鐵路牽引變電站高壓開關柜局部放電檢測技術及裝置的研究

姜文賢 陳君寶 胡海濤

（哈爾濱鐵路局）

鐵路牽引變電站高壓開關柜局部放電檢測技術及裝置的研究

姜文賢 陳君寶 胡海濤

（哈爾濱鐵路局）

通過采用多種傳感檢測技術，獲取高壓電力設備局部放電產生的電磁波、高頻電流及聲音發(fā)射信號，同時，做到了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性和準確性，并且通過先進的數(shù)據(jù)處理技術和分析方法對獲取數(shù)據(jù)進行解讀，準確地判斷設備工作狀態(tài)是否正常，及時發(fā)現(xiàn)設備缺陷與隱患，很大程度地提高了高壓開關柜運行的可靠性及技術管理水平，為實現(xiàn)設備的狀態(tài)檢測提供依據(jù)。目前鐵路系統(tǒng)內缺乏對于鐵路牽引變中高壓開關柜的狀態(tài)檢測手段。通過檢測絕緣局部放電，實現(xiàn)對鐵路高壓開關柜電氣特性參數(shù)和絕緣性能的狀態(tài)監(jiān)測與分析。

開關柜；局部放電

0 引言

近年來，鐵路高壓開關柜用戶對高壓開關柜的安全性能要求越來越高。因此，高壓開關柜故障也引起了大家的重視，根據(jù)目前統(tǒng)計，高壓開關柜的故障有很多是電能質量引起的，同時還會引起高壓開關柜放電發(fā)熱。

1 局部放電的產生及危害

當外加電壓在電氣設備中產生的場強，足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但未達到絕緣發(fā)生貫穿性擊穿的放電現(xiàn)象，稱為局部放電。當絕緣發(fā)生局部放電時就會影響絕緣壽命。每次放電，高能量電子或加速電子的沖擊，特別是長期局部放電作用都會引起多種形式的物理效應和化學反應，如帶電質點撞擊氣泡外壁時，就可能打斷絕緣的化學鍵而發(fā)生裂解，破壞絕緣的分子結構，造成絕緣劣化，加速絕緣損壞過程。

所以，如果一臺高壓開關柜在運行電壓下長期存在著局部放電現(xiàn)象，即使是微弱的放電，也會對高壓開關柜造成危害，它的破壞作用有兩種：一是放電點長期對絕緣件轟擊造成絕緣局部損壞，逐步擴大后，最終使絕緣擊穿。二是長期放電產生的臭氧、氧化氮等活性氣體在熱的作用下，使局部絕緣受到腐蝕，電導增加，最后導致熱擊穿。電氣絕緣的破壞或局部老化，多數(shù)是從局部放電開始的，它的危害性突出表現(xiàn)在使絕緣壽命迅速降低，最終影響安全運行。也就是說，一臺內部存在缺陷的高壓開關柜，盡管它可能通過了所有的出廠和驗收絕緣試驗（如外施工頻耐壓、感應耐壓、雷電沖擊試驗等）。但在長期正常的運行中仍有可能發(fā)生擊穿。

局部放電是絕緣介質中的一種電氣放電，這種放電僅限制在被測介質中一部分且只使導體間的絕緣局部橋接，這種放電可能發(fā)生或不發(fā)生于導體的鄰近。電力設備絕緣中的某些薄弱部位在強電場的作用下發(fā)生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的問題。雖然局部放電一般不會引起絕緣的穿透性擊穿，但可以導致電介質（特別是有機電介質）的局部損壞。若局部放電長期存在，在一定條件下會導致絕緣劣化甚至擊穿。對電力設備進行局部放電試驗，不但能夠了解設備的絕緣狀況，還能及時發(fā)現(xiàn)許多有關制造與安裝方面的問題，確定絕緣故障的原因及其嚴重程度。因此，對電力設備進行局部放電測試是電力設備制造和運行中的一項重要預防性試驗。

各種局部放電檢測技術應運而生，基于對發(fā)生局部放電時產生的各種電、光、聲、熱等現(xiàn)象的研究，局部放電檢測技術中也相應出現(xiàn)了電檢測法和光測法、聲測法、紅外熱測法等非電量檢測方法。近年來，隨著局部放電檢測技術的提高和進步，采用電磁輻射信號及高頻電流信號進行局放檢測成為一項簡便易行的檢測方法。

高壓開關柜是使用極廣且數(shù)量最多的電氣設備。由于在設計、制造、安裝和運行維護等方面存在著不同程度的問題，因而事故率比較高，在諸多性質的開關柜事故中，絕緣事故多發(fā)生于10kV及以上電壓等級，造成的后果也很嚴重。特別是小車式開關柜，絕緣事故率更高，而且往往一臺出現(xiàn)事故，殃及鄰柜的現(xiàn)象更為突出。因此，迫切需要對開關柜實行狀態(tài)檢修，對設備運行狀況進行實時和定時地在線監(jiān)測，根據(jù)設備的運行狀態(tài)和絕緣的劣化程度，確定檢修時間和措施，減少停電時間和事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)運行的安全可靠性及自動化程度。

高壓開關柜的絕緣故障主要表現(xiàn)為外絕緣對地閃絡擊穿，內絕緣對地閃絡擊穿，相間絕緣閃絡擊穿，雷電過電壓閃絡擊穿，瓷瓶套管、電容套管閃絡、污閃、擊閃、擊穿、爆炸，提升桿閃絡，CT閃絡、擊穿、爆炸，瓷瓶斷裂等。如圖1所示。

圖1 主要設備的故障率

高壓開關柜有各種各樣的電力設備，例如，斷路器、MOF、VCB、CT、PT、LA、COS、PF、MOLD TR、 母線等，而低壓開關設備有MCCB、CT、PT、CV電纜等。開關柜的設備故障包括由于長時間使用引起的絕緣缺陷，由于觸點的不良連接引起的放電的瞬間短路以及各個連接部分，過熱、電涌、電流故障等。圖2 通過分布圖表明了引起開關柜故障的原因。

圖2 主要設備的故障率分類

各類絕緣缺陷發(fā)展到最終擊穿，釀成事故之前，往往先經過局部放電階段，局部放電的強弱能夠及時反映絕緣狀態(tài)，因此通過在線監(jiān)測局部放電來判斷絕緣狀態(tài)為實現(xiàn)開關柜絕緣在線監(jiān)測及診斷的有效手段。

擬開發(fā)的高壓開關柜局部放電電磁波在線檢測儀通過檢測伴隨局部放電而產生的電磁波輻射及高頻電流信號，系統(tǒng)掃描300～1500MHz頻率范圍內的電磁波輻射以及100kHz～30MHz高頻電流信號，并自動確定現(xiàn)場局部放電的實際檢測頻率，可以檢測出在1 μV范圍內的局部放電信號，隨后將檢測數(shù)據(jù)以局部放電脈沖簇計數(shù)方式顯示。

該設備采用非侵入性EM及HFCT局部放電傳感器接口可以輕松地獲得數(shù)據(jù)進行分析，可以使用第三方軟件進行分析，以驗證系統(tǒng)專家?guī)燔浖袛嘟Y論。因而由瑞士魏德曼診斷技術（Weidmann Diagnostic Solution）開發(fā)的該款便攜式局放現(xiàn)場檢測儀非常適用于干式電力設備現(xiàn)場局部放電檢測及連續(xù)監(jiān)測的用途，并為提高設備運行可靠性及避免突發(fā)性事故提供有效的設備狀態(tài)參數(shù)。

2 高壓開關柜局部放電監(jiān)測原理

2.1 原理方法

電力高壓開關柜如果局部放電發(fā)生在導體相對地絕緣上，局部放電電流脈沖將會沿著導體表面和金屬包層傳播，傳播的電流產生一個電磁波EM或者超聲波AE信號，電磁波和超聲波會穿透金屬包層，使用EM和AE傳感器的系統(tǒng)能夠探測到該電磁波和超聲波。如圖3所示。

圖3 電力高壓開關柜現(xiàn)場檢測位置

開發(fā)應用的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖4所示。它由兩個單元，即在線數(shù)據(jù)采集模塊和離線數(shù)據(jù)處理/分析模塊。

圖4 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

如圖5所顯示，數(shù)據(jù)采集模塊包括兩個硬件部分。第一個部分，包括完整的經信號放大器放大的局部放電信號傳感器；第二個部分，是用于數(shù)據(jù)采集及處理的數(shù)字化芯片，與存儲數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的筆記本電腦相連。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊的硬件布局

2.3 傳感器

開發(fā)應用的兩款緊湊型的局部放電檢測傳感器,包括電磁波（EM）傳感器和夾合式的高頻電流（HFCT）傳感器，其他類型的傳感器（AE、TEV等）也可以輕松接入軟件界面。外置的電磁傳感器可用于各類高壓設備（高壓開關柜、套管、電纜、輸電線路等）的局部放電檢測。對于不同類型的高電壓設備，電磁波傳感器（EM）和高頻電流傳感器（HFCT）的安置位置將各有不同。

成熟的電磁波傳感器（EM）對于0.5 MHz的低頻率范圍并不響應。放大器使用蓄電池供電，可以檢測出在1 μV范圍內的局部放電信號。它安置在設備外部表面的金屬包層的接地線上。這種電磁波傳感器（EM）發(fā)的電磁式脈沖可以檢測出高壓設備的內部缺陷。對高壓開關柜，電磁傳感器（EM）和高頻電流傳感器（HFCT）都可用于局部放電檢測，該電磁傳感器可以放置于靠近繞組絕緣部分，而高頻電流傳感器（HFCT）則是鉗在接地線上來檢測局部放電。

（1）脈沖計數(shù)

系統(tǒng)同時給出從各傳感器得到的實時測量局放脈沖數(shù)量，單位為pps（每秒鐘脈沖數(shù)）。局放信號急劇增多時將提示“報警”。

（2）數(shù)據(jù)顯示及波形分析

在數(shù)據(jù)顯示及分析方面，除顯示兩維、三維圖像并縮放外，另可顯示圖表顯示、兩維圖形顯示、三維圖形顯示、相位-脈沖顯示以及幅值-脈沖顯示等多種顯示方式以便于用戶對波形做出分析及診斷。

（3）注意及報警設置

系統(tǒng)同時給出從各傳感器得到的實時測量局部放電脈沖數(shù)量，單位為pps（每秒鐘脈沖數(shù)）。局放信號急劇增多時將提示“報警”。

主要技術創(chuàng)新點：

1）采用電磁波及高頻電流局部放電聯(lián)合檢測技術。

2）電磁波檢測技術是非接觸測量方法。檢測系統(tǒng)的接入對設備運行沒有影響，可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，而且前級設備輕便、簡練，安全性好。

3）局部放電嚴重等級及pps（每秒鐘脈沖個數(shù)）作為高壓開關柜狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測的依據(jù)。

3 高壓開關柜局部放電監(jiān)測分析

局部放電幅值、局部放電量、局部放電脈沖數(shù)及相位特征是表征局部放電的重要參數(shù)。分析軟件將對檢測數(shù)據(jù)處理和特征參數(shù)提取，以診斷所檢測設備是否存在局部放電及其局部放電類型。

數(shù)據(jù)的處理及狀態(tài)評估時，首先對數(shù)據(jù)進行噪聲數(shù)據(jù)、局部放電數(shù)據(jù)的分離，去除雜波干擾；然后進行N_q圖解分析，通過放電數(shù)量及脈沖能量值的關系來評價局部放電的活動程度；此外，結合威布爾分布圖解析和Dvdt圖譜解析，來識別和判斷局部放電類型。

數(shù)據(jù)分析結果與經驗數(shù)據(jù)庫進行對照，可以進一步診斷局部放電的嚴重程度，具體可以參照圖6的對應關系。

根據(jù)以上參數(shù)及特征分析處理，結合降噪技術及經驗數(shù)據(jù)庫比對，可以實現(xiàn)以下內容進行的分析和判斷：

1）分析是否存在局部放電故障；

2）通過波形圖判斷何種局部放電故障類型；

圖6 局部放電嚴重程度對應表

3）局部放電嚴重等級；

4）局部放電發(fā)展趨勢。

下面以某10kV高壓開關柜局部放電在線檢測數(shù)據(jù)分析舉例。

2016年魏德曼檢測對某鐵路公司牽引變高壓開關柜進行了局部放電測試，該設備位于濕度較低、空氣溫度平均約為0°C以下的環(huán)境中。

圖7 局部放電分布圖（哈西變電站高壓室東廠下行219高壓開關柜）

圖8 局部放電分布圖（哈西變電站高壓室東廠下行217高壓開關柜）

圖7顯示了哈西變電站高壓室東廠下行219高壓開關柜高壓開關柜局部放電相位分布，局部放電平均和最大振幅分別為大約0.23V和0.31V，局部放電脈沖總數(shù)為18個脈沖，分析判斷為存在微弱的電暈局部放電現(xiàn)象。圖8顯示了哈西變電站高壓室東廠下行217高壓開關柜局部放電相位分布，局部放電平均和最大振幅分別為大約0.35V和0.50V，局部放電脈沖總數(shù)為69個脈沖，分析判斷為存在處于初始階段的微弱電暈局部放電現(xiàn)象，需跟蹤觀察發(fā)展趨勢再做出進一步的判斷。

通過局部放電檢測數(shù)據(jù)趨勢管理，可以觀察一段時間內（周數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、年數(shù)據(jù)等）的數(shù)據(jù)，形成發(fā)展趨勢，提供早期預警信號。圖9顯示出該高壓開關柜檢測到的局部放電信號在觀察期間內呈現(xiàn)脈沖數(shù)上升趨勢，可以進一步持續(xù)觀察。

圖9 高壓開關柜局部放電檢測數(shù)據(jù)趨勢管理

4 結束語

該項目通過選用多種傳感檢測技術，獲取高壓電力設備局部放電產生的電磁波、高頻電流及聲音發(fā)射信號，使得檢測的原始判斷依據(jù)更加充足；通過建立數(shù)據(jù)處理和分析模型，對數(shù)據(jù)進行降噪處理和特征提取和分析，可以實現(xiàn)局部放電有無及類型的判斷；結合經驗數(shù)據(jù)庫對比和監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢管理，可以判斷電力設備的局部放電嚴重等級和劣化程度。

該項目的研究內容實現(xiàn)了及時發(fā)現(xiàn)設備缺陷與隱患，很大程度地提高了高壓開關柜運行的可靠性及技術管理水平，為實現(xiàn)設備的狀態(tài)檢測提供依據(jù)；同時，該套針對高壓電力設備在線PD測試的檢測方法還具有諸多優(yōu)點，如是一種非破壞測試，無需設備停電、不會對絕緣進行任何破壞；預防性在線檢測可以改善設備的可靠性，減少設備不必要的檢修和維護，延長設備使用壽命；能夠探測和查找設備空穴、裂縫及工藝缺陷，在質保期內發(fā)現(xiàn)新設備的潛伏絕緣缺陷；通過預試前后的在線局部放電檢測比對，對設備維護質量進行評估。

2017-07-02）