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)

在變電站的建設過程中，基于城市建設用地及操作便捷性等方面的考慮，高壓開關柜在新建變電站中被廣泛應用。高壓開關柜雖然具有操作便捷及安全穩(wěn)定等優(yōu)點，但由于其采用全封閉結構設計，在運行中存在故障發(fā)現(xiàn)不及時、故障點定位不準確等問題，嚴重影響了開關柜運行的可靠性。

開關柜的電氣故障尤其是主回路故障通常會以局部放電(以下簡稱局放)的形式表示出來，因此局放測試是對其進行故障檢測和定位的重要手段?，F(xiàn)有局放通常單獨采用暫態(tài)地電壓、超聲波、特高頻等手段，存在定位精度差、放電類型不準確等問題，極大地影響了開關柜局放的定位效率，不利于開關柜檢修的快速開展[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)中傳播的時間差確定局放的精確位置，并通過一個實例介紹應用方法及注意事項。本文對開關柜局放定位工作的開展具有一定的現(xiàn)場指導作用。

1 開關柜局放檢測原理分析

開關柜中的設備在運行中因運行條件及設備結構等方面的因素，柜中某些位置的電場強度會發(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)生的過程中會產(chǎn)生一些機械波以及電磁波，同時會有聲、光、電以及化學方面的變化，因此只要對局放發(fā)生時產(chǎn)生的聲、光、電、化學等信號進行檢測，即可對局放發(fā)生的類型、位置、嚴重程度等信息進行判斷。

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

特高頻檢測技術[4]的原理在于通過專用的特高頻天線對電力設備的局放水平進行測量。對于低電壓等級的開關柜、敞開式設備及110 kV的GIS設備而言，基于裝設成本等方面的考慮，一般不在這些設備上裝設傳感器，通常采用便攜式局放設備進行測量。對于220 kV及以上的GIS設備，由于其供電半徑較大，設備發(fā)生放電后影響范圍較廣，因此國網(wǎng)公司規(guī)定對于該種設備在每個間隔中至少裝設一個特高頻傳感器，從而為該類GIS設備的后期維護及在線監(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，不僅可以用于開關柜局放的定性測量，同時可以用于局放點的定位分析。

高頻電流測量的原理是局放發(fā)生后，其產(chǎn)生的高頻電流會通過接地點傳入接地網(wǎng)，因此將一個帶有高頻磁芯的電流互感器安裝在開關柜的接地線上，流經(jīng)接地線的高頻電流會在該電流互感器中耦合出脈沖電流，通過對該電流進行檢測即可判斷出開關柜是否帶電。由于此種方法的監(jiān)測點布置在接地線上，因此可以使用一個傳感器對多臺開關柜的局放情況進行檢測，非常適合作為開關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)生時會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柜局放的定性測量，同時可以用于放電點的定位。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，受開關柜全封閉設計的限制，通常采用接觸式超聲波傳感器貼在開關柜箱體上進行測量。

2.2 局放定位方法分析

開關柜放電點的定位常采用的方法為時延估計法。時延估計法包括：聲聲時延估計法和聲電時延估計法[5]。

聲聲時延估計法的原理為在空間中布置四個及以上的超聲波傳感器節(jié)點。假設放電點的空間坐標為(X，Y，Z)，任取布置的4個超聲波傳感器節(jié)點中的一個作為參考節(jié)點，其坐標為(X0，Y0，Z0)，假設放電點發(fā)出的超聲波到達參考節(jié)點的時間為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)點收到超聲波信號的時刻作為參考時刻，則另外三個超聲波測量節(jié)點從參考節(jié)點被觸發(fā)至收到超聲波的時間為Ti，則該節(jié)點到放電點的距離為V(T0+Ti)，故對四個節(jié)點聯(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

通過對四個方程式求解即可求出放電點的位置(X，Y，Z)。

聲電時延估計法的原理與聲聲時延估計法相似，區(qū)別在于將其中一個超聲波傳感器節(jié)點替換為特高頻傳感器節(jié)點并將其作為參考觸發(fā)節(jié)點。由于特高頻接收到的是電磁波信號，因此可以認為特高頻傳感器被觸發(fā)的時刻即為放電點的放電時刻，即聲聲時延估計法中的T0可以近似認為0，則聯(lián)立的方程式可以由四個簡化成三個，通過對三個方程式求解即可得到放電點的位置(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行分析可知，其共同點在于均是在空間中建立一個三維坐標系，設置多個檢測節(jié)點，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的位置進行精確定位，但是在實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的位置有一定誤差，但當開關柜中的放電點確定位置后若需要對其深度進行測試可以考慮使用聲電時延估計法。

表1 開關柜局放值測定

綜上，在分析常見局放檢測和定位方法的基礎上，結合開關柜工作實際，在工作中根據(jù)現(xiàn)場情況對測量方法進行改進。具體做法為：使用暫態(tài)地電壓對開關室內(nèi)的局放情況進行測量，確定其局放是否屬于正常水平，若局放水平超標則首先利用兩個特高頻傳感器通過比較的方式確定放電點的大體方位，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的精確位置。下面以某變電站局放定位實例對該方法進行說明。

3 局放現(xiàn)場測試分析

3.1 開關柜檢測環(huán)境說明

某35 kV變電站配電室內(nèi)的開關柜在進行例行檢測時發(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，欲對該開關室中的開關柜進行進一步測試，從而確定放電點位置并消除缺陷。

3.2 開關柜局放水平測試

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

3.3 放電點方位測試

為了確認放電點具體方位，需要使用特高頻來進一步確認。采用的方法是對35 kV引線柜和35 kV分段開關柜以及與之相鄰的開關柜進行特高頻測試，使用示波器觀察信號到達兩個傳感器的先后順序，距離放電點更近的傳感器收到的信號會超前。開關室內(nèi)部分開關柜的排布圖如圖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分段開關柜進行了測量。在二段母線處局放信號率先到達35 kV分段引線柜處，說明放電點靠近35 kV分段引線柜；在一段母線處局放信號率先到達35 kV分段開關柜處，說明放電點靠近35 kV分段開關柜。由于35 kV分段引線柜和35 kV分段開關柜由母線橋架相連，通過對這兩個開關柜進行特高頻測試，發(fā)現(xiàn)35 kV分段開關柜率先接收到局放信號，由此確定局放位置基本位于35 kV分段開關柜。

圖1 部分開關柜排布圖

3.4 放電點精確位置分析

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

圖2 開關柜局放位置精準定位圖

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分段開關柜進行了解體檢修。檢修發(fā)現(xiàn)35 kV開關柜分段開關柜靠近母線橋架的出線套管中由于安裝工藝缺陷以及運行條件等原因?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。開關柜局放實物圖如圖3所示。由圖3可知，由于長時間放電致使套管均壓環(huán)出現(xiàn)了嚴重的燒蝕，出現(xiàn)了凹陷的燒蝕點，周圍還有金屬粉末，此外套管均壓環(huán)的接觸點位置由于燒蝕導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的具體位置，并具有操作方便、準確度高的特點。

圖3 開關柜局放實物圖

5 結語

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)缺點進行分析，在開關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，若局放水平超標則首先利用兩個特高頻傳感器通過比較的方式確定放電點的大體方位，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的精確位置。通過一個現(xiàn)場實例說明了該種方法的應用過程以及注意事項，對開關柜局放位置的現(xiàn)場定位具有一定的參考意義。

參考文獻：

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