基于地電波檢測法的非侵入式高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測定位研究

陳建強(qiáng)，陳 雷

（1.文安魯能生態(tài)旅游開發(fā)有限公司，北京 065800；2.魯能集團(tuán)有限公司河北分公司，河北 張家口 047500）

0 引言

10 kV、35 kV金屬封閉高壓開關(guān)柜廣泛用于各個變電站，高壓開關(guān)柜由于內(nèi)部裝有電纜接頭或套管、避雷器、電流互感器、開關(guān)等多種一次配電設(shè)備，其運行可靠性對配網(wǎng)的運行可靠性和安全性有很大影響。

電氣設(shè)備在運行中必然存在電、熱、化學(xué)及異常狀況下形成的絕緣劣化，導(dǎo)致電氣絕緣強(qiáng)度降低，甚至發(fā)生故障。近年來配網(wǎng)中的許多突發(fā)事故，多是設(shè)備絕緣問題所致。國內(nèi)外的經(jīng)驗表明帶電測量電氣設(shè)備的局部放電特征是預(yù)防電氣設(shè)備故障的一種好方法［1］。

現(xiàn)階段供電公司主要是按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》的要求對配網(wǎng)中的開關(guān)設(shè)備按照一定的時間周期進(jìn)行預(yù)防性試驗，目前國內(nèi)對高壓開關(guān)柜的局部放電方面還沒有找到有效辦法，特別是在金屬封閉成套開關(guān)設(shè)備上開展局部放電的帶電測試沒引起足夠重視，且在指導(dǎo)現(xiàn)場測量的規(guī)程方面也還是空白。

1 地電位檢測法基本原理

1.1 暫態(tài)對地電壓（TEV）

高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時，放電量往往先聚集在與接地點相鄰的接地金屬部位，形成對地電流在設(shè)備表面金屬上傳播。對于內(nèi)部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，屏蔽連續(xù)時在設(shè)備外部無法檢測到放電信號，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續(xù)，局部放電的高頻信號會由此傳輸?shù)皆O(shè)備屏蔽外殼。因此，局部放電產(chǎn)生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關(guān)的襯墊傳出，并沿著設(shè)備金屬箱體外表面繼續(xù)傳播，同時對地產(chǎn)生一定的暫態(tài)電壓脈沖信號，該現(xiàn)象由Dr.John Reeves在1974年首先發(fā)現(xiàn)，并將其命名為暫態(tài)對地電壓 。

1.2 TEV技術(shù)基本原理

一般來說，單芯10 kV電纜的阻抗約為10 Ω，35 kV的金屬外殼母線室的阻抗則約為70 Ω，電纜或母線室發(fā)生局部放電產(chǎn)生持續(xù)10 μs的約100 mA的弱電脈沖電流時，在金屬外殼上會出現(xiàn)1～7 V的對地電壓。電壓、電流脈沖沿開關(guān)柜金屬外殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑ィ鲩_口、接頭、蓋板等處的縫隙傳出設(shè)備，再沿著金屬外殼的外表面?zhèn)鞑ブ链蟮兀?］。目前TEV法檢測設(shè)備大都采用電容性探測器來檢測放電脈沖，其工作原理如圖1所示?，F(xiàn)有的局部放電檢測方法常以脈沖電流法的視在放電量來表征局部放電活動的嚴(yán)重程度，但對TEV法來說，由于影響局部放電測量及放電量表征的因素較多，為了簡單起見，在該方法中測試結(jié)果采用相對讀數(shù)來表示。在局部放電過程中，局部放電信號在設(shè)備的金屬封閉殼體上產(chǎn)生一個瞬時對地電壓，可通過電容耦合傳感器對其進(jìn)行測量，得出局部放電的幅值和放電脈沖頻率等參數(shù)。電磁波以一定速度傳播，在不考慮電磁波折反射的情況下，電磁波到達(dá)置于不同位置探頭的距離會不同，TEV測試儀出現(xiàn)觸發(fā)時間差;此外，電磁波信號在傳播過程中會隨距離出現(xiàn)不同的衰減特性，基于此原理可以實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部放電源定位［4－5］。

圖1 TEV技術(shù)基本原理

2 非侵入式高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測定位系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

研制的非侵入式高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，整套系統(tǒng)由局放傳感器、信號電纜、濾波和放大電路、高速數(shù)據(jù)采集單元、直流供電電源和計算機(jī)監(jiān)測分析軟件組成。

2.2 硬件系統(tǒng)

局放測量傳感器。工作的關(guān)鍵目標(biāo)是開發(fā)出可以測量局放產(chǎn)生并傳播到開關(guān)柜表面的電磁波的傳感器。為此，結(jié)合理論分析試制了偶極子天線。螺旋天線和貼片天線三種傳感器，實驗表明貼片天線結(jié)合諧振腔取得的效果最好。圖3為局放傳感器組成結(jié)構(gòu)圖。圖中：1為絕緣外殼，2為螺旋天線電磁感單元，3為諧振腔，4為濾波電路，5為傳輸信號插頭。

圖2 非侵入式高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 局放測量傳感器組成結(jié)構(gòu)圖

濾波電路和放大電路。濾波電路的帶寬為5～50 MHz，它集成在傳感器內(nèi)部。放大電路集成在數(shù)據(jù)采樣單元內(nèi)部，圖4為原理圖。

圖4 濾波電路和放大電路原理圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共有2個高速同步輸入通道，前置放大器具有100倍的放大倍數(shù)，帶寬為200 MHz，測量動態(tài)范圍－5～5 V，每通道采樣頻率500 MHz。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

直流供電電源及附屬單元。系統(tǒng)供電電源采用12 V／4000 mAh可充電鋰電池，內(nèi)部采用12 V／6 V，DC／DC轉(zhuǎn)換電路，外接抑制共模干擾的高頻電感線圈和濾波電路。設(shè)計有剩余電量指示電路，通過測量鋰電池兩端電壓的變化判斷電池的剩余電量，并在面板上用發(fā)光二極管顯示100%、75%、50%、25%。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

2.3 軟件功能

普測功能?？梢酝ㄟ^單通道模式工作，能夠?qū)ε渚W(wǎng)中安裝的大量開關(guān)柜進(jìn)行在線普查。

定位功能?？梢酝ㄟ^雙通道模式工作，能夠?qū)Σ⒘邪惭b的多面開關(guān)柜進(jìn)行局部放電源的在線定位。

3 現(xiàn)場測試及實例分析

3.1 實驗測試

在實驗室內(nèi)制造一個尖－板電極，置于一臺廢棄的低壓開關(guān)柜內(nèi)模擬局部放電的發(fā)生，并同時用脈沖電流測量裝置記錄局部放電量，測試結(jié)果如表1所示，可見系統(tǒng)能夠監(jiān)測出96 pC的放電。

表1 對比測試數(shù)據(jù)表

3.2 變電站實測及分析

變電站1測量。使用非侵入式高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測定位系統(tǒng)對某一變電站內(nèi)的35 kV開關(guān)柜進(jìn)行局部放電監(jiān)測，共進(jìn)行了22面開關(guān)柜的測試，測試結(jié)果為，背景噪聲水平低于1 mV，開關(guān)柜表面監(jiān)測水平均小于1 mV。

變電站2測量。使用非侵入式高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測定位系統(tǒng)對某一變電站內(nèi)的35面35 kV開關(guān)柜進(jìn)行監(jiān)測，測試結(jié)果為，背景噪聲水平低于1 mV，其中30面開關(guān)柜表面監(jiān)測水平均小于1 mV，3面開關(guān)柜表面監(jiān)測水平約為3 mV，初步診斷內(nèi)部存在輕微局部放電。

4 結(jié)語

積極總結(jié)和吸收國內(nèi)外高壓開關(guān)柜狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展基于地電波檢測法的非侵入式高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測定位研究，開發(fā)出便攜式高壓開關(guān)柜局部放電和定位系統(tǒng)，并加以推廣應(yīng)用，切實提高重要配電網(wǎng)絡(luò)中大量高壓開關(guān)柜的運行可靠性，確保高質(zhì)量的電力供應(yīng)。以該技術(shù)手段為基礎(chǔ)，可以制定和實施開關(guān)柜絕緣狀態(tài)和維修策略，促進(jìn)供電公司對開關(guān)柜的管理提升到一個新水平。基于地電波檢測法的高壓開關(guān)柜絕緣狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，功能齊備，安全可靠，推廣實施可有效提升供電公司關(guān)鍵配網(wǎng)設(shè)備的管理水平。

［1］任明，彭華東，陳曉清，等.采用暫態(tài)對地電壓法綜合檢測開關(guān)柜局部放電［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（10）：2460－2466.

［2］Neil Davies，Joe Cheung Yin TANG，Paul Shiel.Benefits and experiences of non－intrusive partial discharge measure ments onMV swithchgear ［C］∥CIRED 19th International Conference onElectricity Distribution.Vienna，Austria：CIRED，2007：0475

［3］鄭重，談克雄，高凱.局部放電脈沖波型特性分析［J］.高電壓技術(shù)，1999，25（4）：115－17.

［4］王玉峰，鄒積巖，廖敏夫.開關(guān)柜中電快速瞬變脈沖群耦合途徑的研究及電磁隔離［J］.電力自動化設(shè)備，2008，28（8）：102－105.

［5］Xiaodi Song，Chengke Zhou，Hepburn D M.An algorithm for indentifying the arrival time of PD pulses for PD source location［C］∥IEEE Conference on Electrical Insulation and DielectricPhenomena.Quebec City，Canada：IEEE，2008：31－34.