徐为立，马 华，俞贤文，王 睿，刘 超

(国网宁夏电力有限公司中卫供电公司，宁夏 中卫 755000)

0 引 言

高压开关柜作为电力系统使用极广、数量众多的电气设备，其运行状态对供电可靠性具有重要意义[1-3]。高压开关柜在运行过程中受雷击、谐波畸变、潮湿、灰尘等因素影响，同时由于开关柜本身材料含有杂质、绝缘体内有气泡等材料和制作工艺不良会产生各种形式的局部放电现象。局部放电会对绝缘结构产生侵蚀作用，其持续发展会使绝缘的劣化损伤逐步扩大，最终使绝缘正常寿命缩短、短时绝缘强度降低，甚至可能使整个绝缘击穿[4]，因此对设备的局部放电信号进行精确的检测以提前定位缺陷的位置和类型，可有效维护电力系统的安全稳定运行。

局部放电会在电力设备内部和周围以电磁、声波和气体形式释放能量。通过检测这些信号特征量来判定局部放电强度、频次和位置，主流方法有脉冲电流法、暂态地电压法(transient earth voltage，TEV法)、超声波法(acoustic emission ，AE)和超高频法[5-7]。脉冲电流法对于突变信号反应灵敏，但抗电磁干扰能力差，测量的频率低，频带窄。TEV检测灵敏度高，对介质内部放电敏感，但对介质外部放电不敏感。AE不受电磁干扰，对介质外部放电敏感而对介质内部放电不敏感。超高频法抗干扰能力强、检测灵敏度高，但安装复杂、成本高。不同方法有其独特的优势和适用场景，在实际检测过程中，单一检测方法无法全面反应故障缺陷和类型，应尽可能使用多种方法进行检测，然后给出综合评判结果[8-9]。本研究将TEV和AE相结合，开发了一套基于TEV和AE的开关柜局部放电综合分析系统，能够准确、灵活地实现局部放电信号的检测，较好地克服了单一检测方法在开关柜局部放电巡检中存在的漏检、误报或疑似放电信号微弱难以准确判断等问题。

1 TEV和AE局部放电检测技术

1.1 TEV局部放电检测技术原理及特点

当开关柜内部发生局部放电时，放电点会产生高频电流波，并且以光速向各个方向迅速传播。由于集肤效应，电流波不会直接穿透金属柜，而是在开关柜内表面进行传播。在金属断开或绝缘连接处，电流波会转化为电磁波进入自由空间，电磁波传出金属柜时，就会在金属箱体上产生1个电压[10]，即TEV。基于TEV的局部放电检测技术通过在开关柜外壳上测量暂态地电压，可以有效测量设备内部的局部放电信号，具有很强的抗干扰能力，且具备不停电检测、定位准确和操作方便等优点。

1.2 AE局部放电检测技术原理及特点

当局部放电发生时，放电部位的气体膨胀和收缩，机械应力与粒子力快速振荡，导致放电点周围介质的振动从而产生声波信号[11-12]。这种信号的中心频率在40 kHz附近，超出了人耳可辨的声音频率上限(20 kHz)，故称为超声波，需要超声波传感器才能检测。基于AE的局部放电检测方法不需要改变电气设备运行方式，可以使用多个传感器通过接收时差定位缺陷且不易受电磁方面的干扰。

2 系统架构与实现

针对开关柜运行的绝缘劣化和现场局部放电检测相关问题，本文开发出既满足常规快速巡检便携性需求，又可实现开关柜局部放电严重程度全天候监测，还能兼顾多柜体绝缘介质劣化程度跟踪的开关柜局部放电综合分析系统。

2.1 系统结构

本系统主要由传感器、局部放电监测终端和局部放电信号综合分析和诊断软件组成。

系统灵活配置TEV及AE传感器，对局部放电信号四通道同步高速采集，具备实时记录及多图谱分析功能，通过人工智能分析系统进行模式准确识别。采用非侵入方式，选用TEV和AE传感器联合检测，能有效过滤干扰信号，主要技术参数如表1所示。

表1 开关柜局部放电综合分析系统技术参数

传感器采集信号经过阻抗匹配、抗混叠滤波器和信号放大预处理电路，输入到80 M/s、四通道同步数据采集模块，获取开关柜局部放电实时数据。传感器包含传感器本体与同轴电缆两部分，同轴电缆BNC接口与传感器本体连接，SMB接口与采集系统连接。TEV传感器接收发生局部放电时开关柜柜体外壳上感应出的暂态对地脉冲电压信号，AE传感器接收发生局部放电时向外辐射的超声波信号。传感器安装在开关柜低压室内壁上接近连接缝隙处，采用磁吸式固定安装。

局部放电监测终端由高性能工控机、高速采集卡和显示器组成，负责采集传感器信号，进行初步分析和处理，然后通过网络上传至局部放电信号综合分析和诊断软件。

图1给出了开关柜局部放电综合分析系统的拓扑结构，主要由信息感知层、网络处理层和数据应用层组成。首先由工作在信息感知层的监测终端上的传感器采集局部放电信号，然后将采集到的数据通过以太网或无线网传输给网络处理层和数据应用层上的服务器进行数据分析，最后将分析结果返回给数据应用层上的应用软件，本系统支持手机APP和web浏览器同时访问。

图1 开关柜局部放电综合分析系统拓扑结构

2.2 综合分析和诊断软件结构

开关柜局部放电综合分析和诊断软件由操作系统、数据库平台和软件部分组成。软件主要包含开关柜局部放电快速巡检和重症监护两部分功能。一般先采用快速巡检系统检测，若快速巡检发现异常，再采用重症监护系统进一步监测排查。图2给出了开关柜快速巡检和重症监护系统的流程。从图2中可以看出，两个流程都需要连接传感器、检测背景噪声、扫描开关柜信息、布置传感器以及进行局部放电检测等步骤。不同之处在于，快速巡检需要对多个开关柜进行检查，需要重复操作；重症监护针对可能存在故障的开关柜，需要对其进行长时间持续监测。

图2 开关柜局部放电综合分析和诊断软件流程

值得注意的是，在背景噪声检测结束后，需要根据噪声的测量情况确定局部放电的阈值，此阈值是随环境噪声的不同而动态设定的，局部放电检测的时长一般不低于1 min。

2.3 综合分析和诊断软件技术特点

本系统可覆盖20 kHz～1.5 GHz超宽频段的信号，具有同步四通道局部放电数据高速采集能力。针对现场可疑放电开关柜，将该系统AE及TEV传感器贴合到该开关柜上对其进行重症监护。通过对采集到的AE及TEV数据进行波形、图谱及放电趋势分析，确定放电级别并进行分级预警。通过对可疑开关柜的重症监护可有效避免手持式局放检测仪存在的漏检情况。

3 案例分析及应用效果

某变电所配电车间2323开关柜(27.5 kV高压开关柜)在某次巡检过程中发现存在轻微的放电声音，该车间工作人员利用基于TEV和AE的开关柜局部放电综合分析系统对2323开关柜进行了重症监护检测。其具体分析过程包括：

1)系统使用高采样频率采集卡(80 M/s)对开关柜进行重点监测，确保局部放电信息均被捕获，保证系统对局放信息不漏检；

2)系统实时检测采集信号幅值，当采集信号的幅值连续多次超过给定阈值后认定为该开关柜存在放电，该方法可避免系统受外界信号干扰产生的局放误报。

通过上述两个步骤对该开关柜TEV和AE检测波形和图谱进行分析。图3为局放波形，通过对数据进行可视化处理，可以直观地查看开关柜的放电幅度及频次，发现在TEV和AE波形中均有多次异常值存在。

(a)TEV波形查看

图4为局放图谱分析，图4(a)和图4(b)显示出在不同相位处的放电次数和放电量信息，该信息是图3波形的统计信息，图4(c)和图4(d)则将相位、放电量和放电次数以三维图的形式展示，通过该统计信息工作人员可以更清晰地确定放电相位及放电次数信息。通过对放电相位、放电量及次数的可视化分析，可以直观查看三者之间的联系，进一步确定局部放电情况，为开关柜放电判断提供可靠依据。

(a)相位-放电次数图谱

经过图3和图4的分析，初步确定该开关柜存在局部放电情况。工作人员对2323开关柜进行拆解，发现绝缘支柱确实存在表面放电，部分绝缘材料已发生碳化的情况，绝缘体放电缺陷如图5所示。通过对开关柜周围环境进行分析，发现现场湿度较大，从拆解下来的绝缘支柱看，其表面潮湿存在水珠，是由表面潮湿引起的局部放电。

图5 绝缘材料放电缺陷

案例分析结果表明，本系统可及时、准确地发现开关柜局部放电并提前预警。运维人员根据预警信息对开关柜设备进行了检查、维护，避免了绝缘事故的发生，保障了供电系统的安全、可靠运行。

4 结 论

本文所设计系统主要用于开关柜局部放电检测及分析，以便及早发现开关柜因各类原因引起的绝缘故障。通过对多种放电检测技术的深入分析，确定使用TEV和AE联合检测的方式对开关柜进行局放检测，相比其他单一检测方法，本文所给方法检测效果更佳，有效地避免误检、漏检现象，且系统适用性强，可用于多种电压等级开关柜的局放检测和及时预警。