白 鹭， 李冠良， 郑志宏

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

高压开关柜作为电力系统配电网中一种十分重要的电气设备，广泛应用于发电厂、变电站、厂矿企业、住宅小区及城市配电网开闭所等场所，具有占地面积小、安装方便等优点[1]。高压开关柜的安全、稳定运行对电网安全具有重要意义。然而，高压开关柜内空间紧凑、结构复杂，且长期工作于带电状态，其中的绝缘器件在电应力及热应力的作用下，绝缘性能逐渐降低，最终导致绝缘故障[2]。局部放电的产生是开关柜绝缘故障前的征兆，通过监测局部放电，可以及时检测出开关柜中潜在的绝缘故障[3-4]。据统计，我国电力系统6～10 kV 开关柜事故中，超过40%的故障是由于绝缘和载流引起的，其中由于绝缘部分闪络造成的事故占绝缘事故总数的79%[5]。

目前，国内外关于开关柜局部放电检测的方法主要有超声波法、暂态对地电压法、特高频法等，这些方法都有开关柜绝缘缺陷[6-8]，普遍存在易受外界干扰、受开关柜类型限制、检测精度低等缺点。为了克服这些缺点，本文提出了一种基于脉冲电流法并从开关柜带电显示器核相孔获取局部放电信号的检测方法。应用该方法对10 kV开关柜进行局部放电检测，取得了良好的效果。

1 脉冲电流法检测原理

脉冲电流法是一种利用罗氏线圈或者测量阻抗获取各种绝缘缺陷产生局部放电脉冲电流信号的方法[9]。该方法已广泛应用于变压器、电力电缆、GIS 等电力设备的局部放电检测[10-12]，其原理如图 1 所示。图 1 中，Ca为试样电容；Zm为检测阻抗；D 为局部放电检测仪；Ck为耦合电容，其作用是为局部放电信号提供高频通道；L 为低通滤波器，其作用为阻止被测的高频脉冲或电源中的高频分量通过，当设备内部的缺陷在高电压下产生局部放电时，与Ca构成的回路会产生脉冲电流，其频率通常在数十千赫兹以上，由于L 的存在，高频的脉冲电流只有很少一部分通过L 所在的回路，主要的电流都施加在了检测阻抗Zm所在的回路里，这样局部放电检测装置就可以捕捉到局部放电信号。

图1 脉冲电流法测量原理图

2 检测装置的硬件设计

2.1 整体结构

基于电脉冲技术的配电网开关柜局部放电检测系统主要由耦合电容传感器、主机、便携式计算机3 部分组成，其系统整体原理流程如图2 所示。在这3 个部分中，计算机的功能主要是实现数据获取、图谱显示与后期处理；主机的功能主要是完成对局部放电信号的预处理。开关柜局部放电检测系统采用耦合电容传感器耦合局部放电信号，通过同轴电缆传输至滤波放大电路，再通过选通开关和采样保持器送给A/D 转换器，转换后的数据经过分析处理进行诊断识别。

图2 开关柜局部放电检测装置原理流程示意图

2.2 可调式耦合电容的开发

在运行的开关柜中，由于带电显示装置的存在，在开关柜中都具有带有分压功能的支撑绝缘子存在，这个具有分压功能的支撑绝缘子和带电显示器的存在使得在开关柜上实现IEC 60270 标准中所描述的局部放电耦合回路得以实现。为了充分利用高压开关柜及降低成本，本文提出了一种从高压开关柜配置的带电显示器核相孔处取得局部放电脉冲的方法。由于开关柜的结构，每一台开关柜都有一个带电显示装置，它由安装在开关下方的一个具有分压电容功能的支撑绝缘子来供电，实时显示开关的带电状况和核相使用，可以利用其作为耦合电容的上节。在此基础上，研究与之匹配的电容，使之成为耦合电容的下节。为此，本文设计了一种RLC 并联型局部放电加强器，其等效电路如图3 所示。其中，Cks为高压开关柜内的支撑绝缘子，Ckx为局部放电加强器内的等效电容，这2 个电容串联可形成等效局部放电耦合电容Ck，使之形成一个基于IEC60270 电脉冲局部放电标准的耦合回路。Rd和Ld分别为局部放电加强器内的等效电阻和等效电感。

图3 RLC 并联型局部放电加强器等效电路图

局部放电加强器安装在高压带电显示装置的背面，如图4 所示。首先拔掉绝缘子式电容传感器连接电缆，然后插上局部放电加强器，将绝缘子式电容传感器连接电缆连接到放大器的连接线上。由于不同型号开关柜的支撑绝缘子电容量不同，为了匹配不同型号的开关柜，局部放电加强器的电容、电感和电阻值均可以调节。使用时，局部放电加强器能够测量出Cks的电容量，而后调节RLC 并联回路，使得调节的Ckx与Cks相匹配。局部放电加强器与带电显示装置、绝缘子式电容传感器一起使用，电容传感器可用电容量范围为3～100 pF。

图4 局部放电加强器安装示意图 (mm)

2.3 滤波放大电路的设计

由于耦合传感器工作环境不可避免地有各种干扰（如电源干扰、电磁辐射干扰、悬浮电位放电干扰、工频干扰等），因此局部信号需先经过滤波电路，剔除工作频带以下的干扰信号。本文设计了一种有源二阶高通滤波电路，滤波电容选择32 pF，滤波后经0.1 μF 隔电容输出。经Multisim电路仿真软件验证：该滤波系统能够滤除500～20 MHz 内的干扰信号。基于运算放大器的RC 滤波器的设计理论已经比较成熟，运算芯片选择LM6172，其工作电压范围为±5～±15 V，单位增益带宽为110 MHz，转换速率为3 000 V/μs，具有较高的转换速度和共模抑制比，放大器的频宽大于传感器频宽，能不失真地放大电流传感器输出信号。根据实际需要，电路放大倍数设计为12 倍，为保护异常情况下硬件电路元器件的安全，电路配置了钳位保护和浪涌保护电路。滤波放大电路如图5 所示。

图5 中，8k55 表示电阻值为 8.55 kΩ，R50表示50 Ω（小阻值电阻一般用R+数字表示），是仿真软件的表示方法。

图5 滤波放大电路图

2.4 A/D 转换和数据预处理模块的设计

A/D 转换和数据预处理采取数字信号处理器DSP（digital signal processor）+现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate array）的设计方案，结合了DSP 信号处理能力强和FPGA 并行计算能力强的特点。为了实现高速微弱信号采集，硬件电路需要单独的高速采样A/D 模块，并由FPGA驱动A/D 转换器进行数据采集。其优点是并行性好、实时性强，适合大规模并行运算场合。一方面把采集的信号储存到FPGA 和DSP 共享的随机存取存储器RAM（random access memory） 中，另一方面接收DSP 发来的指令，启动采集程序。其电路如图6 所示。

图6 A/D 转换和数据预处理模块电路图

3 实验结果

将本文研发的高压开关柜局部放电检测装置安装在国网山西省电力公司已投运10 a 的10 kV开关柜上，开关柜的额定电流为1 250 A，带电指示器的电容传感器容量为20 pF，局部放电加强器耦合电容为300 pF，三相核相孔直径均为5 mm。测试局部放电类型为电晕放电，测试电压为2.38 kV。采样信号从带电显示器核相孔取得，测量得到的三相局部放电信号某一相局部放电信号谱图如图7 所示，利用特恩普局部放电仪采集的局部放电谱图如图8 所示。由图7 和图8 可知，利用本文研发的局部放电检测装置检测到的局部放电最大幅值为190 pC，利用特恩普局部放电仪检测到局部放电最大幅值为185 pC。对比图7 和图8 的测量结果，表明本装置测量的局部放电具有较高的精确度。

图7 本文研发的局部放电检测装置检测到的局部放电谱图

图8 特恩普局部放电仪检测到的局部放电谱图

4 结束语

本文设计的基于脉冲电流法的高压开关柜局部放电检测装置可以有效、直观地检测开关柜内部绝缘状况，能有效防止灾难性故障的发生。通过构建检测回路、理论研究、装置开发和平台验证，得到如下结论。

a） 本文设计的基于脉冲电流法的高压开关柜局部放电检测装置，采用高速AD 芯片与FPGA相结合的方法采集局部放电脉冲信号，再通过DSP 对采集的数据进行分析处理，最后在计算机上实时显示局部放电信号谱图。其特别之处在于从开关柜配置的带电显示核相孔处取得信号，大大节约了装置成本。

b） 本文专门设计的可调式耦合电容传感器，可以对不同类型的高压开关柜进行局部放电检测，具有精确度高、抗干扰能力强、稳定性好、经济耐用等优点。

c） 通过对国网山西省电力公司的10 kV 开关柜进行实验测试，表明此装置可以有效监测到开关柜内的真实局部放电信号。

d） 将本装置检测的局部放电相位谱图与特恩普局部放电仪检测的局部放电相位谱图比较，结果表明本装置具有较高的测量准确度。