開關(guān)柜局部放電綜合在線檢測(cè)裝置的研究與應(yīng)用

王 戈，王 強(qiáng)，田志剛，周文樂，李建明

(1.四川省電力公司，四川 成都 610041;2.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039;3.沙灣供電局，四川樂山 614900;4.四川電力科學(xué)研究院，四川成都 610072)

0 引言

開關(guān)柜是電力配電系統(tǒng)非常重要的電氣設(shè)備，由于種種原因引起的開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)惡化甚至燒毀，常使安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，如果處理不當(dāng)將可能會(huì)擴(kuò)大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。而高壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)部絕緣部分的缺陷或劣化、導(dǎo)電連接部分的接觸不良是高壓故障率最高的一類故障。根據(jù)1989—1992年間全國電力系統(tǒng)6～10 kV開關(guān)柜事故統(tǒng)計(jì)，絕緣和載流引起的故障占總數(shù)的40.2%，其中由于絕緣部分的閃絡(luò)造成的事故占絕緣事故總數(shù)的79.0%［1］。由于在事故潛伏期可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，故可以通過對(duì)放電的監(jiān)測(cè)得到相關(guān)的信息。

目前在線檢測(cè)局部放電的方法很多。主要有紅外成像法、紫外成像法、脈沖電流法、超聲法以及超高頻法等［2］。這些檢測(cè)方法在不同的方面都有各自的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)踐中也都得到了一定程度的應(yīng)用，但同時(shí)也都存在各自的不足［3－5］。文獻(xiàn)［6］采用紫外成像法對(duì)絕緣子放電進(jìn)行測(cè)量，通過用紫外成像儀觀察線路絕緣子的紫外成像特點(diǎn)來分析其沿面放電特點(diǎn)，從而判斷絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到了一定的效果，并具有良好的放電定位精度，但檢測(cè)儀器價(jià)格昂貴，難以對(duì)放電進(jìn)行定量化的分析。文獻(xiàn)［7］研制了一種紫外脈沖檢測(cè)儀，能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，抗干擾能力強(qiáng)，動(dòng)作反應(yīng)迅速，取得了一定的成果。但是開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備密集，光又是沿直線傳播的，一旦遇到遮光將無法檢測(cè)到放電，且對(duì)內(nèi)部絕緣的局部放電不敏感，可靠性得不到保障。文獻(xiàn)［8］使用超高頻天線來檢測(cè)局部放電，取得了很好的效果。超高頻的特點(diǎn)是能夠探測(cè)內(nèi)部絕緣的局部放電，以及信號(hào)在傳遞過程中不易遮擋，因此，超高頻檢測(cè)法在電氣設(shè)備的局部放電檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。然而，超高頻信號(hào)極容易受到其他高頻干擾，如附近局部放電、無線通信、廣電信號(hào)、遙測(cè)遙控信號(hào)等，虛警率高，為局部放電的判定帶來一定的難度。基于此，則提出采用紫外光技術(shù)和超高頻技術(shù)共同來檢測(cè)電氣設(shè)備局部放電的有無，發(fā)揚(yáng)兩種方法各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)紫外法容易被遮光和超高頻法容易受干擾的缺陷，研制了一種開關(guān)柜局部放電綜合在線檢測(cè)裝置，并通過現(xiàn)場(chǎng)模擬棒－板電暈放電對(duì)裝置作了驗(yàn)證，該裝置具有抗干擾能力強(qiáng)、虛警率低、靈敏度高、性能穩(wěn)定、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

1 檢測(cè)原理

1.1 紫外脈沖法

在開關(guān)柜電力設(shè)備中，由于電極和絕緣表面存在的缺陷，以及導(dǎo)電粒子的存在，會(huì)發(fā)生不同程度的放電。根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度的不同，會(huì)產(chǎn)生電暈、閃絡(luò)或電弧，一般情況下，電離的主要形式還是電暈，只有當(dāng)情況惡化時(shí)才會(huì)發(fā)生閃絡(luò)或者電弧，此時(shí)可以將其看作更為嚴(yán)重的放電。電離過程中，空氣中的電子不斷獲得和釋放能量，當(dāng)電子釋放能量時(shí)，伴隨有發(fā)光輻射現(xiàn)象，其輻射光譜包括可見光、紅外線、紫外線。其中，紫外輻射在大氣中傳播時(shí)衰減較小，而且日盲區(qū)的紫外線不易受到環(huán)境因素的干擾，較為穩(wěn)定，所以選擇紫外輻射作為局部放電檢測(cè)的特征量是一種極其有效的手段。

1.2 超高頻法

當(dāng)開關(guān)柜絕緣結(jié)構(gòu)中發(fā)生局部放電時(shí)，沿放電通道將會(huì)有過程極短的脈沖電流產(chǎn)生，并激發(fā)瞬態(tài)電磁波輻射。當(dāng)放電間隙比較小時(shí)，放電過程的時(shí)間比較短，電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強(qiáng);而放電間隙的絕緣強(qiáng)度比較高時(shí)，擊穿過程比較快，此時(shí)電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強(qiáng)。通常開關(guān)柜絕緣結(jié)構(gòu)中發(fā)生的局部放電信號(hào)可以看成是由一個(gè)點(diǎn)源所發(fā)出的，當(dāng)電介質(zhì)某處發(fā)生局部放電時(shí)，由放電產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)隨時(shí)間變化，將會(huì)產(chǎn)生電磁波，它們遵循麥克斯韋的電磁場(chǎng)基本方程。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用紫外檢測(cè)法與超高頻法聯(lián)合測(cè)試法來檢測(cè)開關(guān)柜局部放電，可以充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點(diǎn)和避免兩種方式各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，綜合檢測(cè)，從而綜合判定開關(guān)柜內(nèi)局部放電的產(chǎn)生。

2 檢測(cè)裝置整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，整體框圖由紫外傳感器組件、超高頻傳感器組件、微處理器、電源部分、液晶顯示單元、報(bào)警單元及通信模塊組成。

圖1 檢測(cè)裝置整體框圖

紫外傳感器接收局部放電輻射出的紫外光脈沖，將其轉(zhuǎn)換為電脈沖，然后進(jìn)行放大、濾波、AD采樣后，將信號(hào)送至微處理器，通過程序設(shè)計(jì)，把超過一定電平值的信號(hào)記錄為一次脈沖，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(這里規(guī)定為10 s)，若總脈沖數(shù)超過了預(yù)設(shè)的閥值n，則判定為有局部放電的產(chǎn)生，報(bào)警器報(bào)警，并將記錄的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。同樣，超高頻天線接收局部放電輻射的超高頻信號(hào)，經(jīng)過放大、混頻、檢波、濾波以及AD采樣后，交由微處理器判定控制，最后將結(jié)果送至報(bào)警器和顯示器，也可由通信模塊將信號(hào)送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。電源部分包括紫外高壓驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)處理電路的電源。處理器單元包括單片機(jī)及外圍電路，采用美國silicon公司高性能微處理器C8051F120，具有獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)的混合信號(hào)系統(tǒng)芯片，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)定在100 MHz。液晶顯示模塊采用內(nèi)藏KS0107控制器YXD－12864A－02圖形液晶顯示模塊(如圖2)，顯示屏自帶背光，還有4個(gè)按鍵及蜂鳴器等，操作方便。

圖2 顯示器

由于開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備復(fù)雜，空間狹小，所以該檢測(cè)裝置要便于安裝，其大小和形狀都要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，裝置實(shí)物如圖3所示，使用封閉的金屬殼，起到很好的屏蔽作用，有益于抗干擾。

圖3 裝置實(shí)物圖

3 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

3.1 紫外部分

高壓設(shè)備局部放電產(chǎn)生的紫外線大部分波長(zhǎng)在280～400 nm的區(qū)域內(nèi)，也有小部分波長(zhǎng)在160～280 nm，太陽光中也含有紫外線，但是波長(zhǎng)小于280 nm的部分幾乎全部被臭氧吸收，稱為太陽盲區(qū)。為了去除可見光源的干擾，采用高靈敏度的日盲區(qū)紫外光敏管R2868來檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的紫外光輻射。

由于紫外傳感器的工作原理是外界游離因素引起的自持放電，所以必須設(shè)計(jì)具有滅弧功能的紫外驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)紫外線射入光陰極的表面產(chǎn)生光電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為負(fù)向的電流脈沖信號(hào)，經(jīng)前置反向比例放大電路，得到正向電壓信號(hào)。再進(jìn)行濾波處理，使之通過二階巴特沃斯高通濾波器，濾除低頻干擾。為了能滿足AD采樣電路的輸入要求，還需進(jìn)行正向放大調(diào)整，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將信號(hào)送MCU處理器作進(jìn)一步的處理。紫外光電信號(hào)處理框圖如圖4所示。

圖4 紫外光電信號(hào)處理框圖

3.2 超高頻部分

超高頻天線用于接收局部放電產(chǎn)生的超高頻信號(hào)，它性能的好壞至關(guān)重要，考慮到適用于開關(guān)柜的體積及成本因素，本裝置選擇鞭狀天線來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖5 超高頻電信號(hào)處理框圖

超高頻電信號(hào)處理框圖如圖5所示。從天線接收到的信號(hào)輸入電路后為超高頻電壓信號(hào)，經(jīng)過傳播途中的繞射及反射，信號(hào)強(qiáng)度十分微弱，無法直接處理，所以在提取有用信息前先通過一個(gè)放大器，以保證放電信號(hào)到達(dá)信號(hào)調(diào)理單元時(shí)信號(hào)的功率幅值符合其輸入范圍。本部分采用高集成度放大器ADL5521，它的工作頻率范圍為 400～4 000 MHz，能夠提供低噪聲和高增益。

超高頻信號(hào)在處理過程中極易受到干擾，而且頻率很高，一般的A/D采集卡的采集頻率很難達(dá)到要求，但是局部放電測(cè)量通常只關(guān)心信號(hào)的峰值及其出現(xiàn)的相位，將超高頻信號(hào)無失真地采集下來也意義不大，且數(shù)據(jù)量極大，數(shù)據(jù)處理難度高，所以采用混頻電路降低局部放電超高頻信號(hào)的頻率。本裝置選用的混頻器為雙差分對(duì)平衡混頻器(AD831)，并采用了切比雪夫逼近設(shè)計(jì)了20 MHz帶寬的5階切比雪夫I型LC低通濾波器，將混頻后的和頻分量濾除，輸出差頻分量。

檢波電路的作用是將低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行檢波(包絡(luò)提取)和放大。由于局部放電超高頻信號(hào)電平的動(dòng)態(tài)范圍較寬，對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)要求較高，增加了數(shù)據(jù)采集卡的選用難度。因此在設(shè)計(jì)檢波電路提取信號(hào)包絡(luò)的基礎(chǔ)上，將輸入電平幅度作對(duì)數(shù)運(yùn)算，以此來壓縮信號(hào)電平范圍。用ADI公司的一款解調(diào)對(duì)數(shù)放大器ADL5513，能夠精確地將射頻(radio frequeniy，RF)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的分貝標(biāo)度輸出。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

4.1 試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證該檢測(cè)裝置的局部放電檢測(cè)能力，用剛出廠未投入使用的開關(guān)柜進(jìn)行模擬試驗(yàn)，打開斷路器開關(guān)，使母線形成了對(duì)地的電容，用銅絲從A相引出，構(gòu)成棒極，B、C兩相用導(dǎo)線相連，構(gòu)成板極，銅絲尖端與B相留有間距，形成局部放電間隙，與BC相母線對(duì)地電容串聯(lián)，并與A相母線對(duì)地電容并聯(lián)，這樣就構(gòu)成了經(jīng)典的電容局部放電回路，模擬棒－板電暈放電。該方法在棒－板間隙被擊穿時(shí)，不至于使電源短路損壞，并通過對(duì)地電容的充、放電，使放電過程不斷循環(huán)。把檢測(cè)裝置安裝在開關(guān)柜橫梁上，人為給A相加壓，從1 kV緩慢升壓，直到產(chǎn)生明顯電弧擊穿，記錄該裝置不同電壓等級(jí)下的紫外脈沖數(shù)和超高頻脈沖數(shù)，這些脈沖數(shù)是裝置每10 s鐘內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)。棒－板間距可調(diào)，每組按棒－板間距為1 cm、0.5 cm進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，每點(diǎn)測(cè)量5次。

4.2 數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，分別列出了電容型放電間隙間距為1 cm和0.5 cm的紫外、超高頻脈沖數(shù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)開關(guān)柜柜門是打開的，且現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)條件較好，熱傳遞迅速，因此在測(cè)試過程中，溫度基本維持在28℃～29℃。

由表1可以看出，隨著所加電壓的上升，測(cè)得的紫外脈沖和超高頻脈沖數(shù)都有明顯升高，符合電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，放電越明顯的規(guī)律。因此，可以通過分析脈沖數(shù)目的多少來判斷設(shè)備的放電程度。對(duì)比不同電壓等級(jí)下的兩組數(shù)據(jù)可知，相對(duì)0.5 cm棒－板間距，1 cm時(shí)放電強(qiáng)度更強(qiáng)，這也符合放電的規(guī)律，因?yàn)殡S著間距的增大，電場(chǎng)分布越不均勻，越容易產(chǎn)生放電。此外，當(dāng)產(chǎn)生放電現(xiàn)象并不嚴(yán)重，還未衍生至可見電弧光時(shí)，系統(tǒng)依然能夠可靠報(bào)警，從而可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)潛在的故障點(diǎn)，確?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備持續(xù)、安全、有效地運(yùn)行，提高供電可靠性，為開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)提供診斷數(shù)據(jù)，為狀態(tài)檢修提供依據(jù)。

表1 開關(guān)柜局部放電測(cè)量10 s內(nèi)的脈沖數(shù)

5 結(jié)論

研究了紫外光技術(shù)和超高頻技術(shù)綜合檢測(cè)局部放電的聯(lián)合測(cè)量法，進(jìn)行了開關(guān)柜局部放電綜合檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了模擬棒－板電暈放電檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明如下。

1)該裝置能夠準(zhǔn)確檢測(cè)不同強(qiáng)度的放電，并能相對(duì)反應(yīng)放電強(qiáng)度的大小。在開關(guān)柜中，可以通過設(shè)置不同強(qiáng)度的電弧檢測(cè)閥值，提高繼電保護(hù)的靈活性。

2)當(dāng)有局部放電發(fā)生時(shí)，裝置能夠反映出較大強(qiáng)度的放電信號(hào)，不同電壓等級(jí)下和棒板間距體現(xiàn)出來的放電強(qiáng)弱符合放電規(guī)律。

3)該裝置具有動(dòng)作時(shí)間快、抗干擾能力強(qiáng)、虛警率低、靈敏度高、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在檢測(cè)過程中不必提供高壓測(cè)試電源、不必停電，也無需消耗較多的人力物力，安裝方便。

根據(jù)獲取的紫外和超高頻數(shù)據(jù)，再結(jié)合每相電壓、電流情況，對(duì)開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合的分析評(píng)判，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)潛在的安全隱患，確保現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備持續(xù)、安全、有效地運(yùn)行，提高供電可靠性。

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