基于聲電聯(lián)合定位法的開關(guān)柜局部放電定位分析

任堂正，孫 俊，沈曉峰，徐 琳，孟 瑩

(1.國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799；2.國網(wǎng)上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201400)

在變電站的建設(shè)過程中，基于城市建設(shè)用地及操作便捷性等方面的考慮，高壓開關(guān)柜在新建變電站中被廣泛應(yīng)用。高壓開關(guān)柜雖然具有操作便捷及安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但由于其采用全封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在運(yùn)行中存在故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、故障點(diǎn)定位不準(zhǔn)確等問題，嚴(yán)重影響了開關(guān)柜運(yùn)行的可靠性。

開關(guān)柜的電氣故障尤其是主回路故障通常會(huì)以局部放電(以下簡稱局放)的形式表示出來，因此局放測試是對其進(jìn)行故障檢測和定位的重要手段?，F(xiàn)有局放通常單獨(dú)采用暫態(tài)地電壓、超聲波、特高頻等手段，存在定位精度差、放電類型不準(zhǔn)確等問題，極大地影響了開關(guān)柜局放的定位效率，不利于開關(guān)柜檢修的快速開展[1-3]。

本文介紹了一種基于聲電聯(lián)合定位的局放定位方法，此方法利用特高頻確定局放的大體方位，利用特高頻與超聲波在介質(zhì)中傳播的時(shí)間差確定局放的精確位置，并通過一個(gè)實(shí)例介紹應(yīng)用方法及注意事項(xiàng)。本文對開關(guān)柜局放定位工作的開展具有一定的現(xiàn)場指導(dǎo)作用。

1 開關(guān)柜局放檢測原理分析

開關(guān)柜中的設(shè)備在運(yùn)行中因運(yùn)行條件及設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面的因素，柜中某些位置的電場強(qiáng)度會(huì)發(fā)生畸變，如果此處的絕緣水平不合格則有可能發(fā)生放電。由于在局部放電發(fā)生的過程中會(huì)產(chǎn)生一些機(jī)械波以及電磁波，同時(shí)會(huì)有聲、光、電以及化學(xué)方面的變化，因此只要對局放發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的聲、光、電、化學(xué)等信號(hào)進(jìn)行檢測，即可對局放發(fā)生的類型、位置、嚴(yán)重程度等信息進(jìn)行判斷。

2 開關(guān)柜局放檢測及定位方法分析

2.1 局放檢測方法分析

常見的局放檢測方法可以分為電測法和聲測法兩種類型，其中電測法主要包括暫態(tài)地電壓測量、特高頻測量和高頻電流測量，聲測法主要是指超聲波測量。

暫態(tài)地電壓的測量原理為當(dāng)開關(guān)柜中的設(shè)備發(fā)生放電后，產(chǎn)生的電流波僅在開關(guān)柜箱體表面?zhèn)鞑ザ鵁o法輻射到開關(guān)柜外部，當(dāng)該電流波傳播到開關(guān)柜接縫處時(shí)，會(huì)在接縫處以電磁波的形式輻射到開關(guān)柜外部。因此，當(dāng)使用局放測試儀對暫態(tài)地電壓進(jìn)行測量時(shí)，必須將探頭放置在開關(guān)柜接縫處。同時(shí)，由于開關(guān)柜中的暫態(tài)地電波會(huì)在相連的金屬中傳播而無法穿透金屬，因此可能會(huì)出現(xiàn)拼在一起的一排開關(guān)柜中出現(xiàn)一個(gè)放電點(diǎn)導(dǎo)致整排開關(guān)柜暫態(tài)地電壓都超標(biāo)的情況。此種測量方法通常用在開關(guān)柜局放是否超標(biāo)的定性測量中。

特高頻檢測技術(shù)[4]的原理在于通過專用的特高頻天線對電力設(shè)備的局放水平進(jìn)行測量。對于低電壓等級(jí)的開關(guān)柜、敞開式設(shè)備及110 kV的GIS設(shè)備而言，基于裝設(shè)成本等方面的考慮，一般不在這些設(shè)備上裝設(shè)傳感器，通常采用便攜式局放設(shè)備進(jìn)行測量。對于220 kV及以上的GIS設(shè)備，由于其供電半徑較大，設(shè)備發(fā)生放電后影響范圍較廣，因此國網(wǎng)公司規(guī)定對于該種設(shè)備在每個(gè)間隔中至少裝設(shè)一個(gè)特高頻傳感器，從而為該類GIS設(shè)備的后期維護(hù)及在線監(jiān)測提供便利。特高頻監(jiān)測由于監(jiān)測的頻率較高，具有較好地抗干擾能力和靈敏度，不僅可以用于開關(guān)柜局放的定性測量，同時(shí)可以用于局放點(diǎn)的定位分析。

高頻電流測量的原理是局放發(fā)生后，其產(chǎn)生的高頻電流會(huì)通過接地點(diǎn)傳入接地網(wǎng)，因此將一個(gè)帶有高頻磁芯的電流互感器安裝在開關(guān)柜的接地線上，流經(jīng)接地線的高頻電流會(huì)在該電流互感器中耦合出脈沖電流，通過對該電流進(jìn)行檢測即可判斷出開關(guān)柜是否帶電。由于此種方法的監(jiān)測點(diǎn)布置在接地線上，因此可以使用一個(gè)傳感器對多臺(tái)開關(guān)柜的局放情況進(jìn)行檢測，非常適合作為開關(guān)柜局放在線檢測系統(tǒng)的檢測手段。

超聲波測量法的原理在于局放發(fā)生時(shí)會(huì)伴有一定程度的放電聲，該聲音在空氣及金屬等介質(zhì)中傳播，與暫態(tài)地電壓所不同的是超聲波能夠穿透金屬向外傳播，故此種方法不僅可以用于開關(guān)柜局放的定性測量，同時(shí)可以用于放電點(diǎn)的定位。超聲波傳感器可以分為接觸式超聲波傳感器和空氣式超聲波傳感器兩種，受開關(guān)柜全封閉設(shè)計(jì)的限制，通常采用接觸式超聲波傳感器貼在開關(guān)柜箱體上進(jìn)行測量。

2.2 局放定位方法分析

開關(guān)柜放電點(diǎn)的定位常采用的方法為時(shí)延估計(jì)法。時(shí)延估計(jì)法包括：聲聲時(shí)延估計(jì)法和聲電時(shí)延估計(jì)法[5]。

聲聲時(shí)延估計(jì)法的原理為在空間中布置四個(gè)及以上的超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)。假設(shè)放電點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(X，Y，Z)，任取布置的4個(gè)超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)作為參考節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)為(X0，Y0，Z0)，假設(shè)放電點(diǎn)發(fā)出的超聲波到達(dá)參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為T0。

由于超聲波在空氣中的傳播速度V約為340 m/s，以參考節(jié)點(diǎn)收到超聲波信號(hào)的時(shí)刻作為參考時(shí)刻，則另外三個(gè)超聲波測量節(jié)點(diǎn)從參考節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)至收到超聲波的時(shí)間為Ti，則該節(jié)點(diǎn)到放電點(diǎn)的距離為V(T0+Ti)，故對四個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)立方程有：

(X0—X)2+(Y0—Y)2+(Z0—Z)2=V2T02

(X1—X)2+(Y1—Y)2+(Z1—Z)2=V2(T0+T1)2

(X2—X)2+(Y2—Y)2+(Z2—Z)2=V2(T0+T2)2

(X3—X)2+(Y3—Y)2+(Z3—Z)2=V2(T0+T3)2

通過對四個(gè)方程式求解即可求出放電點(diǎn)的位置(X，Y，Z)。

聲電時(shí)延估計(jì)法的原理與聲聲時(shí)延估計(jì)法相似，區(qū)別在于將其中一個(gè)超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)替換為特高頻傳感器節(jié)點(diǎn)并將其作為參考觸發(fā)節(jié)點(diǎn)。由于特高頻接收到的是電磁波信號(hào)，因此可以認(rèn)為特高頻傳感器被觸發(fā)的時(shí)刻即為放電點(diǎn)的放電時(shí)刻，即聲聲時(shí)延估計(jì)法中的T0可以近似認(rèn)為0，則聯(lián)立的方程式可以由四個(gè)簡化成三個(gè)，通過對三個(gè)方程式求解即可得到放電點(diǎn)的位置(X，Y，Z)。

2.3 局放現(xiàn)場檢測及定位方法分析

通過對局放測量方法進(jìn)行分析可知，暫態(tài)地電壓測量和高頻電流測量比較適合應(yīng)用于局放的定性測試，特高頻測量和超聲波測量不僅適用于局放的定性測試，同樣適用于局放位置的定位。

通過對兩種定位方式的原理進(jìn)行分析可知，其共同點(diǎn)在于均是在空間中建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，設(shè)置多個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)，通過聯(lián)列方程求解得出其精確位置。這種方式理論上可以對局放放電點(diǎn)的位置進(jìn)行精確定位，但是在實(shí)際使用中由于局放超聲傳播路徑上可能存在多種材質(zhì)，超聲在不同材質(zhì)中的傳播速率有所不同，因此在大空間中采用這兩種方法確定的局放點(diǎn)的位置有一定誤差，但當(dāng)開關(guān)柜中的放電點(diǎn)確定位置后若需要對其深度進(jìn)行測試可以考慮使用聲電時(shí)延估計(jì)法。

表1 開關(guān)柜局放值測定

綜上，在分析常見局放檢測和定位方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合開關(guān)柜工作實(shí)際，在工作中根據(jù)現(xiàn)場情況對測量方法進(jìn)行改進(jìn)。具體做法為：使用暫態(tài)地電壓對開關(guān)室內(nèi)的局放情況進(jìn)行測量，確定其局放是否屬于正常水平，若局放水平超標(biāo)則首先利用兩個(gè)特高頻傳感器通過比較的方式確定放電點(diǎn)的大體方位，之后采用特高頻傳感器和超聲波傳感器相配合的方式確定放電點(diǎn)的精確位置。下面以某變電站局放定位實(shí)例對該方法進(jìn)行說明。

3 局放現(xiàn)場測試分析

3.1 開關(guān)柜檢測環(huán)境說明

某35 kV變電站配電室內(nèi)的開關(guān)柜在進(jìn)行例行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)其局放水平較高，通過連續(xù)多次檢測后確定其存在局放，欲對該開關(guān)室中的開關(guān)柜進(jìn)行進(jìn)一步測試，從而確定放電點(diǎn)位置并消除缺陷。

3.2 開關(guān)柜局放水平測試

在對35 kV開關(guān)室進(jìn)行檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場工況比較復(fù)雜，除了開關(guān)柜、直流屏、通信屏等設(shè)備外，開關(guān)室內(nèi)還有空調(diào)、照明燈、安防系統(tǒng)等設(shè)備同步運(yùn)行。測量發(fā)現(xiàn)該開關(guān)室內(nèi)的背景值較大，金屬背景為51 dB，空氣背景37 dB。在關(guān)閉了空調(diào)、日光燈、安防系統(tǒng)等輔助設(shè)施后局放背景值沒有明顯變化，可以排除現(xiàn)場干擾信號(hào)的影響。采用暫態(tài)地電壓對開關(guān)室內(nèi)各開關(guān)柜的局放值進(jìn)行測量，測量值如表1所示。由表1中測試結(jié)果可以看出，該開關(guān)室內(nèi)的局放水平整體較高，并且35 kV分段引線柜和35 kV分段開關(guān)柜的局放水平明顯高于其他開關(guān)柜，故初步斷定放電點(diǎn)位于35 kV分段引線柜和35 kV分段開關(guān)柜附近。

3.3 放電點(diǎn)方位測試

為了確認(rèn)放電點(diǎn)具體方位，需要使用特高頻來進(jìn)一步確認(rèn)。采用的方法是對35 kV引線柜和35 kV分段開關(guān)柜以及與之相鄰的開關(guān)柜進(jìn)行特高頻測試，使用示波器觀察信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的先后順序，距離放電點(diǎn)更近的傳感器收到的信號(hào)會(huì)超前。開關(guān)室內(nèi)部分開關(guān)柜的排布圖如圖1所示。

利用特高頻分別對35 kV二段壓變/避雷器柜、35 kV分段引線柜、35 kV一段壓變/避雷器柜、35 kV分段開關(guān)柜進(jìn)行了測量。在二段母線處局放信號(hào)率先到達(dá)35 kV分段引線柜處，說明放電點(diǎn)靠近35 kV分段引線柜；在一段母線處局放信號(hào)率先到達(dá)35 kV分段開關(guān)柜處，說明放電點(diǎn)靠近35 kV分段開關(guān)柜。由于35 kV分段引線柜和35 kV分段開關(guān)柜由母線橋架相連，通過對這兩個(gè)開關(guān)柜進(jìn)行特高頻測試，發(fā)現(xiàn)35 kV分段開關(guān)柜率先接收到局放信號(hào)，由此確定局放位置基本位于35 kV分段開關(guān)柜。

圖1 部分開關(guān)柜排布圖

3.4 放電點(diǎn)精確位置分析

為了確定放電點(diǎn)的精確位置，再次利用特高頻確定放電點(diǎn)位于開關(guān)柜的哪一側(cè)，之后利用聲電時(shí)延估計(jì)法的原理對其精確位置進(jìn)行定位。通過對35 kV分段開關(guān)柜的前中、前下、后上、后中、后下、側(cè)上、側(cè)中、側(cè)下8個(gè)位置進(jìn)行對比測試，最終發(fā)現(xiàn)局放點(diǎn)位置位于開關(guān)柜后倉靠近橋架的位置。利用聲電時(shí)延估計(jì)法的原理布置一個(gè)特高頻傳感器和兩個(gè)超聲波傳感器，對確定的方位點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，同時(shí)通過測量特高頻與超聲波信號(hào)的時(shí)間差，確定放電點(diǎn)距離開關(guān)柜后倉板的距離約為0.3 m。開關(guān)柜局放位置精準(zhǔn)定位圖如圖2所示。

圖2 開關(guān)柜局放位置精準(zhǔn)定位圖

4 消缺及原因分析

為了消除局放帶來的不良影響，對該35 kV分段開關(guān)柜進(jìn)行了解體檢修。檢修發(fā)現(xiàn)35 kV開關(guān)柜分段開關(guān)柜靠近母線橋架的出線套管中由于安裝工藝缺陷以及運(yùn)行條件等原因?qū)е绿坠芷帘苇h(huán)與套管均壓環(huán)接觸不牢固，從而產(chǎn)生了放電。開關(guān)柜局放實(shí)物圖如圖3所示。由圖3可知，由于長時(shí)間放電致使套管均壓環(huán)出現(xiàn)了嚴(yán)重的燒蝕，出現(xiàn)了凹陷的燒蝕點(diǎn)，周圍還有金屬粉末，此外套管均壓環(huán)的接觸點(diǎn)位置由于燒蝕導(dǎo)致了金屬被燒穿的情況。從解體情況分析，采用本文介紹的聲電聯(lián)合定位法能夠有效確定放電點(diǎn)的具體位置，并具有操作方便、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。

圖3 開關(guān)柜局放實(shí)物圖

5 結(jié)語

本文通過對常見局放檢測手段以及局放定位方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，在開關(guān)柜局放定位中可以使用暫態(tài)地電壓確定其局放是否屬于正常水平，若局放水平超標(biāo)則首先利用兩個(gè)特高頻傳感器通過比較的方式確定放電點(diǎn)的大體方位，之后采用特高頻傳感器和超聲波傳感器相配合的方式確定放電點(diǎn)的精確位置。通過一個(gè)現(xiàn)場實(shí)例說明了該種方法的應(yīng)用過程以及注意事項(xiàng)，對開關(guān)柜局放位置的現(xiàn)場定位具有一定的參考意義。

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