空氣濕度對(duì)開(kāi)關(guān)柜局部放電影響的試驗(yàn)研究

孟凡生，金觀華，程光強(qiáng)，茅東華

（紹興電力局，浙江 紹興 312000）

0 引言

10 kV金屬封閉式開(kāi)關(guān)柜在變電站廣泛使用，其運(yùn)行安全將直接影響變電站的供電可靠性。對(duì)開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及對(duì)故障的正確診斷是保證開(kāi)關(guān)設(shè)備安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)關(guān)柜在長(zhǎng)期運(yùn)行中，其內(nèi)部的空氣濕度、溫度、壓力等環(huán)境因素會(huì)發(fā)生改變，這種改變會(huì)影響絕緣子的絕緣水平。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜發(fā)生局部放電（partial discharge，PD）時(shí)，空氣濕度、溫度、壓力等因素的改變會(huì)進(jìn)一步加劇PD，進(jìn)而加速設(shè)備絕緣劣化，最終導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜發(fā)生絕緣故障。因此有必要研究開(kāi)關(guān)柜的PD檢測(cè)及各種環(huán)境因素對(duì)PD的影響規(guī)律，以便有針對(duì)性地采取措施，改善環(huán)境因素，抑制PD的發(fā)展。

目前，開(kāi)關(guān)柜的PD檢測(cè)方法主要有脈沖電流法、超聲波法、超高頻法等，其中脈沖電流法和超聲波檢測(cè)法應(yīng)用最為廣泛。但脈沖電流法的抗干擾能力差，無(wú)法有效應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)。而超聲波在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的傳播過(guò)程復(fù)雜，遇到障礙可能會(huì)有多次反射和折射，所以檢測(cè)靈敏度不高，定量測(cè)量比較困難。暫態(tài)對(duì)地電壓（transient earth voltages，TEV）法是一種新發(fā)展起來(lái)的帶電檢測(cè)技術(shù)，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、故障定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外部分電力公司得到了應(yīng)用。本文提出將TEV法應(yīng)用于10 kV開(kāi)關(guān)柜的PD檢測(cè)，并在該檢測(cè)法下研究開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部空氣濕度對(duì)開(kāi)關(guān)柜PD的影響規(guī)律，針對(duì)空氣濕度的影響提出改進(jìn)措施，以抑制PD的發(fā)展。

1 暫態(tài)對(duì)地電壓法測(cè)量原理

高壓電氣設(shè)備發(fā)生PD時(shí)，放電量往往先聚集在與接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位，形成對(duì)地電流，并在設(shè)備金屬表面?zhèn)鞑ァ?duì)于內(nèi)部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面。屏蔽連續(xù)時(shí)，在設(shè)備外部無(wú)法檢測(cè)到PD信號(hào)，但屏蔽層通常在某些絕緣部位不連續(xù)，如墊圈連接、電纜絕緣終端等，PD的高頻信號(hào)就會(huì)由此傳輸?shù)皆O(shè)備屏蔽外殼。因此，PD產(chǎn)生的電磁波通過(guò)金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開(kāi)關(guān)的襯墊傳出，并沿著設(shè)備金屬箱體外表面繼續(xù)傳播，同時(shí)對(duì)地產(chǎn)生一定的暫態(tài)電壓脈沖信號(hào)。該現(xiàn)象由Dr.John Reeves于1974年首先發(fā)現(xiàn)，并將其命名為暫態(tài)對(duì)地電壓。TEV法工作原理如圖1示，PD信號(hào)在設(shè)備的金屬封閉殼體上產(chǎn)生TEV信號(hào)，可通過(guò)電容耦合傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，從而得到PD的幅值和放電脈沖頻率等參數(shù)。TEV法采用相對(duì)讀數(shù)來(lái)表示PD相關(guān)參數(shù)，TEV信號(hào)（mV）與信號(hào)輸出（dB）的關(guān)系如下式所示：

測(cè)量值=20log（局部放電量峰值mV/1 mV）

圖1 TEV法檢測(cè)原理

2 試驗(yàn)裝置及步驟

本試驗(yàn)選取70%，80%和90%3個(gè)空氣濕度點(diǎn)對(duì)實(shí)際運(yùn)行的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行試驗(yàn)，在斷路器高壓觸頭的正前方開(kāi)關(guān)柜表面選取a，b，c 3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)之間的水平距離為30 cm，同時(shí)在水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)的右下方距離a，b，c直線垂直距離50 cm處設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)d。PD測(cè)量如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）將TEV探頭放在a，b，c任一檢測(cè)點(diǎn)，采集未加壓時(shí)的背景TEV信號(hào)幅值。

（2）設(shè)置開(kāi)關(guān)柜的空氣濕度，當(dāng)濕度穩(wěn)定在70%時(shí)，分別在A，B，C相加壓9 kV，觀察示波器并記錄TEV的信號(hào)幅值。逐次提高空氣濕度至80%和90%，分別記錄TEV的信號(hào)幅值。

（3）對(duì) B，C 相重復(fù)步驟（2）。

圖2 局部放電測(cè)量系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將TEV探頭分別置于4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，未加壓時(shí)各檢測(cè)點(diǎn)獲取的TEV值如表1所示。

表1 背景TEV信號(hào)幅值

從表1可以看出，斷路器三相觸頭加壓前，隨著空氣濕度的增大，在4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)得到的TEV信號(hào)幅值幾乎沒(méi)有變化，且幅值比較小，最大為8 dB。因?yàn)闆](méi)有PD產(chǎn)生，檢測(cè)到的TEV信號(hào)只是背景噪聲，空氣濕度對(duì)PD無(wú)影響。

表2給出了A相加壓9 kV時(shí)斷路器A，B，C三相在70%，80%和90%空氣濕度下，4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上得到的TEV信號(hào)幅值?？諝鉂穸葹?0%時(shí)，A，B，C相在4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上的TEV信號(hào)幅值范圍分別為 19～23 dB，25～32 dB 和 21～27 dB，根據(jù)表3中的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，A，C相有一定程度的PD產(chǎn)生，而B相有較強(qiáng)的PD，說(shuō)明B相的絕緣缺陷比A，C相嚴(yán)重。保持9 kV電壓不變，提高空氣濕度至80%，A，B，C相在4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的TEV信號(hào)幅值均增大，增幅約為10 dB，且幅值均超過(guò)30 dB，說(shuō)明空氣濕度增加后加劇了PD。B相4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上的TEV信號(hào)幅值高于對(duì)應(yīng)的A，C相，說(shuō)明濕度對(duì)B相的PD影響最嚴(yán)重，原因是B相絕緣子可能存在裂縫，或者表面污穢程度較嚴(yán)重，使其內(nèi)部或表面受潮嚴(yán)重。保持9 kV電壓不變，繼續(xù)提高空氣濕度至90%，A，B，C相在4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上的TEV信號(hào)幅值繼續(xù)增大，幅值均超過(guò)40 dB。由表3經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)PD強(qiáng)烈，說(shuō)明空氣濕度的增加進(jìn)一步加劇了PD。從表2看出，A相幅值增量約為10 dB，B相約為12 dB，C相約為10.3 dB。相對(duì)于空氣濕度由70%增加到80%時(shí)的幅值增量，A，C相幅值增量略有增加，而B相幅度增加2 dB，說(shuō)明開(kāi)關(guān)柜內(nèi)缺陷越大，空氣濕度對(duì)局部放電的影響越大。

表2 A，B，C相在不同空氣濕度下的PD TEV信號(hào)幅值

表3 TEV法經(jīng)驗(yàn)判據(jù)

從表2數(shù)據(jù)可以看出，在相同的電壓下，隨著濕度的增加，TEV的幅值也隨之增加，B相的TEV幅值和增量均大于A和C相，說(shuō)明開(kāi)關(guān)柜內(nèi)B相絕緣缺陷最嚴(yán)重。從表中還可以發(fā)現(xiàn)，距離放電源較遠(yuǎn)的d檢測(cè)點(diǎn)，TEV信號(hào)幅值較小，說(shuō)明TEV法在PD定位上有一定優(yōu)勢(shì)。

為減小空氣濕度對(duì)開(kāi)關(guān)柜PD的影響，在開(kāi)關(guān)柜底部安裝2個(gè)65 W的風(fēng)扇再次試驗(yàn)，試驗(yàn)條件和未裝風(fēng)扇時(shí)一樣。為方便分析結(jié)果，僅以絕緣缺陷最嚴(yán)重的B相為研究對(duì)象。加壓至9 kV保持不變，空氣濕度依次從70%增加至90%，分別得到在3種濕度條件下的PD TEV信號(hào)幅值，如表4所示。

從表4可以看出，隨著濕度的增加，PD的TEV信號(hào)幅值也隨之增加，在濕度為70%～80%時(shí)的增量小于80%～90%的增量，但相對(duì)于裝風(fēng)扇之前，此時(shí)的幅值明顯減小，且對(duì)應(yīng)的增量減小，說(shuō)明安裝風(fēng)扇后大大改善了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的空氣濕度，一定程度上限制了局部放電的發(fā)展。

表4 安裝風(fēng)扇后的B相TEV信號(hào)幅值

4 結(jié)論

根據(jù)TEV法檢測(cè)10 kV開(kāi)關(guān)柜局部放電的原理，結(jié)合該方法下空氣濕度對(duì)開(kāi)關(guān)柜局部放電影響的試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）TEV法能夠檢測(cè)到開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的局部放電，檢測(cè)點(diǎn)距離放電源越近，TEV信號(hào)幅值越大，反之越小。放電越強(qiáng)，TEV幅值越大。因此TEV不僅可以實(shí)現(xiàn)定位，也可以實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)。

（2）在不同的空氣濕度條件下，PD的TEV信號(hào)幅值也不同。隨著濕度的增加，TEV的幅值隨之增加，且增量越來(lái)越大。

（3）開(kāi)關(guān)柜內(nèi)缺陷嚴(yán)重的絕緣子，受空氣濕度對(duì)PD的影響比缺陷小的絕緣子明顯，隨著濕度的增加，PD劇烈，并有可能導(dǎo)致絕緣擊穿。

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