開關(guān)柜高頻脈沖電流局部放電檢測(cè)方法研究

馬飛越，李世昭，陳磊，應(yīng)東，張灝

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川750011；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏銀川750011）

0 引言

高壓開關(guān)柜作為變電站內(nèi)最重要的開關(guān)類設(shè)備之一，對(duì)電網(wǎng)供電可靠性起著至關(guān)重要的作用，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)乎主網(wǎng)設(shè)備及配電網(wǎng)的安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10年來開關(guān)柜發(fā)生的故障主要由柜內(nèi)部件絕緣故障引起，絕緣問題引發(fā)開關(guān)柜故障占比達(dá)68%。局部放電是設(shè)備出現(xiàn)絕緣故障的前兆，快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)局部放電可及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)絕緣缺陷，有效減少設(shè)備事故，提高電網(wǎng)的可靠性。

開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生局部放電時(shí)，其脈沖放電過程會(huì)在設(shè)備內(nèi)部和周圍產(chǎn)生光、聲、熱、電、振動(dòng)等化學(xué)及物理現(xiàn)象，利用先進(jìn)傳感技術(shù)檢測(cè)以上特征的變化，逐步形成包含暫態(tài)地電壓法、超聲波法、特高頻法及脈沖電流法等不同類型的開關(guān)柜局部放電檢測(cè)方法[1-3]。暫態(tài)地電壓法、超聲波法作為開關(guān)柜局部放電最常用的巡檢方法，其對(duì)不同缺陷的敏感度不同，且超聲波傳感器受限于檢測(cè)部位容易受信號(hào)傳輸路徑的影響。利用特高頻法對(duì)開關(guān)柜局部放電進(jìn)行巡檢易受外部電磁波影響，采用多傳感器定位需要多次在橫向、縱向及深度方向分別定位，且受開關(guān)柜本體密封性能影響較大。脈沖電流法能夠定量判斷設(shè)備內(nèi)部局放水平，但當(dāng)開關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)存在接線復(fù)雜且干擾大時(shí)，且無法滿足現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)需求。因此，本文利用高頻傳感信號(hào)靈敏度高且抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，與脈沖電流法相結(jié)合，提出一種開關(guān)柜高頻脈沖電流局部放電檢測(cè)方法，將微型高頻傳感器在帶電指示器引線上拾取信號(hào)，信號(hào)耦合回路與高壓設(shè)備具有直接的電氣聯(lián)系，能夠有效檢測(cè)開關(guān)柜內(nèi)不同類型的局部放電信號(hào)。

1 開關(guān)柜局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)

1.1 暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)變電站內(nèi)開關(guān)柜發(fā)生局部放電時(shí)，放電脈沖產(chǎn)生的帶電粒子會(huì)快速地由帶電體向接地的非帶電體快速遷移，并在柜體等非帶電體上產(chǎn)生高頻電流行波，以光速向各個(gè)方向快速傳播。由于受集膚效應(yīng)的作用，電流行波僅集中于金屬柜體的內(nèi)表面，而不能直接穿透金屬柜體。當(dāng)電流行波遇到金屬柜門縫隙等不連續(xù)的金屬斷開處時(shí)，行波會(huì)由金屬柜體的內(nèi)表面轉(zhuǎn)移到柜體外表面，并以電磁波形式向空間傳播，在柜體外表面產(chǎn)生暫態(tài)地電壓(transient earth voltage，TEV)，通過柜體外表面暫態(tài)地電壓傳感器可進(jìn)行局部放電特征檢測(cè)[4-6]。暫態(tài)地電壓局部放電信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。

圖1 暫態(tài)地電壓信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理

暫態(tài)地電壓法本質(zhì)上屬于外部電容法局部放電檢測(cè)技術(shù)，地電壓傳感器類似于射頻耦合電容器，表面覆蓋有聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）材質(zhì)，起到對(duì)傳感器保護(hù)支撐的同時(shí)起到絕緣作用，信號(hào)采用同軸屏蔽電纜引出。測(cè)量時(shí)，暫態(tài)地電壓傳感器緊貼在開關(guān)柜金屬柜體外表面，形成由金屬柜體、PVC材料和暫態(tài)地電壓傳感器構(gòu)成的平板電容器，柜體表面的電荷變化均會(huì)利用形成的電容器感應(yīng)出對(duì)應(yīng)的電荷變化，形成高頻感應(yīng)電流經(jīng)引出線輸入到檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部，并經(jīng)檢測(cè)設(shè)備主機(jī)檢測(cè)處理模塊得到開關(guān)柜局部放電的特征量。耦合電容器的電壓-電流關(guān)系為

式中：iPD為地電壓傳感器輸出的電流信號(hào)；utev為測(cè)點(diǎn)處的暫態(tài)地電壓信號(hào)；C為用電容量表征的傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)。

通過暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)原理及理論可以看出，暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)結(jié)果與地電壓傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)，不同的傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)得到不同的檢測(cè)結(jié)果；暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)與放電類型有關(guān)，對(duì)同種強(qiáng)度的不同類型放電，暫態(tài)地電壓檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)結(jié)果也會(huì)不同。可見，暫態(tài)地電壓傳感器會(huì)不可避免地受到邊沿效應(yīng)、渦流效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，嚴(yán)重偏離檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)頻帶范圍的放電類型，暫態(tài)地電壓法存在失效的可能性。

1.2 非接觸式超聲波局部放電檢測(cè)技術(shù)

開關(guān)柜內(nèi)存在局部放電時(shí)，由于特征為空氣絕緣的放電現(xiàn)象，其頻譜特性表現(xiàn)為頻率較低，一般僅有幾十至幾百kHz，采用非接觸式超聲波傳感器對(duì)檢測(cè)該類局部放電較為靈敏[7-9]。由于超聲波（acoustic emission，AE）傳輸受路徑的影響較大，要求放電源至檢測(cè)傳感器之間需有明晰的空氣傳輸路徑，非接觸式超聲波局部放電檢測(cè)對(duì)密封良好、無空氣間隙的開關(guān)柜檢測(cè)效果較差。

非接觸式超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器盒體部分對(duì)傳感器起保護(hù)作用，喇叭形諧振器的作用是與對(duì)應(yīng)頻率的超聲波信號(hào)產(chǎn)生諧振，有效耦合特定成分的超聲波信號(hào)。該型傳感器從傳感原理來看屬于一種窄帶的超聲波濾波器。

圖2 非接觸式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)

與接觸式壓電陶瓷傳感器不同，非接觸式超聲波傳感器的信號(hào)水平較低，最小可測(cè)信號(hào)甚至低于1 μV，因此超聲波局部放電檢測(cè)信號(hào)調(diào)理電路需包含前置放大器、帶通濾波器、混頻電路等模塊，其中前置放大電路將傳感器輸出的微弱信號(hào)放大以提高信號(hào)的抗干擾能力；內(nèi)部帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行選頻以抑制背景信號(hào)干擾；混頻電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為1 kHz左右的聲音信號(hào)，供檢測(cè)人員通過音頻判斷局部放電活動(dòng)。

1.3 特高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)

開關(guān)柜特高頻（ultra high frequency，UHF）局部放電檢測(cè)相對(duì)于暫態(tài)地電壓檢測(cè)、超聲波檢測(cè)被更多應(yīng)用于診斷定位。局部放電檢測(cè)的靈敏度取決于局部放電的類型和發(fā)生的部位，當(dāng)局部放電在很小的范圍內(nèi)發(fā)生時(shí)，柜內(nèi)絕緣材料絕緣強(qiáng)度和擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高，快速的擊穿過程會(huì)產(chǎn)生很陡的脈沖電流，從而激發(fā)出頻率為幾百M(fèi)Hz至GHz的電磁波[10]。UHF法檢測(cè)是通過特高頻傳感器對(duì)開關(guān)柜內(nèi)局部放電時(shí)產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，獲得并分析局部放電的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)局部放電類型及嚴(yán)重程度的判別。由于開關(guān)柜屬于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，開關(guān)柜局部放電信號(hào)的電磁波僅能從開關(guān)柜柜門觀察窗、柜門縫隙等部位傳出，受設(shè)備結(jié)構(gòu)影響對(duì)電磁波傳輸路徑影響較大。開關(guān)柜特高頻、暫態(tài)地電壓及超聲波局部放電綜合檢測(cè)原理如圖3所示。

圖3 開關(guān)柜局部放電測(cè)試裝置組成

如圖3所示，開關(guān)柜局部放電測(cè)試裝置中特高頻局部放電檢測(cè)功能主要由布置于開關(guān)柜觀察窗的特高頻傳感器感應(yīng)設(shè)備缺陷的特高頻信號(hào)，檢測(cè)儀器主機(jī)接收，處理耦合器采集到的特高頻局部放電信號(hào)，識(shí)別放電類型，判斷開關(guān)柜內(nèi)放電強(qiáng)度。現(xiàn)在開關(guān)柜特高頻帶電檢測(cè)普遍采用便攜式檢測(cè)儀器，與暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)、超聲波局部放電檢測(cè)集成，多種檢測(cè)方法互相補(bǔ)充提高設(shè)備局部放電檢測(cè)效率。

2 開關(guān)柜高頻脈沖電流局部放電檢測(cè)方法

2.1 開關(guān)柜高頻脈沖電流局部放電檢測(cè)原理

當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的電荷，使試樣兩端形成視在放電電荷，該視在放電電荷通過局部放電測(cè)試回路形成脈沖電流，通過匹配的檢測(cè)阻抗就可采集到一個(gè)脈沖電壓信號(hào)，脈沖電壓信號(hào)的大小在固定的測(cè)試回路參數(shù)條件下正比于試樣的視在放電電荷[11]。脈沖電流法局部放電檢測(cè)原理如圖4所示。

圖4 脈沖電流法局部放電檢測(cè)

脈沖電流法局部放電檢測(cè)在交流電源的作用下，試品Cx由于內(nèi)部缺陷產(chǎn)生局部放電，形成的脈沖電流經(jīng)耦合電容Ck在由Rd和Cd組成的檢測(cè)阻抗兩端形成一個(gè)瞬時(shí)的電壓變量ΔU，該脈沖電壓進(jìn)入局部放電測(cè)量?jī)x器D進(jìn)行處理和分析。其中的測(cè)量阻抗是一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)的元件，可以是電阻或電感的單一元件，也可以是電容電阻并聯(lián)或電阻電感并聯(lián)的RC和RL電路，圖中檢測(cè)阻抗用電阻、電感并聯(lián)表示，檢測(cè)頻帶的特性與局部放電測(cè)試儀的工作頻率相匹配。圖4中脈沖電流法檢測(cè)回路將脈沖電流利用檢測(cè)阻抗轉(zhuǎn)化為脈沖電壓信號(hào)進(jìn)入局部放電儀器，采用高頻線圈可獲取對(duì)應(yīng)回路的高頻電流信號(hào)，通過選擇對(duì)應(yīng)的耦合電容，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的局部放電檢測(cè)。以往的方法采用電纜部位提前安裝高頻電流傳感器，該方法利用電纜本體電容形成耦合作用，但不適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。本文基于開關(guān)柜帶電檢測(cè)顯示器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的微型高頻電流傳感器，可滿足現(xiàn)有開關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求，其檢測(cè)原理如圖5所示。

圖5中開關(guān)柜內(nèi)高壓母線采用在母線絕緣子尾部通過屏蔽電纜引至顯示單元，則支柱絕緣子本身具有一定的電容量，且直接與開關(guān)柜高壓母線電氣聯(lián)系，相當(dāng)于傳感器單元耦合電容，如發(fā)生局部放電信號(hào)，其高頻信號(hào)則通過該回路傳輸至顯示單元端子，圖中僅用A相表示，設(shè)計(jì)的穿心式高頻電流傳感器（HFCT）把回路的信號(hào)轉(zhuǎn)化并傳至局放測(cè)試儀D。

圖5 開關(guān)柜高頻脈沖電流法局部放電檢測(cè)

2.2 開關(guān)柜高頻脈沖電流局部放電檢測(cè)系統(tǒng)

為驗(yàn)證開關(guān)柜高頻脈沖電流局部放電檢測(cè)方法的有效性，采用變電站普遍配置的KYN28-12型開關(guān)柜，在試驗(yàn)室搭建開關(guān)柜局部放電等效檢測(cè)平臺(tái)，該檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 高頻脈沖電流法局部放電檢測(cè)系統(tǒng)

圖中采用調(diào)壓臺(tái)、隔離濾波器、試驗(yàn)變壓器產(chǎn)生高壓，模擬運(yùn)行狀態(tài)下開關(guān)柜內(nèi)所帶電壓，被試品為真型開關(guān)柜設(shè)備，在開關(guān)柜內(nèi)母線內(nèi)置局部放電缺陷，高頻傳感器采取如圖7所示方式接入帶電顯示單元回路，捕捉放電過程的脈沖電流信號(hào)。同時(shí)，比對(duì)超聲波局部放電檢測(cè)法、暫態(tài)地電壓檢測(cè)方法、特高頻檢測(cè)方法檢測(cè)的差異性，采用傳統(tǒng)脈沖電流局部放電檢測(cè)儀監(jiān)視缺陷產(chǎn)生的放電量并進(jìn)行定量描述。試驗(yàn)平臺(tái)采用西湖電子微型高頻傳感器，其實(shí)物布置方式如圖7所示。

圖7 微型高頻傳感器局部布置方式

3 開關(guān)柜局部放電檢測(cè)方法對(duì)比分析

3.1 缺陷模型設(shè)計(jì)

開關(guān)柜內(nèi)局部放電的產(chǎn)生與本體母線結(jié)構(gòu)、穿柜套管、觸頭座、電極屏蔽等結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，主要表現(xiàn)為絕緣放電、懸浮定位放電和尖端放電，不同的檢測(cè)方法對(duì)不同類型的缺陷敏感度不同，因此，開關(guān)柜局部放電缺陷模型設(shè)計(jì)主要包括三種類型（見圖8），在開關(guān)柜內(nèi)部模擬產(chǎn)生尖端、氣隙、懸浮放電信號(hào)，同步用高頻、特高頻、超聲波、暫態(tài)地電壓法檢測(cè)，比對(duì)各種檢測(cè)方式下的局部放電量值，放電量值用脈沖電流法標(biāo)定。

圖8 開關(guān)柜局部放電試驗(yàn)缺陷模擬

圖8為開關(guān)柜內(nèi)局部放電檢測(cè)試驗(yàn)缺陷模型設(shè)計(jì)，圖8(a)左半部分為懸浮放電缺陷模型示意圖，右半部分為缺陷模型實(shí)物圖，帶螺紋端與高壓電極相連，懸浮電位放電控制模型另一端金屬部件與電極的距離形成懸浮電位；圖8(b)左半部分為尖端放電缺陷模型，右半部分為尖端缺陷模型實(shí)物圖，帶螺紋端與高壓導(dǎo)體相連接，另一端形成尖端放電；圖8(c)左半部分為絕緣放電缺陷模型，右半部分為絕緣缺陷模型實(shí)物圖，實(shí)物兩端分別為高低壓電極，中間絕緣材料內(nèi)部設(shè)置有氣隙，形成絕緣缺陷。

3.2 不同檢測(cè)方法比對(duì)分析

升壓前分別記錄脈沖電流法、AE、TEV、UHF、HF檢測(cè)的背景值，其中脈沖電流法測(cè)試背景局部放電信號(hào)為1.2 pC，四種類型圖譜如圖9所示。

圖9 AE、TEV、UHF、HF四種檢測(cè)背景圖譜

在尖端模型下，系統(tǒng)電壓從零逐步升壓至2.3 kV、4.4 kV、8.6 kV，在8.6 kV下脈沖電流法測(cè)得尖端放電量增至194 pC，觀測(cè)AE、TEV、UHF、HF四種檢測(cè)方法的放電量值，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 尖端放電局放檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

可以看出放電信號(hào)較小時(shí)，高頻法初始靈敏度明顯高于其他3種方法，特高頻和超聲波法反應(yīng)較差；放電信號(hào)中等和較大（量值55.9 pC，194 pC）時(shí)，高頻法測(cè)得的信號(hào)量值和增幅最大，在4種方式中信噪比最高，從信號(hào)值增幅數(shù)據(jù)來看，高頻法隨信號(hào)變化幅度大，對(duì)信號(hào)的發(fā)展變化反應(yīng)最充分。

在絕緣氣隙放電模型下，施加電壓升壓至2.2 kV，脈沖電流法測(cè)得放電量81 pC的氣隙放電信號(hào)，同時(shí)觀測(cè)AE、TEV、UHF、HF四種檢測(cè)方式的放電量值，繼續(xù)升壓至7.8 kV，脈沖電流法測(cè)得氣隙放電量增至492 pC，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 絕緣氣隙放電局放檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

可以看出，放電信號(hào)較?。恐?1 pC）時(shí)，高頻法初始靈敏度明顯高于其他3種方法；放電信號(hào)較大（量值240 pC、492 pC）時(shí)，高頻法測(cè)得的信號(hào)值和增幅最大，是4種方式中信噪比最高的。

在懸浮電位放電模型下，電壓升壓至3.5 kV，脈沖電流法測(cè)得放電量3 050 pC的懸浮放電信號(hào)，同時(shí)觀測(cè)AE、TEV、HF、UHF四種檢測(cè)方式的放電量值，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。可以看出，在放電量3 050 pC的懸浮放電下，高頻法測(cè)得的信號(hào)值在這4種方式中最大，特高頻法效果接近，超聲波和暫態(tài)地電壓法效果一般。

表3 懸浮電位放電局放檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

4 結(jié)論

利用開關(guān)柜帶電指示器結(jié)構(gòu)作為耦合電容，結(jié)合微型高頻傳感器可實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜高頻脈沖電流法局部放電帶電檢測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)室建立開關(guān)柜局部放電檢測(cè)方法對(duì)比平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明在開關(guān)柜帶電指示器引出線上采用高頻脈沖電流法檢測(cè)局部放電比常規(guī)的特高頻法、暫態(tài)地電壓法、超聲波法在檢測(cè)靈敏度和表征局部放電發(fā)展趨勢(shì)方面有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠有效檢測(cè)開關(guān)柜內(nèi)不同類型的局部放電信號(hào)。該方法靈敏度高、使用便捷，可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)柜局部放電檢測(cè)。