高壓開關柜局部放電檢測分析

【摘要】高壓開關柜的安全可靠運行直接影響整個變電站的供電可靠性，對開關柜進行局放檢測顯得尤為重要。本文主要分析了檢測高壓開關柜局部放電的TEV方法與超聲波方法的原理及檢測方法。利用TEV與超聲波相結合的方法進行了局部放電源的定位，經驗證該方法精確度較高，對局放檢測有一定的實用價值。

【關鍵詞】高壓開關柜；局部放電；TEV檢測；超聲波檢測

1.引言

目前，對開關柜設備局部放電（PD）的檢測方法主要有脈沖電流法（ERA）、射頻法（RF）、超聲法、超高頻法（UHF）、暫態(tài)對地電壓法（TEV）等。脈沖電流法可以測定出局部放電的一些基本量（如：視在放電量q、局部放電脈沖大小、數量與相位），該技術成熟、應用廣泛，但缺點是抗干擾能力差。射頻法和超高頻法可以實現開關柜局部放電的帶電檢測，但是不能給出局部放電量。超聲波法抗干擾能力強且可以很好的實現放電源的定位。暫態(tài)對地電壓（TEV）法作為一種帶電檢測技術，具有靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，因此逐步在國內變電站推廣使用[1]。本文分析了TEV及超聲檢測的原理，并自制TEV傳感器，在實驗室，搭建基于TEV與超聲波檢測的實驗平臺，通過示波器利用時間差法實現了局部放電源的精確定位。

2.TEV檢測法的原理

2.1 暫態(tài)對地電壓（TEV）

高壓電氣設備發(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，形成對地電流在設備表面金屬上傳播。對于內部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內表面，屏蔽連續(xù)時在設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到設備屏蔽外殼[2]。因此，局部放電產生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊傳出，并沿著設備金屬箱體外表面繼續(xù)傳播，同時對地產生一定的暫態(tài)電壓脈沖信號，該現象由Dr.John Reeves在1974年首先發(fā)現，并將其命名為暫態(tài)對地電壓。

2.2 TEV技術基本原理

一般來說單芯10kV電纜的阻抗約為10Ω，35kV的金屬外殼母線室的阻抗則約為70Ω，電纜或母線室發(fā)生局部放電產生持續(xù)10us的約100mA的弱電脈沖電流時，在金屬外殼上會出現1～7V的對地電壓。電壓、電流脈沖沿開關柜金屬外殼的內表面?zhèn)鞑?，遇開口、接頭、蓋板等處的縫隙傳出設備，再沿著金屬外殼的外表面?zhèn)鞑ブ链蟮?。目前TEV法檢測設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。現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，在該方法中測試結果采用相對讀數來表示。在局部放電過程中，局部放電信號在設備的金屬封閉殼體上產生一個瞬時對地電壓，可通過電容耦合傳感器對其進行測量，得出局部放電的幅值和放電脈沖頻率等參數。

3.超聲波檢測原理

發(fā)生局部放電時，在放電的區(qū)域中，分子產生劇烈的撞擊，宏觀上產生了聲音，我們把頻率大于20KHz的稱為超聲波。開關柜發(fā)生局部放電等缺陷時，其超聲波發(fā)射頻譜集中在20～100KHz。局部放電產生的超聲波信號通過安裝在柜體外壁的傳感器接收，即超聲波要從放電源傳播到測量點才能被檢測到，聲波在傳播中要衰減，頻率越大，衰減越嚴重。超聲波傳感器的檢測范圍在很大程度上取決于其使用的波長和頻率[3]。結合聲波和周圍環(huán)境中噪聲的特點，我們選擇的傳感器為中心頻率約為40KHz的接觸式傳感器，其具有較寬的檢測帶寬，使用超聲耦合劑，增設60dB前置放大器，配合數字濾波器組成超聲波檢測電路具有較高的靈敏度，圖2為放電源距離傳感器30cm時超聲波傳感器接收到的針板放電局部放電的超聲波信號圖。

4.開關柜局部放電實驗平臺及局部放電信號檢測

為了系統(tǒng)的研究開關柜中的局部放電，本文在開關柜試驗平臺上建立了一套基于TEV與超聲波相結合的局部放電檢測系統(tǒng)。

4.1 試驗原理圖

如圖2所示，工頻高壓由YDTW15/150KV無暈工頻高壓試驗變壓器提供，高壓的輸出端串聯一個10kΩ的保護電阻，以免試品擊穿后電流過大損害變壓器。C0為試驗用的耦合電容器，Cx為裝有針板放電模型的開關柜試品如圖5，TEV傳感器接示波器的CH1通道，超聲傳感器通過前置放大器之后在接示波器。其中TEV傳感器為自己研制的傳感器，其原理近似于耦合電容傳感器，超聲傳感器為接觸式超聲傳感器，傳感器中心頻率為40KHZ，檢測頻帶比較寬，可以在寬頻帶范圍內研究局部放電超聲波信號，前置放大器其增益最大可調為60dB。經前置放大器處理的信號被傳輸到示波器。示波器采用YOKOGAWA的DL1540L型8位數字示波器。試驗時，單次采樣時間長度為一個工頻周期，即20ms；采樣率為5MS/s。示波器的4個通道分別采集超聲信號與TEV信號。其中TEV信號作為觸發(fā)用以控制信號采集起始時刻，還可以方便觀察TEV信號與超聲信號的時間差，便于局部放電源的定位。

4.2 局放TEV及超聲波信號檢測

在局部放電超聲波檢測和定位中，超聲波信號的識別和聲波在不同介質中的傳播速度、衰減情況對提高檢測的精度有非常重要的作用。我們在開關柜內設置針板放電模型如圖3所示，模擬接近真實的放電環(huán)境進行實驗，得出的結論更有實用性和參考價值。將TEV傳感器吸附在開關柜體外壁上，超聲波傳感器用耦合硅膠貼在柜外壁，并用膠帶固定保持一定的壓力，接好檢測電路，當所加電壓達到5kV時，有局部放電產生，隨著電壓的升高，當所加電壓達到約6kV時，放電較為明顯并伴隨有明顯的“滋滋”聲，移動傳感器位置，并用四通道示波器觀察輸出脈沖信號。由于超聲波在空氣中衰減較?。?0KHz的超聲波常溫衰減為0.98dB/m），空氣中得到的檢波脈沖信噪比較好。如圖3所示，分別為TEV傳感器（通道1）和超聲傳感器（通道2）接收到的信號，其中TEV傳感器接收到的信號為觸發(fā)信號。通道2顯示的最左端較平滑的超聲波脈沖與TEV傳感器接收到的電信號之間有一定的時間差。移動超聲波傳感器位置，改變放電源和超聲波傳感器之間的距離，觀察隨著放電源和傳感器之間距離的縮小，輸出超聲波脈沖會左移而靠近電脈沖信號，隨距離的增大，超聲脈沖右移而遠離電脈沖。

由于聲音反射以及通過不同介質傳播，各種介質中的衰減強度和傳播速度不一樣，所以觀察到的超聲波脈沖沒有電脈沖信號平滑。觀察到的脈沖，還與傳感器和放電源的位置角度有關，在一定的角度時，超聲波發(fā)生全反射而接收不到。如圖4所示，局部放電產生的超聲波在空氣中會沿不同方向傳播，遇到柜體內壁會發(fā)生反射和吸收，傳播過程中也會有不同程度的衰減。我們在不同位置設置超聲傳感器，分別觀察示波器輸出脈沖。路徑1，即超聲信號以在空氣中最短的路徑傳播到鐵柜內壁，再穿過鐵皮到傳感器。路徑2為超聲波從放電源通過空氣直接到傳感器位置，穿過鐵皮進入傳感器。由于超聲波在空氣和鐵中的衰減情況和傳播速度不一樣，接收到的信號也有差異。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，鐵中大約為6000m/s，空氣中衰減為0.98dB/m （50Hz），鐵中21.5dB/（10MHz），衰減隨頻率的增加而增大。經試驗獲得的路徑1與路徑2的超聲波波形圖如圖5、圖6所示。由于空氣比鐵中衰減小速度小，所以有試驗結果圖可見路徑2接收到的脈沖幅值比路徑1大，距離TEV脈沖的時間差也比路徑1大。由此可見我們在定位時取超聲在介質中的傳播速度時，應該考慮傳播速度的衰減[4-5]，盡可能減少定位的誤差。

5.結論

通過模擬基本真實的高壓開關柜局部放電檢測環(huán)境，搭建實驗平臺，獲得了放電的TEV及超聲波檢波輸出脈沖。通過對超聲波傳播路徑及超聲傳播衰減的分析，得出傳播速度的衰減對精確定位有一定的影響，對局部放電檢測有一定的實踐意義和參考價值。實驗中觀察到，超聲傳感器距離放電源較遠時，信噪比還比較好，若選用靈敏度更高、接受面積大的超聲波傳感器，還可以提高檢波電路的性能及定位的精度。

參考文獻

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