高壓開關(guān)柜局部放電TEV與超聲波檢測(cè)方法

陳大興

（杭州電力設(shè)備制造有限公司蕭山欣美成套電氣制造分公司，浙江杭州 311200）

0 引言

電力系統(tǒng)配電結(jié)構(gòu)中，高壓開關(guān)柜屬于關(guān)鍵的一類電氣設(shè)備，決定著配電系統(tǒng)的安全性能。高壓開關(guān)柜從設(shè)計(jì)、制造、安裝到使用的過程中均會(huì)遇到絕緣性問題，主要是絕緣缺陷、絕緣老化的問題，降低了高壓開關(guān)柜在配電系統(tǒng)中的安全性，高壓開關(guān)柜在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)閃絡(luò)、擊穿、局部放電等問題，其中局部放電的問題最為嚴(yán)重，可在高壓開關(guān)柜中引發(fā)更大的安全事故。由此高壓開關(guān)柜局部放電檢測(cè)中專門采用了TEV（Transiment Earth Voltage，暫態(tài)對(duì)地電壓）與超聲波2種方法，反應(yīng)出高壓開關(guān)柜的絕緣效果，保護(hù)高壓開關(guān)柜的運(yùn)行安全。

1 TEV與超聲波檢測(cè)技術(shù)分析

1.1 TEV檢測(cè)

高壓開關(guān)柜局部放電中產(chǎn)生了交變電場(chǎng)、磁場(chǎng)，導(dǎo)致高壓開關(guān)柜由內(nèi)向外產(chǎn)生了電磁波，在高壓開關(guān)柜表面集中了大量的放電電荷，分布在了接地屏蔽層的內(nèi)部表層，高壓開關(guān)柜內(nèi)屏蔽層連續(xù)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)局部放電的情況，如果內(nèi)屏蔽層有絕緣缺陷，就會(huì)在外部檢測(cè)出放電電荷。高壓開關(guān)柜的內(nèi)部連續(xù)層在電纜終端、墊圈部分以及絕緣位置經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)或破損的情況，為局部放電提供了條件，當(dāng)高壓開關(guān)柜發(fā)生局部放電時(shí)，在不連續(xù)的縫隙位置會(huì)傳出很多電磁波，電磁波聚集在開關(guān)柜的表面，圍繞高壓開關(guān)柜的表面產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，再加上高壓開關(guān)柜設(shè)備的阻抗作用，會(huì)在開關(guān)柜外部出現(xiàn)暫態(tài)對(duì)地電壓，局部放電時(shí)的電壓可以達(dá)到107 V，此時(shí)通過電容耦合器傳感器，就可以感應(yīng)到TEV信號(hào)，進(jìn)而利用TEV信號(hào)檢測(cè)分析高壓開關(guān)柜的局部放電問題。

1.2 超聲波檢測(cè)

高壓開關(guān)柜有局部放電情況時(shí)，電荷分子之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊，撞擊作用下會(huì)形成聲波，因?yàn)榫植糠烹姷穆暡l率寬，頻率超過20 kHz的就可以規(guī)劃到超聲波范圍中。超聲波檢測(cè)高壓開關(guān)柜局部放電時(shí)主要就是檢測(cè)電荷中的超聲波信號(hào)，判斷高壓開關(guān)柜局部放電的位置。超聲波檢測(cè)高壓開關(guān)柜局部放電時(shí)，如高壓開關(guān)柜位于正常的狀態(tài)，此時(shí)超聲波檢測(cè)到的噪聲能量出現(xiàn)在低頻段，頻段＜20 kHz，使用超聲波檢測(cè)高壓開關(guān)柜的局部放電情況時(shí)，應(yīng)該避開聲波干擾后再檢查高頻聲波，高壓開關(guān)柜聲波頻率越高越容易衰減，超聲波檢測(cè)時(shí)就要規(guī)定好頻段，超聲波傳感器的諧振頻率范圍是（30～40）kHz。例如，高壓開關(guān)柜表面可以固定超聲波耦合劑，聲電轉(zhuǎn)化元件使用壓電陶瓷，高壓開關(guān)柜內(nèi)部出現(xiàn)放電時(shí)，聲波會(huì)聚集在開關(guān)柜的表面，超聲波傳感器負(fù)責(zé)把振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過放大器處理后進(jìn)入到超聲波檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)。

2 檢測(cè)方法在高壓開關(guān)柜中的試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)檢測(cè)

（1）根據(jù)高壓開關(guān)柜的局部放電形式設(shè)計(jì)出放電模式，匯總開關(guān)柜中誘發(fā)局部放電的原因，如高壓開關(guān)柜組件受潮并且伴隨著凝露現(xiàn)象、絕緣部件破損或附著污穢、高壓開關(guān)柜母線與斷路器連接時(shí)出現(xiàn)了接觸不良的問題、高壓開關(guān)柜表面的金屬凸起嚴(yán)重影響了功能、高壓開關(guān)柜中存有大量移動(dòng)狀態(tài)的金屬微粒，積累了大量的電荷，誘發(fā)了局部放電。高壓開關(guān)柜局部放電的模型研究中，提出4種放電類型：①針板放電，試驗(yàn)?zāi)Ｊ街羞x用半徑是0.5 mm的高壓針尖曲率半徑，錐角是30°，針尖的長(zhǎng)度是15 mm，模型中2個(gè)針板之間的最佳間距是8 mm；②內(nèi)部放電，該模型中的上下結(jié)構(gòu)均使用了環(huán)氧樹脂板，厚度均是5 mm，2個(gè)環(huán)氧樹脂板之間的絕緣介質(zhì)是1層1 mm的環(huán)氧樹脂，絕緣板上需要打開10 mm的圓形孔洞，所有絕緣板之間采用環(huán)氧樹脂膠固定到一塊；③懸浮放電模型，在模型的接地電極上設(shè)置環(huán)境樹脂板，直徑是70 mm，厚度是5 mm，環(huán)氧樹脂板的上方接近高壓電極的位置設(shè)計(jì)銅柱，直徑是10 mm，高度是10 mm，銅柱電極到懸浮電極之間的間距是5 mm；④沿面放電模型，相鄰2個(gè)電極空隙位置設(shè)置縱向的環(huán)氧樹脂棒，直徑是10 mm，長(zhǎng)度是10 mm。

（2）檢測(cè)試驗(yàn)中的裝置與接線設(shè)計(jì)，試驗(yàn)中的試驗(yàn)變壓器為工頻高壓條件，保護(hù)電阻是10 kΩ，耦合電容是Ck，采用脈沖電流法檢測(cè)高壓開關(guān)柜局部放電時(shí)產(chǎn)生的阻抗，檢測(cè)的阻抗可以反饋出局部放電信號(hào)機(jī)兩側(cè)電壓的相位信號(hào)，以此來標(biāo)定高壓開關(guān)柜的局部放電量。TEV傳感器在試驗(yàn)中專門利用耦合電容檢測(cè)高壓開關(guān)柜表層聚集的暫態(tài)電壓，超聲波檢測(cè)中使用的傳感器為空氣傳導(dǎo)傳感器與諧振傳感器，向高壓開關(guān)柜局部放電中提供寬幅的檢測(cè)頻帶，正好在寬幅范圍中分析局部放電引起的超聲波信號(hào)。在超聲波檢測(cè)中，空氣傳導(dǎo)傳感器頻率為40 kHz，配置了前置放大器，增益是60 dB，諧振傳感器的頻率有3種，分別是30 kHz，150 kHz和300 kHz，不需要配置前置放大器即可。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b到高壓開關(guān)柜的內(nèi)部，試驗(yàn)中檢測(cè)高壓開關(guān)柜局部放電的實(shí)際電荷。

（3）高壓開關(guān)柜局部放電中TEV與超聲波檢測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械姆治鼋Y(jié)果：①試驗(yàn)中明確了高壓開關(guān)柜局部檢測(cè)時(shí)的超聲波頻率及傳感器的型號(hào)，超聲波檢測(cè)中，如選擇諧振傳感器就要把傳感器緊貼到開關(guān)柜的外表，兩者之間使用耦合劑固定，空氣傳導(dǎo)傳感器用于測(cè)量高壓開關(guān)柜泄漏到空氣中的超聲波，超聲波檢測(cè)的頻率范圍比較大，其可全面反映出高壓開關(guān)柜的超聲波頻率，TEV傳感器信號(hào)專門輔助超聲波檢測(cè)獲取開關(guān)柜局部放電電荷的頻帶分布區(qū)域，而且局部放電電荷進(jìn)入到空氣中也會(huì)出現(xiàn)反射或折射的情況，此時(shí)也要利用TEV傳感器進(jìn)行檢測(cè)，提高局部放電檢測(cè)的靈敏度；②試驗(yàn)中除了使用TEV與超聲波檢測(cè)的方法外，還使用了脈沖電流法，綜合檢測(cè)高壓開關(guān)柜局部放電的狀態(tài)，即使高壓開關(guān)柜局部放電強(qiáng)度大，也能完成檢測(cè)工作，掌握局部放電在高壓開關(guān)柜中的狀態(tài)，進(jìn)而觀察高壓開關(guān)柜局部放電的變化狀態(tài)，試驗(yàn)中比較注重TEV信號(hào)的應(yīng)用，利用示波器采集局部放電中的阻抗信號(hào)、超聲波信號(hào)、電壓信號(hào)和TEV信號(hào)，在此基礎(chǔ)上完成多次測(cè)量，解決局部放電不穩(wěn)定的問題。

2.2 識(shí)別模式

高壓開關(guān)柜局部放電TEV與超聲波檢測(cè)過程中的識(shí)別模式，專門用于識(shí)別不同區(qū)域的放電模式，避免局部放電差異過大，對(duì)所有的信號(hào)幅值實(shí)行歸一化的處理，區(qū)別高壓開關(guān)柜不同區(qū)域的信號(hào)特征。

3 檢測(cè)方法在高壓開關(guān)柜中的定位應(yīng)用

TEV與超聲波檢測(cè)方法對(duì)高壓開關(guān)局部放電的定位研究中，主要是明確高壓開關(guān)柜的局部放電信號(hào)，以便在后期提出有效的治理措施，保護(hù)好高壓開關(guān)柜的運(yùn)行。TEV與超聲波檢測(cè)定位高壓開關(guān)柜局部放電時(shí)需分析出信號(hào)的變化趨勢(shì)，檢查信號(hào)是否超過正常的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，高壓開關(guān)柜沒有局部放電時(shí)各類信號(hào)的變化趨勢(shì)正常，正常狀態(tài)下的信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)工頻周期作用，也沒有明顯的變化規(guī)律，此時(shí)也要深入檢測(cè)，避免遺漏局部放電的問題。TEV與超聲波檢測(cè)方法中發(fā)現(xiàn)了局部放電的工頻周期性時(shí)，首先要判斷為高壓開關(guān)柜內(nèi)部局部放電，接下來繼續(xù)判斷出局部放電的類型，根據(jù)信號(hào)的狀態(tài)區(qū)別放電的區(qū)域、類型，識(shí)別高壓開關(guān)柜的局部放電模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

高壓開關(guān)柜局部放電的危害性強(qiáng)，采用TEV與超聲波檢測(cè)的方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)局部放電在高壓開關(guān)柜中的位置，以便安排有效的解決措施，防止高壓開關(guān)柜長(zhǎng)期處于絕緣缺陷的狀態(tài)。在研究高壓開關(guān)柜局部放電時(shí)組織了TEV與超聲波檢測(cè)技術(shù)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確定位高壓開關(guān)柜的局部放電位置。