高壓開關(guān)柜局部放電聲電聯(lián)合定位檢測(cè)技術(shù)

, ,,

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，佛山 528000)

20世紀(jì)50年代，美國(guó)GE公司提出了預(yù)知檢修(Predictive Maintenance)的概念，后來其被演變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”(Condition-Based Maintenance)?！盃顟B(tài)檢修”就是指在電氣設(shè)備運(yùn)行過程中，采用各種測(cè)量、分析和判斷的方法，根據(jù)電氣設(shè)備自身的運(yùn)行環(huán)境和歷史狀況，實(shí)時(shí)診斷電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，其具有避免不必要停電的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓開關(guān)柜局部放電的超高頻、暫態(tài)地電波、超聲波、紫外成像等檢測(cè)技術(shù)開展了較多的研究，但是對(duì)局部放電精確定位技術(shù)的研究并不多見。

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)非常重要的電氣設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)配網(wǎng)的可靠性具有重大影響。有資料表明，我國(guó)電力系統(tǒng)配電電壓等級(jí)開關(guān)事故有如下統(tǒng)計(jì)規(guī)律：機(jī)械故障占33.3%，絕緣故障占37.3%，溫升故障占8.9%，其他故障占20.5%。由此可看出，絕緣故障占有很大的比重，其中在絕緣故障潛伏期可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，故可以通過對(duì)局部放電的監(jiān)測(cè)得到相關(guān)的信息。佛山供電局針對(duì)高壓開關(guān)柜絕緣故障占所有故障中比重較高的問題，引入了高壓開關(guān)柜的帶電檢測(cè)技術(shù)，對(duì)高壓開關(guān)柜的監(jiān)測(cè)水平及推進(jìn)帶電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用起到了非常重要的作用[1-4]。

1 檢測(cè)原理

1.1 超聲波檢測(cè)原理(聲測(cè)法)

局部放電是一種快速的電荷釋放或遷移過程，在其發(fā)生之前，放電點(diǎn)周圍的電場(chǎng)應(yīng)力、介質(zhì)機(jī)械應(yīng)力、粒子力處于相對(duì)平衡狀態(tài)。產(chǎn)生局部放電時(shí)，放電點(diǎn)周圍的電場(chǎng)應(yīng)力、介質(zhì)機(jī)械應(yīng)力與粒子力之間的平衡狀態(tài)被打破，從而產(chǎn)生振蕩變化，機(jī)械應(yīng)力與粒子力的快速振蕩會(huì)導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍介質(zhì)振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波信號(hào)。放電強(qiáng)度的大小決定了電場(chǎng)應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和粒子力的振蕩幅度，從而決定了超聲波的強(qiáng)度；對(duì)于同種程度的放電，振動(dòng)幅度與介質(zhì)的彈性系數(shù)有關(guān)，固體與液體的振動(dòng)幅度小，氣體的振動(dòng)幅度大；振動(dòng)和聲波的傳播過程是有損耗的，傳播途徑的差異導(dǎo)致超聲波幅值大小與放電強(qiáng)度之間存在著復(fù)雜的比例關(guān)系。利用由壓電元件、前置放大器、濾波器、屏蔽殼等部分組成的超聲波傳感器便可以實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的檢測(cè)[5-8]。

1.2 超高頻電磁波檢測(cè)原理(電測(cè)法)

電氣設(shè)備絕緣介質(zhì)中局部放電的持續(xù)時(shí)間一般在10-9～10-7s，脈沖寬度為納秒級(jí)，其頻率分量可達(dá)1 GHz。因此，可以通過頻率范圍為500 MHz～1 GHz的超高頻電磁波信號(hào)來檢測(cè)局部放電的強(qiáng)烈程度。在300 MHz～3 000 MHz頻率范圍內(nèi)的電磁波信號(hào)可以很好地避開電暈等外界干擾信號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和靈敏度可以得到很大提高。超高頻電磁波檢測(cè)傳感器通常為各種超高頻天線，如阿基米德平面螺旋天線，其能實(shí)現(xiàn)帶寬為500 MHz～1 500 MHz頻率的局部放電信號(hào)檢測(cè)，是一種非頻變天線，該天線的電性能與頻率無關(guān)，具有寬頻帶、圓極化、尺寸小、效率高及可嵌裝等優(yōu)點(diǎn)以及良好的工程應(yīng)用價(jià)值[9-12]。

1.3 聲電聯(lián)合定位檢測(cè)原理

聲電聯(lián)合定位檢測(cè)是基于電磁波在各種介質(zhì)中的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超聲波的傳播速度的原理來實(shí)現(xiàn)的。與超聲波信號(hào)相比，超高頻電磁波信號(hào)的傳播時(shí)間幾乎是可以忽略的，故可作為參考基準(zhǔn)。測(cè)試中以超高頻信號(hào)作為參考基準(zhǔn)，不斷移動(dòng)超聲波傳感器的位置，使獲得的超聲波信號(hào)時(shí)延最短，此時(shí)放電源離超聲波傳感器最近。然后根據(jù)放電信號(hào)到達(dá)超聲波傳感器和超高頻傳感器的時(shí)間差t和超聲聲速v，即可計(jì)算出放電點(diǎn)至傳感器的距離。同時(shí)，采集超高頻電磁波(電)和超聲波(聲)信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)間的時(shí)間差就是超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間t，超聲波信號(hào)時(shí)延示意如圖1所示。

圖1 超聲波信號(hào)時(shí)延示意

局部放電點(diǎn)距離超聲波傳感器的距離為

s=t(1/v2-1/v1)(1)

式中：v1為電磁波的速度；v2為聲速。

2 檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 TDS3034C示波器

示波器采用泰克公司生產(chǎn)的TDS3034C型高精度示波器，其具有4通道測(cè)量功能，能提供300 MHz帶寬,采樣速率為每秒采集2.5×106個(gè)點(diǎn)，通道輸入阻抗有50 Ω和1 MΩ兩個(gè)檔位可供選擇，測(cè)試中要求傳感器連接示波器的同軸電纜的長(zhǎng)度和波阻抗都相同，各通道橫縱坐標(biāo)的設(shè)置要相同。

2.2 UTP1便攜式開關(guān)柜局部放電檢測(cè)儀

UTP1便攜式開關(guān)柜局部放電檢測(cè)儀是英國(guó)AE公司生產(chǎn)的用于開關(guān)柜局部放電檢測(cè)的便攜式儀器，該儀器采用非接觸式檢測(cè)方式，具有超聲波測(cè)試和暫態(tài)地電波測(cè)試兩種模式，在聲電聯(lián)合定位檢測(cè)系統(tǒng)中采用超聲波測(cè)試模式。超聲波傳感器采用內(nèi)置式、非接觸式傳感器，以分貝(dB)數(shù)值顯示給測(cè)試者，并且具有音頻輸出功能，可以通過示波器分析信號(hào)時(shí)域特征或者通過頻譜儀分析信號(hào)頻域特征。

2.3 M600超高頻傳感器

清華M600超高頻傳感器是利用電容耦合原理獲取超高頻電磁波信號(hào)的，該傳感器具有兩個(gè)輸出端口，分別是RO輸出端口和HO輸出端口，其中RO端口輸出信號(hào)是經(jīng)過一系列檢波處理后的信號(hào)，信號(hào)屬毫秒級(jí)；而HO端口輸出的是局部放電原始信號(hào)，信號(hào)屬納秒級(jí)。在需要觀察放電類型的時(shí)候采用RO端口輸出信號(hào)，在需要觀察放電原始波形或者用于時(shí)差法定位時(shí)采用HO端口輸出信號(hào)。

3 典型案例

2017年4月20日，佛山供電局在某10 kV開關(guān)房進(jìn)行高壓開關(guān)柜局部放電檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)10 kV高壓室內(nèi)10 kV沙窖線701開關(guān)柜至10 kV沙邊線706開關(guān)柜共6面開關(guān)柜暫態(tài)地電波檢測(cè)數(shù)值明顯偏大，于是對(duì)其進(jìn)行了診斷性試驗(yàn)。

3.1 超聲波檢測(cè)

采用非接觸式超聲波檢測(cè)儀在10 kV沙窖線701開關(guān)柜至10 kV沙邊線706開關(guān)柜柜后縫隙處進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。由圖2可發(fā)現(xiàn)，10 kV水絲線703開關(guān)柜柜后超聲波信號(hào)最強(qiáng)，可以判斷局部放電源來自703開關(guān)柜。

圖2 某10 kV高壓開關(guān)柜柜后縫隙處超聲檢測(cè)結(jié)果

3.2 超高頻電磁波檢測(cè)

使用超高頻檢測(cè)儀在703開關(guān)柜柜后進(jìn)行檢測(cè)，可以檢測(cè)到微弱的超高頻信號(hào)，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，每隔20 ms放電，且放電時(shí)幅值變化，次數(shù)也不固定，判斷為絕緣類放電。

圖3 703開關(guān)柜柜后超高頻電磁波檢測(cè)結(jié)果

3.3 聲電聯(lián)合定位檢測(cè)

聲電聯(lián)合定位檢測(cè)波形如圖4所示，聲電信號(hào)時(shí)差最小位置示意如圖5所示。通過時(shí)域波形時(shí)差確定放電位置，按照放電位置應(yīng)該靠近時(shí)差最小檢測(cè)點(diǎn)的原則，最終確定放電點(diǎn)靠近圖4中時(shí)差為1.70 ns的位置，深度為靠近柜后60 cm處，根據(jù)開關(guān)柜結(jié)構(gòu)判斷局部放電點(diǎn)位于真空斷路器底部的位置。

圖4 聲電聯(lián)合定位檢測(cè)波形

圖5 聲電信號(hào)時(shí)差最小位置示意

3.4 停電外觀檢查

對(duì)703開關(guān)柜停電后進(jìn)行外觀檢查，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)真空斷路器A、B、C三相底部絕緣表面均出現(xiàn)不同程度的裂紋，肉眼可見清晰的放電痕跡，如圖6所示，檢查結(jié)果與定位檢測(cè)結(jié)果吻合。

圖6 703開關(guān)柜停電后外觀檢查結(jié)果

4 結(jié)語

利用超高頻電磁波、超聲波兩種檢測(cè)原理相結(jié)合的聲電聯(lián)合定位檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)行了開關(guān)柜局部放電定位檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)定位能力，實(shí)現(xiàn)了局部放電點(diǎn)的精確定位，并能高效指導(dǎo)檢修工作的開展。

[1] 周澤存，沈其工，方瑜.高電壓技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004：362-363.

[2] 施圍, 邱毓昌, 張喬根.高電壓工程基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[3] 陳化剛.電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)方法及診斷技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社，2009.

[4] 田勇，田景林.6～10 kV開關(guān)柜事故統(tǒng)計(jì)分析與改進(jìn)意見[J].東北電力技術(shù)，1996(8)：5-10.

[5] 陳剛. 聲電波檢測(cè)儀在10 kV開關(guān)柜局放檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2010(7)：67-68.

[6] 胡平,林介東,馬慶增.聲發(fā)射技術(shù)在變壓器局部放電測(cè)量中的應(yīng)用[J].無損檢測(cè),2004, 26(10):502-505.

[7] 衛(wèi)志剛,張濤,劉孝,等.在役超高壓變壓器局部放電聲發(fā)射定位檢測(cè)[J]. 無損檢測(cè), 2009, 31(8): 610-613.

[8] 林介東.240 MVA電力變壓器局部放電的聲發(fā)射檢測(cè)[J].無損檢測(cè), 2009,31(4):245-250.

[9] 趙毅鋒,劉晴巖,嚴(yán)曉東,等.電站氣體絕緣金屬封閉開關(guān)閘刀位置遠(yuǎn)程目視監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].無損檢測(cè), 2016,38(7):53-55.

[10] 任明，彭華東，陳曉清，等.采用暫態(tài)對(duì)地電壓法綜合檢測(cè)開關(guān)柜局部放電[J].高電壓技術(shù)，2010，36(10)：2460-2466.

[11] 劉云鵬，王會(huì)斌，王娟，等.高壓開關(guān)柜局部放電UHF在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].高電壓技術(shù)，2009，45(1)：15-17.

[12] YANG L,JUDD M D,BENNOCH C J.Time delay estimation for UHF signals in PD location of transformer[C]//IEEE 2004 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.Boulder:IEEE,2004:414-417.