提高TEV法發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜局部放電缺陷能力的研究

李新星，楊海波，韓 濤

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司臨汾供電公司，山西 臨汾 041000）

提高TEV法發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜局部放電缺陷能力的研究

李新星，楊海波，韓 濤

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司臨汾供電公司，山西 臨汾 041000）

提出基于暫態(tài)地電壓（TEV）原理的開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)已開(kāi)展多年，仍存在較大幾率的缺陷漏檢。特別是隨著近一段時(shí)間臨汾地區(qū)若干起開(kāi)關(guān)柜嚴(yán)重事故的發(fā)生，闡述了在實(shí)踐中如何更好地應(yīng)用TEV法成為急需研究的問(wèn)題。介紹了TEV的產(chǎn)生機(jī)理、方法特點(diǎn)，分析了TEV幅值與局部放電源的關(guān)系、開(kāi)關(guān)柜表面TEV幅值的分布。同時(shí)，從檢測(cè)方法、數(shù)據(jù)管理、缺陷判斷等多個(gè)方面，探討了TEV法在開(kāi)關(guān)柜局電放電檢測(cè)中的具體應(yīng)用，達(dá)到提高發(fā)現(xiàn)缺陷能力的目的。

開(kāi)關(guān)柜；暫態(tài)地電壓；局電放電檢測(cè)

為提高供電的可靠性、安全性，10 kV、35 kV金屬封閉式開(kāi)關(guān)柜在電力系統(tǒng)的各個(gè)變電站得到廣泛應(yīng)用。開(kāi)關(guān)柜的可靠性直接決定了用戶供電的可靠性，是城市配網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備。

開(kāi)關(guān)柜的數(shù)量眾多且造價(jià)較低，因而不可能像變壓器、GIS等設(shè)備實(shí)現(xiàn)全面、實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)。預(yù)防性試驗(yàn)的周期較長(zhǎng)，在兩次試驗(yàn)間隔之間發(fā)展的缺陷存在很大的安全隱患。隨著供電可靠性的要求不斷提高，通過(guò)帶電檢測(cè)來(lái)監(jiān)視開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)越來(lái)越重要。

1 局部放電

局部放電是指發(fā)生在電極之間但并未貫穿電極的放電，一般是由于絕緣體內(nèi)部或絕緣表面局部電場(chǎng)特別集中而引起的。這種放電的能量很小，短時(shí)的存在不會(huì)影響到設(shè)備的絕緣。但如果局部放電在運(yùn)行電壓下不斷地發(fā)生，會(huì)產(chǎn)生累積效應(yīng)，使得設(shè)備的絕緣逐漸劣化，局部缺陷不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致絕緣擊穿發(fā)生事故。

局部放電主要有以下幾種類(lèi)型。

a）內(nèi)部放電。絕緣材料內(nèi)部存在氣隙、雜質(zhì)等，使得電場(chǎng)分布不均勻。通常氣隙、雜質(zhì)的介電系數(shù)比絕緣材料低，其分擔(dān)的電壓高，在電壓峰值處間歇性擊穿發(fā)生內(nèi)部局部放電。實(shí)際的正、負(fù)半周放電圖形不是完全對(duì)稱(chēng)的，與放電的電極系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

b）表面放電。在電場(chǎng)中的介質(zhì)有一平行于表面的場(chǎng)強(qiáng)分量，當(dāng)這個(gè)分量達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，則可能發(fā)生表面放電，通常出現(xiàn)在導(dǎo)體和介質(zhì)彎角的表面、臟污的絕緣子、套管法蘭等位置。

c）電暈放電。在電場(chǎng)極不均勻的情況下，導(dǎo)體表面的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)發(fā)生放電，出現(xiàn)在高壓電極邊緣、尖端等位置。

d）懸浮電位放電。高壓設(shè)備導(dǎo)體間連接不良形成電位差，或高壓電極與低壓電極之間的電壓超過(guò)兩者之間絕緣材料的擊穿電壓。

局部放電是一種復(fù)雜的物理過(guò)程，除電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗之外，還會(huì)產(chǎn)生電磁輻射、聲音、超聲波、光、熱、氣體等。

2 暫態(tài)地電壓（TEV）原理

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁波，帶電粒子會(huì)沿各個(gè)方向由帶電體向非帶電體（柜體）快速遷移，在非帶電體上產(chǎn)生高頻電流脈沖。如果開(kāi)關(guān)柜是連續(xù)的金屬體，受集膚效應(yīng)的影響，電流脈沖會(huì)集中在金屬柜體的內(nèi)表面，而不能穿透。但實(shí)際中，開(kāi)關(guān)柜是不連續(xù)的，電流脈沖通過(guò)金屬柜體的縫隙或孔洞由內(nèi)表面轉(zhuǎn)移到外表面，并以電磁波的形式向自由空間傳播，且在接地的金屬外殼上產(chǎn)生暫態(tài)地電壓 TEV（Transient Earth Voltage）。TEV在柜體表面振蕩衰減，幅值在幾個(gè)毫伏至幾伏的范圍內(nèi)，且存在時(shí)間很短，一般只有幾個(gè)納秒的上升時(shí)間。正常狀態(tài)時(shí)柜體表面各處的TEV幅值不同（見(jiàn)圖1）。

圖1 暫態(tài)地電壓TEV原理圖

TEV法在1974年由英國(guó)的Dr.John.Reeves首次提出，通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜外表面上的暫態(tài)地電壓來(lái)檢測(cè)內(nèi)部的放電現(xiàn)象，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)、外得到了廣泛的應(yīng)用。

3 TEV分布特性

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，柜體表面TEV幅值的分布滿足以下兩點(diǎn)[1-3]。

a）TEV信號(hào)的幅值隨著測(cè)試點(diǎn)與局部放電源的距離的增大而減小。

b）TEV信號(hào)的幅值隨著測(cè)試點(diǎn)與與柜體縫隙距離的減小而增大。并且，后者的影響大于前者。開(kāi)關(guān)柜的中心點(diǎn)處發(fā)生局部放電時(shí)，測(cè)試點(diǎn)如圖2所示，“4”、“6”TEV幅值較大，“2”、“8”次之，“5”最小且與正常狀態(tài)時(shí)的值接近。由于開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)、故障點(diǎn)位置的影響，電磁波傳播過(guò)程中會(huì)反射和折射，實(shí)際情況要更復(fù)雜。

TEV信號(hào)沿著開(kāi)關(guān)柜表面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)產(chǎn)生較明顯的時(shí)延特征[1-3]，通過(guò)布置多個(gè)傳感器，可對(duì)放電源進(jìn)行定位。如圖2所示，在開(kāi)關(guān)柜上部發(fā)生局部放電時(shí)，區(qū)域“3”、“6”、“9”測(cè)得的TEV信號(hào)有明顯的先后順序。被測(cè)設(shè)備內(nèi)因局部放電而產(chǎn)生電流脈沖到達(dá)不同位置所需的時(shí)間不受反射波的影響。因此，通過(guò)比較2只探測(cè)器在不同位置測(cè)得TEV信號(hào)所到達(dá)的時(shí)間，相對(duì)于比較TEV幅值的方法能更有效地確定放電源。

TEV信號(hào)的幅值與局部放電源脈沖的幅值成正比[2-3]，隨其脈沖寬度的增加而迅速減小，隨其脈沖頻率的增加而增大。因此，TEV法對(duì)脈沖變化速度較快的內(nèi)部放電比較敏感，而對(duì)放電頻譜較低的表面放電不敏感?？刹捎贸暡ㄅcTEV法相聯(lián)合的聲—電檢測(cè)法[4-5]，來(lái)更好地監(jiān)測(cè)各種類(lèi)型的局部放電。

圖2 檢測(cè)位置示意圖

4 檢測(cè)方法

TEV信號(hào)的幅值可從測(cè)試儀器上直接讀取，對(duì)操作人員要求不高，適合進(jìn)行開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的普查工作。實(shí)際中為更好地發(fā)現(xiàn)缺陷，采集科學(xué)、有效的測(cè)試值，需要對(duì)柜體表面多個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試且測(cè)試位置靠近開(kāi)關(guān)柜縫隙。開(kāi)關(guān)柜正面，可選取如圖2所示區(qū)域“2”、“8”；側(cè)面與背面可根據(jù)實(shí)際情況選擇。

檢測(cè)之前應(yīng)首先在金屬門(mén)等處檢測(cè)背景噪聲。測(cè)量得到的TEV信號(hào)的幅值是外部空間電磁干擾與局部放電共同作用的結(jié)果，實(shí)際值與實(shí)測(cè)值并不相等。不能以實(shí)測(cè)值代替實(shí)際值，也不能簡(jiǎn)單地以實(shí)測(cè)值減去背景噪聲代替實(shí)際值。實(shí)測(cè)值與背景噪聲值之間的差值越大，則實(shí)測(cè)值越接近于實(shí)際值。

檢測(cè)過(guò)程中，可能遇到照明燈、空調(diào)、驅(qū)鼠器、保護(hù)屏柜等的影響，要采取聲—電聯(lián)合檢測(cè)、關(guān)閉干擾源等方法，區(qū)分局部放電與干擾。

5 分析方法

帶電檢測(cè)是推進(jìn)開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)化檢修的重要內(nèi)容，必須重檢測(cè)、更重管理。數(shù)據(jù)的管理很重要，不是簡(jiǎn)單的“是”與“否”兩個(gè)結(jié)論，規(guī)律、缺陷隱藏長(zhǎng)期、連續(xù)的測(cè)試數(shù)據(jù)當(dāng)中，主要有以下幾種分析方法。

a）橫向分析。對(duì)同一個(gè)配電室內(nèi)的開(kāi)關(guān)柜的同次檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比的開(kāi)關(guān)柜之間廠家、型號(hào)多數(shù)相同，所處的電磁環(huán)境基本相同，當(dāng)某一開(kāi)關(guān)柜的檢測(cè)結(jié)果明顯偏離總體平均水平時(shí)，則初步可以認(rèn)為此設(shè)備存在缺陷的可能性較大。

b）趨勢(shì)分析。對(duì)同一個(gè)開(kāi)關(guān)柜不同時(shí)期的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，開(kāi)關(guān)柜的絕緣水平不會(huì)發(fā)生突發(fā)性的惡化，絕緣劣化是一個(gè)緩慢累積的過(guò)程，間隔較短的TEV測(cè)量數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)大的躍變，變化量圍繞平均水平上下波動(dòng)。當(dāng)若干次連續(xù)檢測(cè)數(shù)據(jù)偏離平均水平較大時(shí)，可認(rèn)為此設(shè)備存在缺陷的可能性較大。

c）閥值分析。通過(guò)將檢測(cè)數(shù)據(jù)與局部放電狀態(tài)判斷閾值進(jìn)行比較，可以初步判斷開(kāi)關(guān)柜目前的運(yùn)行狀況。國(guó)網(wǎng)公司《電力設(shè)備帶電檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》對(duì)開(kāi)關(guān)柜暫態(tài)地電壓檢測(cè)項(xiàng)目中規(guī)定，相對(duì)值（被測(cè)量設(shè)備數(shù)值與環(huán)境數(shù)值差）小于20 dB時(shí)正常，相對(duì)值大于20 dB時(shí)異常，對(duì)異常情況可開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間在線監(jiān)測(cè)?？茖W(xué)的閾值應(yīng)綜合考慮開(kāi)關(guān)類(lèi)型、運(yùn)行年限、環(huán)境條件、制造水平等方面。過(guò)高的閾值，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜檢修不足；過(guò)低的閾值，會(huì)導(dǎo)致檢修次數(shù)、費(fèi)用、人員大量增加，降低供電可靠性。需要根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合國(guó)網(wǎng)相關(guān)規(guī)定，通過(guò)廣泛、長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累，逐漸修訂、完善適合自身特點(diǎn)的判斷閾值。

目前，臨汾地區(qū)的檢測(cè)數(shù)據(jù)管理是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，延用紙質(zhì)報(bào)表和報(bào)告，數(shù)據(jù)的利用率低下。應(yīng)從做好狀態(tài)檢修工作的實(shí)際需求出發(fā)，建立專(zhuān)用的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

6 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要包括兩方面的內(nèi)容。

6.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確性

a）不同廠家、不同型號(hào)的檢測(cè)儀器對(duì)同一對(duì)象的測(cè)量結(jié)果可能存在差異，為使得歷史數(shù)據(jù)具有可比較性，盡量不要更換檢測(cè)儀，或者應(yīng)明確新、舊檢測(cè)儀之間的這種差異。

b）檢測(cè)過(guò)程中，可能由于儀器、檢測(cè)方法、干擾等的原因，對(duì)同一檢測(cè)位置的多次測(cè)量值相差較大。因此，應(yīng)對(duì)同一檢測(cè)位置進(jìn)行多次測(cè)量，取穩(wěn)定的若干次檢測(cè)值的平均值為該檢測(cè)位置的測(cè)量值。

6.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析

充分利用Excel等工具，如圖3所示，對(duì)一個(gè)初步開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)管理、分析系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

圖3 數(shù)據(jù)管理、分析系統(tǒng)

a)閥值分析。按表格的格式輸入數(shù)據(jù)后，若測(cè)量值減去環(huán)境讀數(shù)大于20，則自動(dòng)標(biāo)記為紅色，例如2014年03月21日，10號(hào)測(cè)試點(diǎn)（1號(hào)主變401前上）的測(cè)量值42，與環(huán)境計(jì)數(shù)22的差值為20。

b)趨勢(shì)分析。對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，并自動(dòng)標(biāo)記斜率最大的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，即增長(zhǎng)趨勢(shì)最明顯的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)可匯制相應(yīng)的趨勢(shì)圖。10號(hào)測(cè)試點(diǎn)，從2008年至2014年的增長(zhǎng)趨勢(shì)較明顯，存在缺陷的可能性大，如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)柜10號(hào)測(cè)試點(diǎn)的趨勢(shì)圖

c)橫向分析。篩選“前中”位置的測(cè)量點(diǎn)，對(duì)一排開(kāi)關(guān)柜相同位置的測(cè)量值進(jìn)行橫向分析。

7 案例分析

220 kV某變電站35 kV 1號(hào)站用變開(kāi)關(guān)柜，至2014年12月投運(yùn)滿1年，共進(jìn)行了2次開(kāi)關(guān)柜暫態(tài)地電壓測(cè)試，均未見(jiàn)異常。

規(guī)范檢測(cè)方法與數(shù)據(jù)管理后，進(jìn)行故障靈敏檢測(cè)點(diǎn)的定點(diǎn)測(cè)試。2015年06月發(fā)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)異常，數(shù)值高達(dá)46 dB，存在間歇性放電，30 s內(nèi)放電5～7次。經(jīng)停電檢查，發(fā)現(xiàn)A相母線鋁排與支持瓷瓶未安裝緊固螺栓，懸浮電位放電。該缺陷從投運(yùn)開(kāi)始就存在,原因?yàn)殚_(kāi)關(guān)柜驗(yàn)收不合格，可能使母線在短路電流作用下不滿足動(dòng)穩(wěn)定性的要求，加裝緊固螺栓處理后，檢測(cè)數(shù)據(jù)正常。

8 總結(jié)

開(kāi)關(guān)柜TEV法是一種重要的局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)，具有很好的應(yīng)用前景，要在配套儀器、人員素質(zhì)、檢測(cè)方法、數(shù)據(jù)管理、分析判斷等方面不斷地探索。同時(shí)，綜合超聲波、超高頻等方法，監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，提高供電可靠性。

[1]陳慶祺，張偉平.開(kāi)關(guān)柜局部放電暫態(tài)地電壓的分析特性研究 [J].高壓電器，2012，48（10）：88-93.

[2]葉海峰，錢(qián)勇.基于暫態(tài)地電壓的開(kāi)關(guān)柜局部放電仿真研究[J].高壓電器，2013，49（7）：13-17.

[3]王有元，李寅偉.開(kāi)關(guān)柜局部放電暫態(tài)地電壓傳播特性的仿真分析 [J].高電壓技術(shù)，2011，37（7）：1683-1688.

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[5]章濤，王俊波.10 kV開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].高壓電器，2013，48（10）：100-104.

The Research of Im proving the Ability of Discovering Partial Discharge Defect of Switchgears Based on TEV

LIXinxing,YANG Haibo,HAN Tao

(State Grid Linfen Power Supply Company of SEPC,Linfen,Shanxi 041000,China)

Partial discharge detection of switchgears based on transient earth voltage (TEV) has been carried out for many years.However, there are still a large probability of undetected defects. Especially with the recent occurrence of several serious accidents in Linfen, how to better apply TEV becomes an urgent research point. This paper describes the mechanism of TEV and methodological characteristics. The relationship between TEV amplitude and the partial discharge source, and the distribution of TEV amplitude are analyzed. This paper discusses specific application of TEV from the aspects of detection methods, data management and defect judgment,which has achieved the purpose of improving the defect discovery capabilities.

switchgears; TEV; partial discharge detection

TM591

A

1671-0320（2016）02-0034-005

2015-11-17，

2015-01-19

李新星（1985），男，山西臨汾人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師，從事電力設(shè)備高壓試驗(yàn)工作；

楊海波（1968），男，山西臨汾人，2006年畢業(yè)于太原電力高等專(zhuān)科學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，工程師，從事電力設(shè)備狀態(tài)檢修工作；

韓 濤（1983），男，山西霍州人，2006年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師，從事電力設(shè)備狀態(tài)檢修工作。