局部放電檢測法在高壓變頻機組絕緣檢測中的應(yīng)用

唐玉龍，孫麗華

（1.國家管網(wǎng)集團西氣東輸公司鄭州輸氣分公司，河南鄭州450000；2.柳州電力勘察設(shè)計有限公司，廣西柳州545000）

隨著科技的不斷發(fā)展，越來越多的大容量變頻機組應(yīng)用在鐵路、管道、鋼鐵、石油石化等行業(yè)，這些行業(yè)生產(chǎn)運行對供電連續(xù)性要求高，一旦停電停產(chǎn)，將會造成重大的經(jīng)濟損失或安全事故。作為重要用電設(shè)備的變頻電動機組的連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)是安全生產(chǎn)的核心要素，因此變頻電動機組絕緣的狀態(tài)是影響裝置安全運行的重要因素。高壓變頻機組的絕緣在線檢測是當前電氣領(lǐng)域重要的課題之一，能防患于未然，消除安全隱患。目前，國內(nèi)在高壓變頻裝置絕緣在線檢測領(lǐng)域仍舊使用傳統(tǒng)的工頻接地電流檢測技術(shù)，該技術(shù)可靠性較差并且無法檢測出絕緣的初期故障。適用于高壓變頻機組的局部放電檢測技術(shù)目前還是一個空白領(lǐng)域。本文采用檢測高頻電磁波的局部放電檢測技術(shù)，實現(xiàn)高壓變頻電動機組的絕緣在線檢測。

1 電氣設(shè)備絕緣在線檢測方法分析

由于現(xiàn)代檢測技術(shù)的更新?lián)Q代，人工智能算法的日漸普及，通過對電氣設(shè)備局部放電所產(chǎn)生的電磁波、聲波、光波、溫度等物理量的檢測，并對這些檢測信息進行處理和綜合分析，同時根據(jù)其數(shù)值的大小和變化趨勢，可計算出絕緣劣化發(fā)展趨勢，并對絕緣的可靠性在線做出判斷，便于發(fā)現(xiàn)早期的絕緣故障。設(shè)備在運行狀態(tài)下進行連續(xù)的檢測與分析是電氣設(shè)備絕緣在線檢測的特點[1]。

1.1 直流疊加法

直流疊加法是在交流系統(tǒng)中在線加入直流電壓，通過檢測直流電流的大小來判斷運行電氣設(shè)備的絕緣老化程度的方法。以電纜為例，通過檢測電纜接地線中的直流分量，可實現(xiàn)對電纜主絕緣狀態(tài)的在線檢測。目前有企業(yè)將疊加直流電壓增加至1.5～2.5 kV，測量直流泄漏電流，計算對地絕緣電阻，直流疊加法接線如圖1所示。此方法在實踐應(yīng)用中存在弊端，不僅需要改變電力系統(tǒng)的一次接線方式，且電壓互感器中性點的隔直電容在系統(tǒng)運行中易產(chǎn)生諧振。直流疊加檢測方法適用于與電力系統(tǒng)無電力連接的獨立供電網(wǎng)絡(luò)[1]。

圖1 直流疊加法原理圖Fig.1 Principle diagram of DC superposition method

1.2 溫度測量法

電氣設(shè)備絕緣事故的發(fā)生也會伴隨有局部溫度的變化。對設(shè)備進行實時溫度檢測可以幫助判斷設(shè)備的絕緣是否正常。以電纜為例，通過在電纜生產(chǎn)過程中將光纖嵌入電纜或者緊貼電纜表面鋪設(shè)光纖，將光纖作為溫度采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。當激光脈沖通過光纖時，會產(chǎn)生散射，包括瑞利散射和拉曼散射，后者與光纖溫度相關(guān)，可通過測量和分析瑞利散射的背向散射或者返回光纖入射端的散射光去確定拉曼散射點的溫度。通過測量入射的激光脈沖被散射并返回到入射端的時間來確定散射點的位置。溫度測量法在現(xiàn)場中已大量應(yīng)用，不論是電力電纜還是電氣設(shè)備，通過溫度的檢測可以反映出絕緣狀態(tài)，但此種方法無法反映出絕緣劣化的初期發(fā)展趨勢及劣化過程。該方法更多地是反映電氣設(shè)備老化的結(jié)果，無法對設(shè)備的老化過程進行有效檢測[2]。

1.3 接地線電流法

接地線電流法是通過在電氣裝置接地線端進行電流測量的方法。因為電氣裝置絕緣不斷劣化過程中，伴隨著接地電流也不斷增大。接地電流的大小與電壓等級、接地方式、線路長度都有關(guān)系，有時達到數(shù)十A。通過長期檢測接地電流可以分析出接地電流的發(fā)展趨勢。如果接地電流突然增大，若無其他故障，可認為這是電氣設(shè)備絕緣的劣化所致。該方法比較適合對單點接地的電氣設(shè)備進行絕緣在線檢測，此技術(shù)可靠性較差并且無法檢測出絕緣的初期故障。

1.4 局部放電檢測法

局部放電是指在電場作用下，絕緣系統(tǒng)中只有局部區(qū)域發(fā)生放電，在導體之間并沒有形成貫穿電壓，絕緣性能仍然較好，整個絕緣沒有被擊穿，簡稱局放。局部放電分為表面局部放電和內(nèi)部局部放電。目前國內(nèi)外對局部放電檢測技術(shù)進行了深入的研究，出版發(fā)布了多種等級技術(shù)規(guī)范，如：GB/T 7354—2018《局部放電測量》、GB/T3048.12《電線電纜電性能試驗方法局部放電試驗》、IEC 60270《高電壓試驗技術(shù)——局部放電測量》、DL/T417—2019《電力設(shè)備局部放電測量現(xiàn)場導則》等。局部放電測量是定量分析絕緣劣化狀態(tài)的最有效方法，在絕緣劣化引發(fā)初期，其局部放電量約0.1 pC。當發(fā)展到介質(zhì)擊穿臨界狀態(tài)時，其局部放電量可達到1 000 pC以上。在線檢測電氣設(shè)備局部放電是預(yù)測設(shè)備運行壽命、及時發(fā)現(xiàn)故障隱患、保障電力安全的重要依據(jù)。局部放電的識別和定位則是研究的目的，也是對設(shè)備進行故障診斷和維修的重要依據(jù)。現(xiàn)代計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、信號處理技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學計算分析方法的廣泛應(yīng)用，為局部放電在線檢測技術(shù)的推廣起到了有效的支撐作用[3]。

在現(xiàn)場實際應(yīng)用中主要采用電量測量法對電氣設(shè)備局部放電進行測量。本文僅對高頻脈沖電流法（high frequency current transformer，HF?CT）、超高頻法（ultra-high frequency，UHF）這2種電量檢測方式進行探討。

1.4.1 高頻脈沖電流法（HFCT）

高頻脈沖電流法是目前使用最廣泛的局部放電檢測方法，通過檢測局部放電的高頻電流脈沖反映電氣設(shè)備的局部放電特性。HFCT絕緣檢測傳感器由磁芯、羅高夫斯基線圈、濾波和取樣單元以及電磁屏蔽盒組成。線圈繞在高頻下具有較高導磁率的磁芯上；濾波及取樣單元的設(shè)計兼顧測量靈敏度和信號響應(yīng)頻帶的要求。該方法的檢測頻率范圍為1～30 MHz，測量方法簡單，靈敏度高，易于局部放電定量分析。本項目采用美國德克薩斯州大學Karen L.Butler-Purry Pro?fessor的理論，解決了局放脈沖電流法在檢測重復接地電力系統(tǒng)中存在的分流和環(huán)流問題以及局部放電檢測的歷史趨勢預(yù)測的技術(shù)難題。

1.4.2 超高頻法（UHF）

超高頻法通過在電氣設(shè)備旁邊安裝UHF傳感器接收局部放電輻射的超高頻電磁波，實現(xiàn)局部放電的檢測。超高頻法檢測的頻譜在300 MHz～1.5 GHz，當電氣設(shè)備產(chǎn)生局部放電時，超高頻信號會以電磁波的方式向空間傳輸，不再依附于電氣導體傳輸，這就為空間檢測提供了條件，同時超高頻檢測法更利于屏蔽噪聲，檢測準確度更高[3]。

1.5 常見絕緣檢測方法特點分析

不同檢測原理具有各自的技術(shù)優(yōu)缺點，適用于不同的場所。局部放電檢測法安全、靈敏度高，適用于重要設(shè)備的絕緣檢測；直流疊加法需要改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并且需要將直流信號注入電網(wǎng)；溫度測量法靈敏度較低，電纜在制作時將感溫光纖埋入電纜，適用于海底電纜；接地電流法適用于傳統(tǒng)小電流接地選線裝置。表1為不同絕緣檢測技術(shù)對比。

表1 絕緣檢測技術(shù)對比Tab.1 Comparison of insulation detection techniques

通過表1對比可知，局放檢測法是高壓變頻機組絕緣檢測的最佳解決方案，目前無其他檢測手段能夠?qū)崿F(xiàn)變頻機組的絕緣在線檢測功能。

2 局部放電檢測技術(shù)在高壓變頻機組中的應(yīng)用

2.1 高壓變頻機組絕緣在線檢測技術(shù)方案

高壓變頻機組由隔離變壓器、高壓變頻器、線路電動機組構(gòu)成。高壓變頻器的工作原理及性能特點使高壓變頻電動機組運行時產(chǎn)生大量的諧波，這些諧波以行波方式在線路中傳輸，在遇到隔離變壓器和電動機類高感抗電氣設(shè)備時會產(chǎn)生行波反彈，反彈行波的電壓是正常電壓的2倍。機組連續(xù)運行時，過電壓會對高壓變頻機組電氣設(shè)備絕緣造成危害。高壓變頻電動機組在實際工程運行中，出現(xiàn)了眾多此類絕緣故障的案例。

采用局部放電檢測技術(shù)是解決此類故障的最優(yōu)方案，其他原理檢測技術(shù)不適用于變頻電動機組這種復雜電磁環(huán)境。在高壓變頻設(shè)備運行時，如果電力電子器件及設(shè)備本體絕緣下降，裝置會發(fā)生局部放電現(xiàn)象，產(chǎn)生局部放電的部位會發(fā)射出超高頻電磁波（300 MHz～1.5 GHz）和高頻脈沖電流（1～30 MHz），通過檢測這兩種電磁波信號即可實現(xiàn)局部放電的檢測，可以預(yù)判出機組絕緣劣化的發(fā)展趨勢，從而可以實現(xiàn)變頻機組的絕緣在線檢測。變頻設(shè)備工作頻率一般運行在1～100 kHz范圍內(nèi)，反應(yīng)電力電子元件絕緣狀態(tài)的局放信號在1～30 MHz和300 MHz～1.5 GHz兩個頻率段內(nèi)，這兩個頻率段都遠離電力電子設(shè)備工作頻率，通過精確的檢測設(shè)備可以在線檢測出變頻電動機組的絕緣狀態(tài)[4]。

2.2 超高頻法（UHF）圖譜分析

在實驗室進行電纜接頭的局部放電實驗，通過超高頻檢測法對電纜接頭局部放電進行在線檢測，捕獲了局放信號中超高頻圖譜，如圖2～圖4所示。通過對圖2～圖4圖譜的分析，可以準確反映電纜絕緣的劣化狀態(tài)。超高頻放電均值為-20 dBm，放電脈沖數(shù)為128次/s。

圖2 UHF PRPS圖Fig.2 UHF PRPS chart

圖3 UHF橢圓圖Fig.3 UHF elliptic chart

圖4 UHF Q-Φ-N圖Fig.4 UHF Q-Φ-N chart

通過上面三個局部放電圖譜分析可知：放電均值大于-35 dBm，放電相位差為180°，反映出電纜接頭發(fā)生單相局部放電現(xiàn)象，通過此項實驗可以驗證超高頻檢測法對于電氣設(shè)備局放檢測的靈敏性和準確性。

2.3 高頻脈沖電流法（HFCT）圖譜分析實例

采用高頻脈沖電流檢測法對某企業(yè)現(xiàn)場運行的11 MW高壓變頻電動機組進行在線檢測，采集到機組局放強烈信號，發(fā)現(xiàn)了電機絕緣隱患。

檢測設(shè)備信息為：功率11 MW，電壓6 kV。檢測數(shù)據(jù)如下：放電峰值1 266 mV，放電均值742.26 mV，放電脈沖數(shù)396個/s。對HFCT PRPS等三個圖譜進行分析，結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 HFCT PRPS圖Fig.5 HFCT PRPS chart

圖6 HFCT橢圓圖Fig.6 HFCT elliptic chart

圖7 HFCT Q-Φ-N圖Fig.7 HFCT Q-Φ-N chart

通過圖譜和檢測數(shù)據(jù)分析，高頻脈沖放電量已超過1 000 pC，電機本體已產(chǎn)生明顯的局部放電現(xiàn)象，通過現(xiàn)場開蓋檢查，11 MW高壓變頻電動機定子上發(fā)現(xiàn)了放電痕跡，如圖8所示。通過現(xiàn)場設(shè)備試驗可以驗證高頻脈沖電流檢測法檢測的準確性。高頻脈沖電流檢測法適用于變頻電動機組及防爆電動機組的絕緣在線檢測。

圖8 11 MW高壓變頻電動機定子放電痕跡Fig.8 Stator discharge trace of 11 MW high voltage variable frequency motor

3 結(jié)論

局部放電檢測技術(shù)中超高頻法和高頻電流脈沖法具有不改變電力一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、與被檢測設(shè)備無電氣連接、檢測精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，這些是局部放電檢測在高壓變頻設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢。隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，5G技術(shù)的普及勢在必行，物聯(lián)網(wǎng)將全面推廣，局部放電檢測技術(shù)伴隨5G技術(shù)將向小型化、智能化、離散化發(fā)展，為在高壓變頻設(shè)備絕緣檢測的技術(shù)推廣鋪平了道路。