壓升高時則更多分布在低幅值區(qū)域。負半周的脈沖集中分布在較低幅值處。在懸浮放電條件下，負半周的脈沖點數(shù)量較少，譜圖的對稱性較差。由于正半周的斜坡狀分布，其正半周脈沖點傾向左偏。

圖12 懸浮放電TEV測量信號的PRPD譜Fig. 12 PRPD spectrum of the floating discharge TEV signal

HFCT測量信號的PRPD譜圖如圖13所示。譜圖中脈沖點的分布規(guī)律總體與TEV測量結果相同。在正半周呈現(xiàn)的高幅值脈沖分布幅值突出程度較TEV測量結果中更低，在電壓升高時該部分脈沖點數(shù)量減少且幅值逐漸下降，同時低幅值脈沖的分布在電壓升高時更加平坦，突出的脈沖分布相位左移時在60°～120°保留有大量低幅值脈沖。負半周的集中脈沖分布規(guī)律與TEV測量結果中相同，電壓升高過程中在270°處出現(xiàn)少量幅值較低的脈沖積聚，在電壓進一步升高時逐漸消失。脈沖點在幅值較低處分布密度更高。綜合TEV和HFCT的測量結果可以看出懸浮放電在正半周和負半周的分布變化規(guī)律較穩(wěn)定，而HFCT測量的脈沖點相位分布更寬。

圖13 懸浮放電HFCT測量信號的PRPD譜Fig. 13 PRPD spectrum of the floating discharge HFCT signal

通過以上分析可以看出，對于不同外施電壓和類型的局部放電，TEV相對于HFCT檢測所得到的PRPD統(tǒng)計圖譜在相位集中區(qū)間和正負半周的幅值相對大小上具有相似性，但在具體特征上存在一定的區(qū)別。總體來說TEV法測量得到的局部放電脈沖在相位分布上比較集中，集聚效應更加明顯，但在對脈沖集中相位范圍邊緣及之外的分散脈沖的測量上靈敏度相對較低。TEV法的檢測結果也有其自身的明顯特征，可以明顯觀察出不同放電類型之間的特征區(qū)別。

2.3 相基統(tǒng)計特征對比

由上述PRPD圖譜形態(tài)分布特征可以觀察到，暫態(tài)對地電壓法與脈沖電流法在測量各類局部放電時，所得到的放電統(tǒng)計特征在整體上存在較大的相似性，但同時也存在一定差異。為了量化描述2種檢測手段的檢測特性差異，同時進一步研究各類型局部放電脈沖的統(tǒng)計學特征，基于PRPD圖譜數(shù)據(jù)，對不同外施電壓條件下4種放電類型的偏斜度、陡峭度[23]等統(tǒng)計參數(shù)進行了計算，并對2種測量手段所得的結果進行了分析比較。

偏斜度表示統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布的偏斜方向和偏斜程度，計算公式為數(shù)據(jù)的三階矩，如式（1）所示。

式中：Sk為偏斜度；Ai為放電脈沖幅值；Aavr為平均放電幅值；σ為放電幅值標準差；n為放電脈沖點個數(shù)。

偏斜度的值反映數(shù)據(jù)與標準正態(tài)分布比較的偏斜程度。當偏斜度為正時，數(shù)據(jù)點呈現(xiàn)向左偏斜；當偏斜度為負時，數(shù)據(jù)點呈現(xiàn)向右偏斜[24]。

陡峭度表示統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布的突出平坦趨勢以及程度，計算公式為數(shù)據(jù)的四階矩，如式（2）所示。

式中：Ku為陡峭度。

陡峭度的值反映數(shù)據(jù)與標準正態(tài)分布比較的突出程度。當陡峭度為正時，數(shù)據(jù)點分布相比正態(tài)分布更突出；當陡峭度為負時，數(shù)據(jù)點分布相比正態(tài)分布更平坦[25]。

依據(jù)式（1）～（2）得到的統(tǒng)計參數(shù)情況如圖14～15所示。由以上結果可見，在大多數(shù)情況下，暫態(tài)對地電壓法與脈沖電流法所測放電脈沖的統(tǒng)計特性隨外施電壓的變化趨勢一致，說明2種測量方法的檢測效果在總體上接近。值得注意的是尖端放電中，TEV測量下負半周統(tǒng)計特性與HFCT存在較大區(qū)別，偏斜度更小而陡峭度更大，反映出TEV法測量到了大量的負半周低幅值脈沖簇，這與前文得到的TEV法更易測到微弱尖端放電的結論吻合。

圖14 TEV與HFCT測量下4種放電類型的放電脈沖偏斜度Fig. 14 Discharge pulse skewness of four discharge types with TEV and HFCT methods

圖15 TEV與HFCT測量下4種放電類型的放電脈沖陡峭度Fig. 15 Discharge pulse kurtosis of four discharge types with TEV and HFCT methods

而在懸浮放電中，2種測量方法所得的放電統(tǒng)計特性存在明顯差異，主要體現(xiàn)為HFCT正負半周偏斜度隨電壓升高先增大后減小，TEV所測正負偏斜度則保持在相對穩(wěn)定的水平，在陡峭度方面HFCT測量結果則明顯大于TEV，反映出HFCT負半周懸浮放電脈沖更為集中。

3 結論

本文搭建了開關柜局部放電特征采集研究平臺，模擬了不同外施電壓下開關柜沿面放電、懸浮放電、氣隙放電以及尖端放電，并通過脈沖電流檢測及暫態(tài)對地電壓檢測2種方法進行了數(shù)據(jù)測量與分析，得到了如下結論。

（1）從檢出能力上來看，與脈沖電流檢測法相比，暫態(tài)對地電壓法對于局部放電的測量信噪比較低，總體而言檢測效果稍差。但是該方法對于微弱尖端放電的靈敏度響應更佳，具有獨特的應用優(yōu)勢。

（2）從PRPD圖譜來看，2種檢測方法的測量結果具有明顯的相似性，但在圖譜分布、特征上仍存在一定的差別。在尖端放電中，TEV測量的脈沖幅值分布更加分散，“帽型”區(qū)域的相位范圍更寬；在沿面放電中，TEV檢測對于正半周的少數(shù)高幅值脈沖響應較差，在負半周的脈沖更加集中；在氣隙放電中，TEV測量放電脈沖的“兔耳”型分布特征更明顯；在懸浮放電中，TEV測量的脈沖的幅值分布更加集中。

（3）從統(tǒng)計參數(shù)來看，2種方法得到的偏斜度、陡峭度隨外施電壓變化的趨勢總體上具有良好一致性，有效描述了局部放電的脈沖特征。2種檢測方法均具備利用統(tǒng)計特征實現(xiàn)放電模式識別的可行性。