伊犁新天煤化工有限責任公司 陳朝暉 朱 濤 劉京師 俞愛軍

高壓開關(guān)柜是配電系統(tǒng)中不可或缺的電力設(shè)備，具有開斷和關(guān)合電力線路、保護和監(jiān)測等重要作用[1]。35kV及以下高壓開關(guān)柜應(yīng)用規(guī)模極大，大多數(shù)無人值守，長期運行工作中，由于未對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，絕緣缺陷無法及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致事故頻發(fā)。事故原因多種多樣，尤其是由于開關(guān)柜的設(shè)計冗余低、材料特性不良、工藝缺陷、電氣元件絕緣老化、操作故障、工作人員誤操作或其它未及時消除的缺陷等因素導(dǎo)致的傷人、燒柜的事故經(jīng)常發(fā)生，所引發(fā)的停電事件也給生產(chǎn)帶來的影響及損失也越來越大，特別是開關(guān)柜局部放電致使絕緣老化破壞絕緣層，由于發(fā)現(xiàn)不及時逐步發(fā)展成拉弧致使設(shè)備財產(chǎn)損失。因此，對高壓開關(guān)柜內(nèi)局部放電進行檢測，有助于發(fā)現(xiàn)故障并處理故障，避免設(shè)備進一步損壞，提高供電的可靠性。

1 局部放電概述

1.1 局部放電原因

在足夠強的電場作用下，當高壓開關(guān)柜內(nèi)某一區(qū)域的電場強度超過擊穿場強時，該區(qū)域就會發(fā)生局部放電，但這種放電未造成擊穿[2]。在高壓產(chǎn)品中，局部放電通常是不可避免的。在常見的高壓開關(guān)柜故障中，絕緣故障是故障發(fā)生率最高的。而高壓開關(guān)柜往往會存在絕緣等級不足的問題，在其制造或使用過程中會導(dǎo)致絕緣內(nèi)部存在氣泡和雜質(zhì)等，從而引起局部電場強度分布不均勻，進而導(dǎo)致局部放電。導(dǎo)致局部放電的原因可歸納以下三點。

設(shè)備自身原因：生產(chǎn)制造工藝不完善，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部存在氣泡和雜質(zhì)；絕緣材料老化，設(shè)備外表存在凹凸不平；絕緣強度不足等。

運行狀態(tài)的影響：運行過程中受到過電壓，雷電波沖擊，諧波畸變等。

周圍環(huán)境因素：高壓開關(guān)柜運行處于潮濕、過熱、揚灰的環(huán)境。

1.2 局部放電危害

通常情況下，局部放電有幾種種類，其中常見的類型有：電暈放電、懸浮電位放電、內(nèi)部放電和沿面放電等，不同類型的放電對電力設(shè)備都有巨大的危害。局部放電發(fā)生時，往往伴隨著多種物理變化和化學反應(yīng)，將引起設(shè)備絕緣缺陷，導(dǎo)致絕緣性能下降，在電與熱的雙重作用下，加快絕緣劣化過程，縮短設(shè)備使用壽命。如果長時間的局放未得到有效處理，很可能會造成絕緣擊穿，導(dǎo)致故障進一步擴大。通常，高壓開關(guān)柜常發(fā)生的故障，大多數(shù)是由于局部放電所引起，其危害是加快設(shè)備絕緣劣化和影響安全生產(chǎn)，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行造成威脅。

1.3 局部放電檢測原理

為了確保系統(tǒng)的供電可靠性，同時提高對高壓開關(guān)柜檢修工作效率，則需要對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測。由于高壓開關(guān)柜具有密封的特點，使得其內(nèi)部各器件的狀態(tài)難以巡視查看，如表面污損、物理變形、絕緣破損等。目前，大多數(shù)地方都是停電檢修，這種方法的主要問題就是盲目性大，費時費力。停電檢修增加了無故障設(shè)備的停運次數(shù)，可能會在檢修過程中由于檢修人員疏忽或操作失誤等，造成新的問題。另外一個更重要的原因是檢修停電并不能真實反映電氣設(shè)備在運行狀態(tài)下的真實狀態(tài)，這樣就導(dǎo)致部分故障問題不易被發(fā)現(xiàn)，甚至誤診。目前，國內(nèi)外學者對局部放電已有了大量的研究與探索。局部放電是一種脈沖放電，往往會伴隨著電、光、熱、聲等物理現(xiàn)象和化學變化[3]。因此，這些物理現(xiàn)象和化學變化可以為檢測局部放電提供可靠依據(jù)。

2 局部放電檢測方法

目前，根據(jù)廣大學者推出的多種局放檢測方法，其中應(yīng)用較多的方法有超聲波檢測法、超高頻檢測法、化學法以及光學法等。不同方法都存在各自的優(yōu)勢與不足，本節(jié)著重展開分析，并提出一種聲電聯(lián)合檢測的方法。

2.1 超聲波檢測法

當高壓開關(guān)柜內(nèi)出現(xiàn)局部放電的情況下，其周圍會出現(xiàn)機械震動的現(xiàn)象，伴隨著震動就會形成聲波。聲波頻帶寬，包含的頻率分量多，超聲波信號的頻率高于20kHz。其檢測方法大致是在高壓開關(guān)柜外殼放置數(shù)多個超聲波傳感器，當發(fā)生局部放電時，所產(chǎn)生的超聲波信號傳至傳感器，經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺偻ㄟ^電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)處理單元對傳入的信號進行進一步處理，最終在主機顯示模塊將檢測結(jié)果顯示出來[4]。

該方法的主要特點是傳感器不與電路回路連接，且不易受電磁干擾，抗干擾能力強，在某些局部放電檢測領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。但是，該方法也有不足的地方。在局部放電的過程中，其實際放電量與超聲波信號二者之間關(guān)系無法關(guān)聯(lián)，因此無法通過超聲波信號來判定局部放電的放電程度，進而無法分析設(shè)備的絕緣受損情況。由于超聲波由震動產(chǎn)生，在實際工程中其檢測方法易受到外界震動和噪聲的干擾，影響檢測結(jié)果[5]。另外，超聲波的衰減速度快，因此整體檢測效率低。所以，一般情況下，超聲波檢測在放電量較大的情況下比較適用。

2.2 特高頻檢測法

高壓開關(guān)柜內(nèi)局部放電所產(chǎn)生的放電電流脈沖持續(xù)時間為ns級，并激發(fā)數(shù)GHz的電磁波，屬于特高頻段[6]。特高頻法原理就是通過特高頻傳感器檢測局部放電過程中所產(chǎn)生的電磁波信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器采集，并將所采集到的信號傳至電腦監(jiān)測軟件，分析得出局放信息。該檢測方法具有以下優(yōu)點。

檢測靈敏度高：局部放電所產(chǎn)生的特高頻信號在傳播時，會伴隨功率損耗，因此信號會逐漸衰減，但衰減速度緩慢，一般可忽略這種損耗。若引起振蕩，特高頻信號振蕩時間加長，更有利于信號的檢測提取，因此，該方法靈敏度高。

抗干擾能力強：由于在現(xiàn)場運行中的高壓開關(guān)柜，其周圍有大量的電氣設(shè)備，因此會出現(xiàn)其他的電磁干擾，對檢測的結(jié)果有一定程度的影響。電暈放電干擾是現(xiàn)場最為常見的干擾，目前，大多數(shù)特高頻傳感器所檢測電磁波信號的頻率范圍在300～3000MHz，而現(xiàn)場電暈放電干擾主要集中在300MHz以下，因此該方法有效的避免了電暈發(fā)電干擾，與超聲波檢測法相比較，體現(xiàn)出了抗干擾能力強的優(yōu)點。

可實現(xiàn)局部放電源定位：局部放電產(chǎn)生的特高頻信號在氣體中傳播速度接近光速，信號經(jīng)過傳播到達各個傳感器的時間和傳播路程成在一定關(guān)系，因此，可根據(jù)特高頻信號到達傳感器的時間差，分析信號傳播的方向，大概得出放電源的位置，及時發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，提高人工巡檢效率，為檢修計劃提供參考。

利于絕緣缺陷類型識別：不同類型絕緣缺陷引起的放電，得到的PRPD譜圖與PRPS譜圖也會不同?？蓪嶋H得到的譜圖與幾種典型的譜圖特征作比較分析，進而初步判斷缺陷類型。

一般情況下，傳感器安裝方式分為內(nèi)置式和外置式。內(nèi)置式安裝時，考慮到電磁波信號會在傳輸過程中緩慢衰減，在體積較大的開關(guān)柜內(nèi)，為了確保檢測的靈敏性，需在一定距離的位置置放多個特高頻傳感器，相應(yīng)的成本也會增加。高壓開關(guān)柜是金屬性密封設(shè)備，金屬外殼則會影響電磁波的傳播，柜內(nèi)的電磁波信號也可通過檢測孔或縫隙傳播，因此也可采用外置式傳感器。選擇合理的、利于接收電磁波信號的置放位置，從而提高檢測的靈敏度。采用特高頻檢測法無法確定局部放電的放電量，因此也無法分析出設(shè)備絕緣受損程度。

2.3 其它檢測方法

根據(jù)局部放電所伴隨的現(xiàn)象特點，除以上方法外，通常還有暫態(tài)地壓法、光學法、化學法等。

2.3.1 暫態(tài)地壓法

在高壓開關(guān)柜發(fā)生局部放電時，金屬外殼表面裂縫處兩側(cè)形成不同電壓，通過對該暫態(tài)地電壓檢測，可以得到局部放電的相關(guān)信息，對推算放電源的位置提供幫助[7]。

2.3.2 光學法

通常在開關(guān)柜有局放現(xiàn)象時，會伴隨著光現(xiàn)象，所以可用通過光傳感器來檢測光信號。該方法缺點是準確度和精確度都容易受到環(huán)境干擾，且光傳感器成本高。

2.3.3 化學法

設(shè)備發(fā)生局部放電時，會將氣體分解，則可通過化學檢測法對分解氣體進行檢測，不足在于易受設(shè)備內(nèi)斷路器電弧影響，大大降低檢測精度。

2.4 聲電聯(lián)合檢測法

目前，在對高壓開關(guān)柜進行局部放電檢測中，通常會結(jié)合多種方法，充分利用各自的優(yōu)點，提高局放檢測的精準度。特高頻法原理簡單，靈敏度高，信號傳輸衰減緩慢，抗干擾能力強，但是對定位精度不高。超聲波法定位準確，但信號衰減較快，受外界干擾影響。超聲波與特高頻的聲電聯(lián)合檢測法，集合了兩者的優(yōu)點，通過超聲波傳感器結(jié)合特高頻傳感器分別對超聲波信號、特高頻信號提取，再對提取到的信號進行分析比較，發(fā)現(xiàn)異常信號后，結(jié)合兩者檢測技術(shù)，進行綜合分析。

考慮到安裝費用成本問題，特高頻法一般采用外置式特高頻傳感器，由于電磁波傳播速度較快，利用時差法粗略檢測局放位置，可對局放進行檢測大致定位，排除現(xiàn)場其它干擾[8]。而超聲波信號傳播速度遠小于電磁波，因此時間差更加明顯，應(yīng)用超聲波法對局放位置進一步檢測，使得局放檢測更加準確，為檢修人員提供參考，及時發(fā)現(xiàn)潛在絕緣缺陷，確保設(shè)備的穩(wěn)定運行。

2.5 應(yīng)用案列

在變電站高壓開關(guān)柜局放檢測中，傳感器選擇合適的置放位置，應(yīng)根據(jù)日常經(jīng)驗總結(jié)分析易放電的區(qū)域。例如高壓開關(guān)柜的母線連接處，開關(guān)和側(cè)面板支撐的絕緣部件等?，F(xiàn)以某變電站的高壓開關(guān)柜局放檢測為例，在其內(nèi)壁上各安裝一只超聲波傳感器與特高頻傳感器，局放數(shù)據(jù)采集器則安裝在中間開關(guān)柜內(nèi)壁，一臺采集器可檢測相鄰兩臺開關(guān)柜，共計三臺開關(guān)柜。

在此案例中，由后臺檢測軟件得到某一時間實時趨勢圖、PRPD譜圖、PRPS譜圖，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測軟件分析圖

由局放實時趨勢圖可分析出，放電次數(shù)基本在50的整數(shù)倍左右。PRPD譜圖點的累積顏色深度表示此處放電脈沖的密度，根據(jù)點的分布情況可判斷信號主要集中的相位、幅值及放電次數(shù)情況，并根據(jù)點的分布特征來對放電類型進行判斷。由PRPD圖看出，放電脈沖基本上集中在一塊區(qū)域或者兩塊區(qū)域。PRPS譜圖是一種實時三維圖，一般情況下x軸表示相位，y軸表示信號周期數(shù)量，z軸表示信號強度或幅值。把所測PRPS譜圖與典型放電譜圖進行比較，對發(fā)展趨勢等因素進行綜合判斷，可初步得出開關(guān)柜存在局部放電現(xiàn)象，進而確定檢修處理策略，確保了變電站的正常運行。

3 局放干擾信號及抑制措施

在對電氣設(shè)備特征狀態(tài)量的在線監(jiān)測過程中，由于運行環(huán)境不同，實際傳感器采集到的信號可能會不同程度地受到多種干擾源的影響。高壓開關(guān)柜內(nèi)部由于長期處于大電流高壓環(huán)境中，其電磁環(huán)境復(fù)雜多變，在進行運行狀態(tài)監(jiān)測時，安裝的傳感器容易受到高溫和強電磁的影響。因此，本節(jié)重點針對高壓開關(guān)柜的局部放電信號中常見干擾源和抑制措施進行了研究。

3.1 常見干擾源

由于高壓開關(guān)柜運行環(huán)境較為復(fù)雜，因此在對其局部放電的檢測過程中，將影響檢測自身的干擾信號，連同局放信號一起被局放傳感器采集到，對檢測結(jié)果造成影響。常見的干擾源如下類型：

3.1.1 周期性干擾

常見的周期性干擾信號主要由電力設(shè)備中諧波、載波通訊、無線電信號以及自身高頻保護所引起的。這類干擾信號在時域特征上是高頻正弦波，且頻率較高，具有確定的諧振頻率和帶寬。

3.1.2 白噪聲干擾

一般來說，白噪聲干擾包含各種隨機噪聲。比如，繼電保護裝置動作發(fā)出的噪聲，配電線路正常運行過程中發(fā)出的噪聲，局放過程中電子器件動作引起的噪聲等。

3.1.3 脈沖干擾

脈沖型干擾包含隨機性脈沖型干擾和周期性脈沖型干擾。這類干擾信號主要由可控硅元件動作、異步電機干擾訊號、熒光燈、繼電器等開關(guān)設(shè)備動作以及電極在電場方向機械運動引起的。這類干擾信號一般稱之為系統(tǒng)固有干擾，或者環(huán)境干擾信號。

3.2 干擾抑制措施

由于在實際工程應(yīng)用中，現(xiàn)場干擾往往比實驗室大許多倍，為了確保檢測結(jié)果的準確性，對現(xiàn)場干擾的抑制是必不可少的。對于特高頻法而言，雖然抗干擾能力較強，但在復(fù)雜多變的現(xiàn)場環(huán)境，仍有較多干擾，在開始測試前，盡可能排除干擾。對于超聲波檢測而言，干擾源主要是開關(guān)室內(nèi)的異常發(fā)聲，如檢測人員觸碰物體、發(fā)聲等；開關(guān)柜中風扇運轉(zhuǎn)噪音；空調(diào)壓縮機噪音等。檢測前，可采取關(guān)閉空調(diào)、風扇，禁止發(fā)聲等措施。

4 展望

由于在實際工程應(yīng)用中，現(xiàn)場設(shè)備的運行環(huán)境復(fù)雜，使得單一的局放檢測法存在一定局限性，檢測準確性不高。而以超聲波法為主，特高頻法為輔，集合兩者的優(yōu)點，各自發(fā)揮優(yōu)勢，可以更加全面的了解、分析數(shù)據(jù)，全面的反映出局放信息，不僅能夠檢測出局部放電，并且能對放電源進行定位，有效提高對放電源定位水平。基于超聲波法和特高頻法的聯(lián)合檢測法在今后不僅僅局限于高壓開關(guān)柜局放檢測，經(jīng)過更深一步的研究探索，為未來的局放檢測領(lǐng)域積累經(jīng)驗，甚至延伸至電力系統(tǒng)中更多電力設(shè)備的局放定位檢測當中。

5 結(jié)語

本文在局部放電檢測的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析各自方法的優(yōu)缺點，進一步對基于超聲波法和特高頻法的聯(lián)合檢測法作出研究，對高壓開關(guān)柜內(nèi)的運行狀況掌握更加深入，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，并及時處理，盡可能避免故障的發(fā)生，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。