開關(guān)柜局部放電傳感器監(jiān)測方案及仿真研究

謝榮斌，馬春雷，朱 俊，薛 靜，張 霖

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局，貴州 貴陽 550000)

高壓開關(guān)柜是一種集測量、控制、保護(hù)功能于一體的電力設(shè)備，在電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠、變電站中大量安裝，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于生產(chǎn)工藝存在局限性，經(jīng)過長期運(yùn)行后開關(guān)柜內(nèi)會形成各種形式的局部放電(簡稱“局放”)，并可能引起一系列絕緣故障發(fā)生。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，開關(guān)柜絕緣故障引起事故的臺次占開關(guān)柜總事故臺次的68%和事故總?cè)萘康?4%，是引起開關(guān)柜事故的主要原因。因此，及時(shí)監(jiān)測到開關(guān)柜內(nèi)的局部放電并進(jìn)行診斷，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)潛在絕緣故障，就可以有效減少事故發(fā)生，提高設(shè)備及電網(wǎng)的穩(wěn)定性[1]。

文獻(xiàn)[2]基于Vivado設(shè)計(jì)開發(fā)了一套配電開關(guān)柜絕緣在線監(jiān)測及防凝露調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜的防凝露調(diào)控。文獻(xiàn)[3]針對高壓開關(guān)柜局放問題,采用監(jiān)控裝置對開關(guān)柜現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測，并通過工業(yè)電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)變換立體空間,從而360°無死角地實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜監(jiān)測的視頻、圖像采集，并引用結(jié)合Sobel算子的四幀差分法，對所采集到的視頻、圖像進(jìn)行計(jì)算、分析。文獻(xiàn)[4]提出了采用超聲波技術(shù)的開關(guān)柜局部放電超聲波定位方法，該方法可忽略波形模態(tài)的影響,無需直接進(jìn)行時(shí)延估計(jì)。文獻(xiàn)[5]針對運(yùn)行中的開關(guān)柜尋找到一條在帶電情況下可利用局放信號提取回路,設(shè)計(jì)了專用開口式高頻寬帶電流傳感器,實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜組局放在線監(jiān)測功能。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)介紹了高壓開關(guān)柜局放方面的監(jiān)測技術(shù)，在科學(xué)的檢測技術(shù)下，使得相關(guān)電力人員可以在最短的時(shí)間內(nèi)掌握局部放電現(xiàn)象的原因和部位，最快恢復(fù)高壓開關(guān)柜的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

暫態(tài)地電波(Transient Earth Voltage，簡稱TEV)局放監(jiān)測方法的主要應(yīng)用方式是定期的帶電巡檢，不僅會消耗大量的人力物力，還會因?yàn)楸O(jiān)測人員水平和經(jīng)驗(yàn)的不足而導(dǎo)致漏判誤判。由于對開關(guān)柜內(nèi)部局放位置與嚴(yán)重程度尚未進(jìn)行深入研究，分布式傳感器節(jié)點(diǎn)部署位置并未有實(shí)際方案。

基于開關(guān)柜絕緣故障的原理，提出一種改進(jìn)的TEV局部放電檢測方法，傳感器采用非侵入式監(jiān)測手段實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)一些潛在的絕緣故障。對開關(guān)柜內(nèi)部局放位置進(jìn)行研究，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)進(jìn)行開關(guān)柜的局部放電監(jiān)測，優(yōu)化監(jiān)測效果。仿真及試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性和可行性。

1 開關(guān)柜內(nèi)局放電磁波傳播機(jī)理

利用麥克斯韋方程分析開關(guān)柜內(nèi)局放電磁波的傳播機(jī)理，可以得到均勻介質(zhì)中電磁場的波動方程：

(1)

引入標(biāo)量勢φ和矢量電勢A，分析得到方程的解：

(2)

由式(2)可知，局放所產(chǎn)生的高頻電磁波是沿著r方向進(jìn)行的，傳播速度為v，這說明電磁波產(chǎn)生之后向周圍空間均勻輻射和擴(kuò)散。

2 仿真分析

2.1 開關(guān)柜仿真模型的建立

受制于計(jì)算力與仿真時(shí)間的限制，在開關(guān)柜建模過程中僅保留一些主要設(shè)備[7-10]。

針對該類型開關(guān)柜進(jìn)行仿真建模，柜體大小為800 mm×1 500 mm×2 300 mm，如圖1所示。

圖1 開關(guān)柜仿真模型(單位：mm)

各個(gè)組件材料的電磁參量如表1所示。

表1 各個(gè)組件材料電磁參量

2.2 仿真分析

通過仿真模型探究開關(guān)柜內(nèi)電場強(qiáng)度的分布規(guī)律，以及局放脈寬、局放幅值與檢測距離對傳感器測量信號的影響。

(1)對開關(guān)柜內(nèi)部的YZ平面內(nèi)部的場強(qiáng)變化進(jìn)行監(jiān)測，如圖2所示。由圖2中場強(qiáng)的變化可知，在剛開始時(shí)，縫隙處的場強(qiáng)逐漸增大，在經(jīng)過一段時(shí)間后，電磁波穿過開關(guān)柜縫隙向外部傳播，在時(shí)間為7.1 ns時(shí)，縫隙處場強(qiáng)比柜體中央表面大25 dB左右。由此可知，電磁波在經(jīng)過縫隙時(shí)，一部分向空氣傳播，另一部分沿著開關(guān)柜表面?zhèn)鞑?，形成暫態(tài)地電壓，并且在邊界處場強(qiáng)最大。

圖2 開關(guān)柜內(nèi)YZ平面的場強(qiáng)變化過程

(2)探究局放源脈寬對TEV信號幅值的影響。不同放電源下脈沖寬度與TEV信號幅值的關(guān)系：檢測點(diǎn)的TEV幅值隨著電源脈沖寬度的增加而呈指數(shù)衰減，TEV的脈沖寬度也隨著電源的脈寬增加而增大。

(3)局放源幅值對TEV信號的影響。在開關(guān)柜外表面上設(shè)置分布式傳感器的探測單元檢測暫態(tài)地電波信號。結(jié)果表明，局放源的幅值越高，傳感器監(jiān)測到的局放信號幅值越強(qiáng)。

(4)檢測距離對TEV信號幅值的影響。對測量到的電壓幅值進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果表明，隨著監(jiān)測距離由100 mm增加到600 mm時(shí)，傳感器采集的局放信號脈沖寬度穩(wěn)定之后不變；而局放信號的幅值隨著監(jiān)測距離的增大由47.72 μV逐漸減少到2.11 μV，顯然局放信號的幅值隨著局放源與分布式傳感器之間的監(jiān)測距離增大而呈現(xiàn)逐漸衰減趨勢。

3 TEV分布式傳感器位置部署

開關(guān)柜內(nèi)部局放產(chǎn)生的電磁波以球面波的形式向外傳遞[11-13]。在根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)易發(fā)生局放的位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，比較在相同局放源下各監(jiān)測點(diǎn)測量得到的局放幅值與方差大小，確定TEV分布式傳感器的部署位置。

(1)根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)易發(fā)生局部放電的位置，設(shè)置局放源與傳感器的部署點(diǎn)。

(2)對仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。計(jì)算各檢測點(diǎn)電壓幅值，如表2所示。

表2 各檢測點(diǎn)電壓幅值

由表2各個(gè)檢測點(diǎn)的電壓幅值可知，根據(jù)歸一化結(jié)果，由于放電位置的不同，開關(guān)柜外表面各個(gè)點(diǎn)的檢測情況不一樣，這與開關(guān)柜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與電磁波的折反射有關(guān)。實(shí)際開關(guān)柜在運(yùn)行過程中，電纜放電發(fā)生的情況最多，因此綜合考慮之后，選擇前柜門左側(cè)中央l點(diǎn)作為最佳的傳感器安裝位置。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對仿真試驗(yàn)得到的部署方案，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

依次在開關(guān)柜后柜門左上角、前柜門底邊G點(diǎn)、前柜門左側(cè)中央一級前柜門頂邊部署分布式傳感器。設(shè)置不同放電缺陷模型于開關(guān)柜中指定位置，證明前柜門中央處可以作為分布式傳感器部署點(diǎn)。

(1)電纜尖板放電的驗(yàn)證。將局放傳感器放置在與仿真模型相對應(yīng)的檢測點(diǎn)E，G，I和K的位置上，B相電纜終端放置尖板放電模型，計(jì)算不同檢測位置的波形幅值平均值及其歸一化幅值。尖板放電實(shí)測與仿真曲線如圖3所示。

圖3 尖板放電實(shí)測與仿真曲線圖

(2)電流互感器內(nèi)部氣隙放電(Q2)的試驗(yàn)驗(yàn)證。計(jì)算不同檢測位置的波形幅值平均值及其歸一化幅值。氣隙放電實(shí)測與仿真曲線如圖4所示。

圖4 氣隙放電實(shí)測與仿真曲線圖

(3)斷路器支撐絕緣子沿面放電(Q3)的試驗(yàn)驗(yàn)證。將局放傳感器放置在與仿真模型相對應(yīng)的檢測點(diǎn)E，G，I和K的位置上，B相斷路器支撐絕緣子下方表面附近放置沿面模型，同樣也記錄不同監(jiān)測位置的波形幅值平均值及其歸一化幅值。沿面放電實(shí)測與仿真曲線如圖5所示。

圖5 沿面放電實(shí)測與仿真曲線圖

(4)斷路器懸浮放電試驗(yàn)驗(yàn)證。懸浮放電實(shí)測與仿真曲線如圖6所示。

圖6 懸浮放電實(shí)測與仿真曲線圖

由圖3至圖6可知，I點(diǎn)是該開關(guān)柜局放信號的TEV傳感器的最佳安裝地點(diǎn)(前柜門左側(cè)中央)，這與仿真驗(yàn)證結(jié)果一致。

5 結(jié)語

開關(guān)柜制造成本較低，如果內(nèi)部發(fā)生局部放電后，廠家往往選擇直接換用新的開關(guān)柜，對開關(guān)柜的保護(hù)措施較為薄弱。目前局部放電傳感器的部署主要排布于開關(guān)柜表面，但是對開關(guān)柜表面測量局部放電的最佳位置并未進(jìn)行研究。本文建立仿真模型，通過仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，確定開關(guān)柜局部放電傳感器的部署位置，在盡量保證成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜局部放電的監(jiān)測，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。