基于多種檢測方法的設(shè)備狀態(tài)綜合帶電檢測研究

于輝 周明振 葉飛

【摘要】 電力設(shè)備局部放電作為危及設(shè)備健康與壽命的一大因素越來越得到人們的重視，并得到了廣泛的研究。本文總結(jié)了當(dāng)前主要的幾種局部放電檢測技術(shù)原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別是特高頻局部放電檢測、暫態(tài)地電波檢測技術(shù)與超聲波檢測技術(shù)，并重點(diǎn)介紹了不同方法下傳感器的特性與使用方法。最后對各種檢測技術(shù)的適用條件進(jìn)行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】 局部放電 傳感器 特高頻檢測法 超聲波檢測法 暫態(tài)地電波檢測法

一、背景與意義

高壓電氣設(shè)備在運(yùn)行中由于絕緣劣化會發(fā)生局部放電現(xiàn)象，這種放電不斷蔓延和發(fā)展，會引起絕緣的損傷，如果任其發(fā)展則會導(dǎo)致絕緣喪失介電性能而造成事故。通過檢測事故潛伏期電氣設(shè)備的局部放電特性，對放電點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，及時對其進(jìn)行處理，可以有效地預(yù)防高壓電氣設(shè)備故障，防患于未然。

目前局部放電的檢測方法主要有超高頻法（UHF）、超聲波法（AE）以及暫態(tài)地電波法（TEV）等等。上述局部放電檢測方法在GIS、變壓器、開關(guān)柜、電纜以及絕緣子的局部放電檢測中得到了廣泛應(yīng)用，但對于綜合帶電檢測來說，由于檢測狀態(tài)量較多，多局放傳感器模塊技術(shù)的研究，對于確立一種有效的全面局部放電檢測規(guī)范來說是很有意義的。

二、TEV+超聲波的開關(guān)柜檢測

2.1試驗(yàn)原理圖

如圖1所示，工頻高壓由YDTW15/150KV無暈工頻高壓試驗(yàn)變壓器提供，高壓的輸出端串聯(lián)一個10kΩ的保護(hù)電阻R。Ck為試驗(yàn)用的耦合電容器，Zm為德國LDIC公司LDS-6局部放電檢測儀配套檢測阻抗，可以輸出視在放電量和電壓相位信號，對局部放電的放電量進(jìn)行標(biāo)定。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。經(jīng)前置放大器處理的信號輸入到示波器。

在開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置針板，將TEV傳感器吸附在開關(guān)柜體外壁上，超聲波傳感器用超聲耦合劑貼在柜外壁。示波器的4個通道分別采集超聲信號、TEV信號、實(shí)驗(yàn)電壓相位信號及檢測阻抗信號。其中TEV信號作為觸發(fā)用以控制信號采集起始時刻，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。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

針板放電放電初期，所加電壓約為8kV，放電量約為50pC，放電集中在負(fù)半周電壓峰值處，正半周幾乎沒有放電現(xiàn)象。隨著電壓的升高，當(dāng)所加電壓達(dá)到約12kV時，伴隨有明顯的“滋滋”聲，此時放電量約為1000pC，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2.3所示。由圖中可看出此時放電幾乎全部集中在正半周電壓峰值處，幅值明顯高于負(fù)半周。這是由于針板放電系統(tǒng)在放電初期，針尖附近場強(qiáng)最大而發(fā)生放電，由于負(fù)極性時容易發(fā)射電子，同時正離子撞擊陰極發(fā)生二次電子發(fā)射，使得放電在負(fù)極性時最先出現(xiàn)，放電脈沖出現(xiàn)在外加電壓負(fù)半周90°相位附近；隨著電壓升高，正半周90°相位附近出現(xiàn)少量幅值大而數(shù)量少的放電脈沖。TEV信號的幅值可達(dá)0.2V，且TEV信號出現(xiàn)的位置均為負(fù)半波電壓峰值處，與放電初期檢測阻抗檢測的信號出于同一電壓相位，說明該方法檢測局放的準(zhǔn)確性。

2.3局部放電源的定位

由于電磁波傳播速度遠(yuǎn)大于聲波速度，可認(rèn)為電磁波從放電源到傳感器沒有時延，而聲信號到達(dá)不同位置的超聲波傳感器時存在不同的時延。TEV信號與超聲波聲信號有較明顯的時間差，因此可以采用TEV與超聲波相結(jié)合的聲電聯(lián)合法對局部放電源進(jìn)行定位。

以TEV信號作為時間基準(zhǔn)，選擇四個超聲波傳感器A1、A2、A3、A4，利用超聲波信號與TEV信號的時間差Ti作為放電源P（x，y，z）到各傳感器Si （ xi，yi，zi）的傳播時間，以等值聲速v乘以延遲時間Ti得到放電源到傳感器的空間距離vTi，由此可以建立球面坐標(biāo)方程：

取四個或者更多的超聲傳感器，這樣便可以建立一個非線性的超定方程組。通過采用牛頓迭代法和最小二乘法解該方程組，便可以得到一組最優(yōu)解，獲得放電源P（x，y，z）的坐標(biāo)。

三、UHF+超聲波的開關(guān)柜檢測

3.1超高頻法（UHF）

超高頻局部放電檢測法通過接收柜體內(nèi)局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波，實(shí)現(xiàn)局放的檢測和定位。它可在設(shè)備不停電的情況下進(jìn)行設(shè)備安裝，并對設(shè)備狀況進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，具有極強(qiáng)的抗干擾能力和較高的靈敏度。

3.1.1 UHF局部放電檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

局部放電超高頻檢測系統(tǒng)硬件部分主要由超高頻天線傳感器、信號調(diào)理單元、高頻同軸電纜、數(shù)據(jù)采集卡、以及裝有虛擬儀器系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成，其中數(shù)據(jù)采集卡裝在工控機(jī)或計(jì)算機(jī)的PCI總線接口上。超高頻傳感器采用阿基米德雙臂螺旋天線，選擇天線的下限截止頻率為500MHz，天線的上限截止頻率為1500MHz。放大器增益設(shè)計(jì)為40dB。

3.1.2 UHF局部放電模型設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜中引起放電故障的缺陷主要包括如下幾個方面：導(dǎo)體、外殼內(nèi)表面上的金屬突起；高壓柜體內(nèi)可以移動的自由金屬微粒；固體絕緣中的空氣隙缺陷；支持絕緣子表面污穢；高壓母線連接處及斷路器觸頭接觸不良；開關(guān)元件內(nèi)部放電缺陷等。本文設(shè)計(jì)并制作了針板放電、內(nèi)部放電和懸浮放電三種典型放電模型。

3.1.3 UHF局部放電回路

圖 2為局部放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中試品置于開關(guān)柜內(nèi)部，柜頂裝有10kV穿墻套管，試驗(yàn)變壓器輸出的高壓引線經(jīng)穿墻套管引至柜體內(nèi)的高壓電極端，柜體可靠接地。傳感器用永久磁鐵吸附在柜體內(nèi)壁上，距離放電模型40cm。

T1-調(diào)壓器 T2-隔離變壓器 T3-高壓試驗(yàn)變壓器 Z-保護(hù)電阻 Cx-試品

3.2局部放電源的定位

該原理等同于TEV與超聲波相結(jié)合的放電定位原理，可參考2.2.3章節(jié)，在此不予復(fù)述。

四、總結(jié)

TEV、UHF、超聲波檢測在變電站設(shè)備局放檢測中都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，而通過彼此相結(jié)合的方法對同一放電源的放電情況的判定，能夠有效地克服傳統(tǒng)檢測方法的不足及單一檢測方法的局限性，聲電聯(lián)合技術(shù)可以檢測不同類型的局部放電，現(xiàn)場檢測過程無需改變開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，不需要提供高壓試驗(yàn)源，相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)可以有效判定開關(guān)柜的運(yùn)行狀況，從而為開關(guān)柜的狀態(tài)檢修提供技術(shù)依據(jù)，在某種程度上可以取代傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗(yàn)，對開關(guān)柜的狀態(tài)檢修具有重要的實(shí)際意義，可以有效提高電網(wǎng)的供電可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]郭俊、吳廣寧.局部放電檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào).2005（20）：

[2]吳廣寧.大型發(fā)電機(jī)故障放電在線監(jiān)測及診斷技術(shù)[M].西南交通大學(xué)出版社.2001.

[3]王昌長，李福琪，高勝友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測和故障診斷[M].清華大學(xué)出版社.2006.03.

[4]阮羚，鄭重，高勝友等.寬頻帶局部放電檢測與分析辨識技術(shù)[J].高電壓技術(shù)，2010，36（10）：2473-2477.

[5]邱毓昌、羅俊華等.局部放電檢測用寬頻帶電流傳感器的探討[J].高壓電器.2001.02.

[6]胡偉濤.聲電聯(lián)合技術(shù)檢測GIS局部放電的試驗(yàn)[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（2）：57-64.

[7]蘭國良，劉輝，鄭濤等.特高頻和超聲波局部放電綜合檢測技術(shù)的應(yīng)用[J].廣西電力，2012，35（2）：33-36.