高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測研究

蒙 恩 徐 文 黃海龍 侯瑞云

(1.廣西電網(wǎng)公司北海供電局，廣西 北海 536000；2.南京新聯(lián)電力自動化有限公司，江蘇 南京 211100)

高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測研究

蒙 恩1徐 文2黃海龍2侯瑞云2

(1.廣西電網(wǎng)公司北海供電局，廣西 北海 536000；2.南京新聯(lián)電力自動化有限公司，江蘇 南京 211100)

首先對高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測的意義進(jìn)行了闡述，接下來分析了局部放電的幾種主要類型及形成原因，隨后從軟硬件研究選擇及算法等方面論述了在線監(jiān)測的原理與方法，并在此基礎(chǔ)上提出了在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方式，該在線監(jiān)測系統(tǒng)對電網(wǎng)安全有著較重要的實(shí)際意義。

高壓開關(guān)柜；絕緣；在線監(jiān)測；局部放電

0 引言

在電力系統(tǒng)的各種設(shè)備中，高壓開關(guān)柜是非常昂貴且重要的電氣設(shè)備。高壓開關(guān)柜安全運(yùn)行對于電網(wǎng)安全意義重大。高壓開關(guān)柜內(nèi)部絕緣部分的缺陷或劣化、導(dǎo)電連接部分的接觸不良等都會使其安全運(yùn)行受到威脅，從而直接影響電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全國電力系統(tǒng)6～10 kV開關(guān)柜事故統(tǒng)計(jì)中，絕緣和載流引起的故障占總數(shù)的40%，其中由于絕緣部分閃絡(luò)造成的事故占絕緣事故總數(shù)的79%。由于在事故潛伏期可能有局部放電現(xiàn)象，故可以通過局部放電的在線監(jiān)測得到相關(guān)信息，來分析開關(guān)柜內(nèi)部的絕緣情況。

1 高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測的意義

高壓開關(guān)柜的內(nèi)部設(shè)備元件、支撐絕緣子、母線是到現(xiàn)場后才裝進(jìn)開關(guān)柜中的，也只有在現(xiàn)場組裝完成后才能夠進(jìn)行試驗(yàn)。但是如果在現(xiàn)場進(jìn)行高電壓耐壓試驗(yàn)或局部放電試驗(yàn)，比起在工廠里要困難得多。高電壓設(shè)備往往集成度較高，一旦發(fā)生了事故，其危害比起過去分立敞開式設(shè)備故障的危害要大得多，一個(gè)設(shè)備部件故障又會危及與之相鄰的設(shè)備部件，維修周期也要長得多。另外，開關(guān)柜產(chǎn)品越來越緊湊，導(dǎo)致絕緣裕度隨之減小，尤其在南方，夏季空氣比較悶熱潮濕，易造成內(nèi)部絕緣部件的表面爬電，而且這種缺陷很難在柜體外面被人感覺到，近幾年來就發(fā)生多起開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備表面爬電的故障，因此非常有必要對高壓開關(guān)柜設(shè)備絕緣狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測。

目前，高壓開關(guān)柜內(nèi)部的故障檢測一般都是在停電狀態(tài)下才能夠進(jìn)行，而實(shí)施在線監(jiān)測的比較少。由于各種原因，高壓開關(guān)柜常常不能按照要求周期性地停電進(jìn)行檢測維修，導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)部的元件處于監(jiān)測的盲點(diǎn)，部分元件存在失修及失控的問題，給高壓開關(guān)柜的運(yùn)行帶來巨大的隱患，嚴(yán)重威脅供電安全。而且在兩次周期性檢修之間，高壓開關(guān)柜內(nèi)部也依然處于監(jiān)控的盲點(diǎn)，其運(yùn)行情況我們無法得知，無法判斷那些潛在的隱患。設(shè)備一旦發(fā)生故障無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將有可能發(fā)展成為重大事故，嚴(yán)重威脅有關(guān)人員及供電安全。開關(guān)柜的元件又全部安裝在開關(guān)柜內(nèi)部，巡視人員無法觀察到開關(guān)柜內(nèi)部的情況，所以高壓開關(guān)柜的在線監(jiān)測系統(tǒng)就顯得尤其重要了。

由于在事故潛伏期間設(shè)備元件可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，故可以通過對放電信號的監(jiān)測來得到相關(guān)信息。局部放電一般不會引起絕緣介質(zhì)的貫通性擊穿，但是能夠?qū)е码娊橘|(zhì)的局部損壞。局部放電的長期存在可能造成絕緣介質(zhì)電氣強(qiáng)度的降低。局部放電對絕緣設(shè)備的破壞是一個(gè)比較緩慢的發(fā)展過程，對高壓電氣設(shè)備來說是一種潛在的威脅，所以測量局部放電特性可以反映設(shè)備的絕緣水平，是對高壓開關(guān)柜進(jìn)行在線監(jiān)測的一種有效方法。

2 高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測

2.1 局放類型

2.1.1 電暈放電

通常在氣體包圍的高壓導(dǎo)體周圍會出現(xiàn)電暈放電，比如高壓輸電線路或高壓變壓器等，這些高壓電氣設(shè)備的高壓接線端子暴露在空氣中，因此發(fā)生電暈放電的幾率相對較大。電暈放電體現(xiàn)出的是典型的、極不均勻電場的特征，也是極不均勻電場下特有的自持放電形式。很多外界因素均會對電暈起始電壓產(chǎn)生影響，比如電極的形狀、外加電壓、氣體密度、極間距離以及空氣濕度與流動速度等。

2.1.2 沿面放電

通常在絕緣介質(zhì)表面會出現(xiàn)沿面放電的現(xiàn)象。這種局部放電的形式屬于特殊的氣體放電現(xiàn)象，電力電纜、絕緣套管的端部等位置比較常見沿面放電。一旦介質(zhì)內(nèi)部電場的強(qiáng)度低于電極邊緣氣隙的電場強(qiáng)度，而且介質(zhì)沿面擊穿電壓相對較低，沿面放電就會發(fā)生在絕緣介質(zhì)的表面。通常電壓波形、電場的分布、空氣質(zhì)量、介質(zhì)的表面狀態(tài)、氣候條件等均會對沿面放電電壓產(chǎn)生影響，所以沿面放電表現(xiàn)出不穩(wěn)定的特點(diǎn)。

2.1.3 內(nèi)部放電

固體絕緣介質(zhì)內(nèi)部比較常見內(nèi)部放電。在生產(chǎn)加工絕緣介質(zhì)時(shí)難免存在材料與工藝缺陷等問題，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)部缺陷，比如摻入少量的空氣或者雜質(zhì)等。一旦絕緣受到高壓作用，內(nèi)部缺陷就有發(fā)生局部擊穿或者重復(fù)性擊穿的可能。通常介質(zhì)自身的特性、氣隙大小、缺陷的位置與形狀、氣隙氣體的種類等會對內(nèi)部放電的發(fā)生條件產(chǎn)生影響。

2.1.4 懸浮電位放電

這種局部放電的形式是指高壓設(shè)備中某個(gè)導(dǎo)體部件存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，或者其他原因?qū)е陆佑|不良、斷開，最終造成該部件位于高壓電極與低壓電極之間，并根據(jù)其位置的阻抗比獲得分壓發(fā)生放電，針對該導(dǎo)體部件上的對地電位稱其為懸浮電位。導(dǎo)體具有懸浮電位時(shí)，通常其附近的場強(qiáng)會比較集中，而且會破壞四周絕緣介質(zhì)的形成。一般在電氣設(shè)備內(nèi)高電位的金屬部件或者處于低電位的金屬部件上容易發(fā)生懸浮電位放電。

2.2 開關(guān)柜及電纜局部放電的類型

開關(guān)柜和電纜的局部放電主要為2種：表面放電和內(nèi)部放電。表面放電和內(nèi)部放電都能夠?qū)е略O(shè)備的絕緣故障，甚至造成災(zāi)難性后果。

開關(guān)柜及電纜主要放電情況如表1所示。

表1 開關(guān)柜及電纜主要放電情況

2.2.1 環(huán)境條件影響

(1) 溫度過高或過低。當(dāng)開關(guān)長期在溫度過高的環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，易使開關(guān)的絕緣材質(zhì)老化，從而降低絕緣水平。溫度過低容易使開關(guān)的絕緣瓷瓶和真空筒變脆，在開關(guān)合閘或分閘的過程震裂，造成開關(guān)短路或爆炸。(2) 絕緣表面積污。污穢物在絕緣表面的沉積有2種形式：降塵和飄塵，室內(nèi)設(shè)備主要受飄塵的影響，污穢不僅影響絕緣的工頻耐壓特性，而且還會使絕緣沖擊性能大大降低。(3) 潮濕。在干燥的時(shí)候絕緣表面雖有污穢但電阻很高，不會發(fā)生污閃；受潮后污穢層電解質(zhì)逐漸分解并在絕緣表面形成一層薄薄的導(dǎo)電液膜，使電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度大大下降，甚至產(chǎn)生污閃。

2.2.2 設(shè)備本身原因

(1) 制造質(zhì)量及工藝不良。制造質(zhì)量及裝配質(zhì)量對開關(guān)柜整體耐壓水平有很大的影響。如開關(guān)柜內(nèi)的有些元件可以通過耐壓試驗(yàn)，但開關(guān)柜整體卻通不過，原因是裝配質(zhì)量差，如：緊周螺絲不規(guī)則，擰緊后螺桿長出螺母過多；在絕緣瓷套處作特殊處理，這樣不僅縮短了絕緣距離，而且造成電場局部集中；支持瓷柱或瓷套質(zhì)量差，穩(wěn)定性能差，在短路電流沖擊下發(fā)生斷裂，造成事故擴(kuò)大。(2) 接點(diǎn)容量不足或接觸不良，發(fā)熱導(dǎo)致開關(guān)柜起火。當(dāng)接點(diǎn)容量不足或接觸不良時(shí)，該處局部溫度升高，嚴(yán)重時(shí)燒斷該處載流部分，引起對地或相間閃弧，造成絕緣閃絡(luò)。(3) 爬距及空氣間隙不夠。爬距及空氣間隙不夠是開關(guān)柜發(fā)生絕緣損壞事故的根本原因。特別是手車柜，為縮短柜體尺寸，生產(chǎn)單位往往大幅減小裝于柜內(nèi)的斷路器、隔離插頭相間距離或?qū)Φ鼐嚯x，未采取有效的保證絕緣強(qiáng)度的措施。

2.3 局放監(jiān)測基本原理

當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，會產(chǎn)生一定的局放脈沖。通過傳感器實(shí)時(shí)在線采集開關(guān)柜內(nèi)部局放信號的主要特征量，包括局放脈沖次數(shù)n、脈沖幅值Ui和脈沖能量PDI，形成趨勢曲線圖，通過和特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較分析判斷開關(guān)柜的絕緣狀況。PDI可作為判斷絕緣損壞程度的重要參數(shù)，其可表示為以下公式：

式中，T為測量時(shí)間；S為局放傳感器靈敏度；n為脈沖次數(shù)；Ui為脈沖幅值；Vr為被監(jiān)控設(shè)備額定電壓。

2.3.1 頻率帶寬的選擇

研究設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)的頻域特性發(fā)現(xiàn)，頻寬范圍達(dá)到了數(shù)十千赫到數(shù)百兆赫。頻率與局放信號的傳送距離如圖1所示。

圖1 同一局放事件在不同距離的頻率截止點(diǎn)

由圖1可見，我們設(shè)定系統(tǒng)在1～20 MHz的較低無線頻率帶寬上運(yùn)行。研究發(fā)現(xiàn)采用80 pF的電容傳感器采集局放信號，其等效電路的下限截止頻率在40 MHz左右，而干擾信號分量一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該頻率，因此采用80 pF的電容傳感器，信號的信噪比較高，可以避免誤警現(xiàn)象。而且電容容量小，傳感器的體積小，容易安裝且壽命高，保證了被測試系統(tǒng)的安全性和可靠性。

在此基礎(chǔ)上，還可采用射頻電流互感器從電纜屏蔽線上拾取高頻放電信號，以發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜饋線內(nèi)部放電現(xiàn)象。射頻電流互感器監(jiān)測的工作原理和射頻干擾場強(qiáng)儀相同，可以選擇測量的中心頻率和頻帶寬度為1～20 MHz，其輸出端連接報(bào)警裝置。當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，其放電電流信號通過中性點(diǎn)接地線流向接地點(diǎn)，通過高頻電流互感器耦合到監(jiān)測回路，射頻可以監(jiān)測到局部放電信號的強(qiáng)弱。由于所有的局放信號都會經(jīng)過中性線，所以可以監(jiān)測到整個(gè)范圍內(nèi)的局部放電。

在1～20 MHz的PD測量頻率范圍，不僅可識別更多的局部放電，且較高的帶寬可以漏掉，信號的衰減要低得多，可以使PD檢測的距離更大，即使有可能是在此范圍內(nèi)的干擾，也可采用先進(jìn)的噪音過濾軟硬件解決這一問題。

2.3.2 抗干擾性研究

局部放電在線監(jiān)測中，現(xiàn)場會引入大量的干擾，特別是1～20 MHz寬頻帶監(jiān)測，由于采用了寬達(dá)數(shù)兆的頻帶，信號的靈敏度比窄帶系統(tǒng)和常規(guī)寬帶系統(tǒng)要高，但引入的干擾也多，信噪比要低。但頻率越高，噪音越低，衰減得越快。所以研究內(nèi)噪聲的算法，以彌補(bǔ)在這一水平上的噪聲產(chǎn)生的干擾，同時(shí)保持一個(gè)可接受的衰減程度。因此，有效地抑制各種干擾，從強(qiáng)干擾中提取出局部放電信號，是系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵所在。

根據(jù)干擾的時(shí)域特征，干擾分為周期性窄帶干擾、白噪聲干擾、周期性脈沖干擾和隨機(jī)脈沖干擾。在干擾抑制方面除采用常規(guī)算法外，還采用小波理論(用于邊界的處理與濾波、時(shí)頻分析、信噪分離與提取弱信號、求分形指數(shù)、信號的識別與診斷以及多尺度邊緣偵測)、自適應(yīng)濾波等算法對各種干擾進(jìn)行了相應(yīng)的處理。例如，對于窄帶周期性干擾，研究了基于小波分解的自適應(yīng)濾波算法，提高了自適應(yīng)濾波算法的抗干擾性能和穩(wěn)定性；對于白噪聲，研究了基于小波與隱式馬爾科夫模型(其狀態(tài)不能直接觀察到，但能通過觀測向量序列觀察到，每個(gè)觀測向量都是通過某些概率密度分布表現(xiàn)為各種狀態(tài)，每一個(gè)觀測向量是由一個(gè)具有相應(yīng)概率密度分布的狀態(tài)序列產(chǎn)生)的局部放電信號去噪算法，對比傳統(tǒng)的門限去噪算法，該算法能獲得更高的信噪比；對于脈沖干擾，特別是隨機(jī)脈沖干擾，在大量測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的干擾抑制算法研究，采用信號的時(shí)域和頻域特征，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抑制隨機(jī)干擾，取得了很好的效果。在抑制單一干擾的基礎(chǔ)上，研究了基于小波空間屏蔽濾波的局部放電信號處理算法，利用小波空間屏蔽濾波器，進(jìn)一步保留局放信號，抑制干擾，使得最后的信號信噪比大大提高，為局放信號的特征識別提前打下基礎(chǔ)。

所以，在硬件上，采用多級傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步采集，將潛在噪聲源納入測試分析系統(tǒng)；在軟件上，采用多個(gè)噪聲算法，根據(jù)在高頻范圍內(nèi)局放脈沖與噪聲脈沖之間在頻率特性和靈敏度方面存在的差別來區(qū)分噪聲，使局部放電信號更為清晰。

2.3.3 局放界限設(shè)定

開關(guān)柜(10 kV)局放界限的設(shè)定如表2所示。

表2 開關(guān)柜(10 kV)局放界限設(shè)定表

在實(shí)際監(jiān)測過程中，趨勢曲線分析比絕對數(shù)值分析重要得多。通常來說，每一個(gè)周期的脈沖數(shù)(PPC)的權(quán)重至少應(yīng)該比電量(Q)大50%。所有數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系應(yīng)該被看作或，而不是和。例如，開關(guān)設(shè)備/母線槽，電量是500 pC，但每一個(gè)周期的脈沖數(shù)是500，則應(yīng)該被劃分為危險(xiǎn)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，共分3層：設(shè)備及傳感器層、監(jiān)測預(yù)警設(shè)備層和分析診斷層。傳感器分布安裝在被監(jiān)測設(shè)備上，實(shí)時(shí)采集電氣設(shè)備的局放脈沖信號，并傳輸?shù)介g隔層的監(jiān)測設(shè)備中用于分析，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

開關(guān)柜的監(jiān)測采用耦合電容傳感器(IPDS)，安裝在每相的母線和地之間，主要監(jiān)測開關(guān)室的局部放電情況，包括母線、PT/CT、斷路器、套管等。分析軟件可以定位以傳感器為中心的局放分布情況，從而比較準(zhǔn)確地檢測到故障點(diǎn)位置。

對有電纜饋線的開關(guān)柜，在電纜出線端安裝射頻電流互感器傳感器，穿過電纜接地屏蔽線采集電纜局放信號，可以監(jiān)測最長300 m的電纜局放情況。

傳感器通過同軸電纜將信號傳送至預(yù)警設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集裝置，采集裝置在將數(shù)據(jù)分析、存儲、處理后通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳送至電腦，進(jìn)行軟件處理分析。

4 結(jié)論

通過監(jiān)測高壓開關(guān)柜內(nèi)部元件局部放電信息，可以有效、直觀地反映開關(guān)柜內(nèi)部絕緣狀況，不僅能有效防止災(zāi)難性故障的發(fā)生，而且使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)維成本得到了最佳控制，所以，基于局部放電技術(shù)監(jiān)測開關(guān)柜絕緣狀況非常重要。本文主要工作結(jié)論如下：(1) 通過對局部放電特性的研究和開關(guān)柜內(nèi)部絕緣劣化局放特性，分析了反映開關(guān)柜絕緣信息的局部放電三要素，通過監(jiān)測、分析局放脈沖次數(shù)、脈沖幅值和脈沖能量，可直接反映開關(guān)柜的絕緣狀況。(2) 研究了開關(guān)柜內(nèi)部局放信號的頻率特性，通過選擇1～20 MHz寬頻帶傳感器，可以高效合理地采集到可用的局放信號。(3) 通過不同算法提高系統(tǒng)的抗干擾能力，分別從軟件和硬件上分析處理，來提高局放信號的信噪比。(4) 搭建局放監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)具備可行性。

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2014-06-03

蒙恩(1980—)，男，廣西南寧人，工學(xué)碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行及管理、高電壓技術(shù)。