基于超声波和特高频信号的高压开关柜局部放电检测研究

2022-02-18伊犁新天煤化工有限责任公司陈朝晖刘京师俞爱军

电力设备管理 2022年1期

伊犁新天煤化工有限责任公司陈朝晖朱涛刘京师俞爱军

高压开关柜是配电系统中不可或缺的电力设备，具有开断和关合电力线路、保护和监测等重要作用[1]。35kV及以下高压开关柜应用规模极大，大多数无人值守，长期运行工作中，由于未对其运行状态进行实时监测，绝缘缺陷无法及时发现，导致事故频发。事故原因多种多样，尤其是由于开关柜的设计冗余低、材料特性不良、工艺缺陷、电气元件绝缘老化、操作故障、工作人员误操作或其它未及时消除的缺陷等因素导致的伤人、烧柜的事故经常发生，所引发的停电事件也给生产带来的影响及损失也越来越大，特别是开关柜局部放电致使绝缘老化破坏绝缘层，由于发现不及时逐步发展成拉弧致使设备财产损失。因此，对高压开关柜内局部放电进行检测，有助于发现故障并处理故障，避免设备进一步损坏，提高供电的可靠性。

1 局部放电概述

1.1 局部放电原因

在足够强的电场作用下，当高压开关柜内某一区域的电场强度超过击穿场强时，该区域就会发生局部放电，但这种放电未造成击穿[2]。在高压产品中，局部放电通常是不可避免的。在常见的高压开关柜故障中，绝缘故障是故障发生率最高的。而高压开关柜往往会存在绝缘等级不足的问题，在其制造或使用过程中会导致绝缘内部存在气泡和杂质等，从而引起局部电场强度分布不均匀，进而导致局部放电。导致局部放电的原因可归纳以下三点。

设备自身原因：生产制造工艺不完善，导致设备内部存在气泡和杂质；绝缘材料老化，设备外表存在凹凸不平；绝缘强度不足等。

运行状态的影响：运行过程中受到过电压，雷电波冲击，谐波畸变等。

周围环境因素：高压开关柜运行处于潮湿、过热、扬灰的环境。

1.2 局部放电危害

通常情况下，局部放电有几种种类，其中常见的类型有：电晕放电、悬浮电位放电、内部放电和沿面放电等，不同类型的放电对电力设备都有巨大的危害。局部放电发生时，往往伴随着多种物理变化和化学反应，将引起设备绝缘缺陷，导致绝缘性能下降，在电与热的双重作用下，加快绝缘劣化过程，缩短设备使用寿命。如果长时间的局放未得到有效处理，很可能会造成绝缘击穿，导致故障进一步扩大。通常，高压开关柜常发生的故障，大多数是由于局部放电所引起，其危害是加快设备绝缘劣化和影响安全生产，对电力系统稳定运行造成威胁。

1.3 局部放电检测原理

为了确保系统的供电可靠性，同时提高对高压开关柜检修工作效率，则需要对其运行状态进行监测。由于高压开关柜具有密封的特点，使得其内部各器件的状态难以巡视查看，如表面污损、物理变形、绝缘破损等。目前，大多数地方都是停电检修，这种方法的主要问题就是盲目性大，费时费力。停电检修增加了无故障设备的停运次数，可能会在检修过程中由于检修人员疏忽或操作失误等，造成新的问题。另外一个更重要的原因是检修停电并不能真实反映电气设备在运行状态下的真实状态，这样就导致部分故障问题不易被发现，甚至误诊。目前，国内外学者对局部放电已有了大量的研究与探索。局部放电是一种脉冲放电，往往会伴随着电、光、热、声等物理现象和化学变化[3]。因此，这些物理现象和化学变化可以为检测局部放电提供可靠依据。

2 局部放电检测方法

目前，根据广大学者推出的多种局放检测方法，其中应用较多的方法有超声波检测法、超高频检测法、化学法以及光学法等。不同方法都存在各自的优势与不足，本节着重展开分析，并提出一种声电联合检测的方法。

2.1 超声波检测法

当高压开关柜内出现局部放电的情况下，其周围会出现机械震动的现象，伴随着震动就会形成声波。声波频带宽，包含的频率分量多，超声波信号的频率高于20kHz。其检测方法大致是在高压开关柜外壳放置数多个超声波传感器，当发生局部放电时，所产生的超声波信号传至传感器，经转变为电信号，再通过电缆传输到数据采集器，数据处理单元对传入的信号进行进一步处理，最终在主机显示模块将检测结果显示出来[4]。

该方法的主要特点是传感器不与电路回路连接，且不易受电磁干扰，抗干扰能力强，在某些局部放电检测领域中应用广泛。但是，该方法也有不足的地方。在局部放电的过程中，其实际放电量与超声波信号二者之间关系无法关联，因此无法通过超声波信号来判定局部放电的放电程度，进而无法分析设备的绝缘受损情况。由于超声波由震动产生，在实际工程中其检测方法易受到外界震动和噪声的干扰，影响检测结果[5]。另外，超声波的衰减速度快，因此整体检测效率低。所以，一般情况下，超声波检测在放电量较大的情况下比较适用。

2.2 特高频检测法

高压开关柜内局部放电所产生的放电电流脉冲持续时间为ns级，并激发数GHz的电磁波，属于特高频段[6]。特高频法原理就是通过特高频传感器检测局部放电过程中所产生的电磁波信号，经过数据采集器采集，并将所采集到的信号传至电脑监测软件，分析得出局放信息。该检测方法具有以下优点。

检测灵敏度高：局部放电所产生的特高频信号在传播时，会伴随功率损耗，因此信号会逐渐衰减，但衰减速度缓慢，一般可忽略这种损耗。若引起振荡，特高频信号振荡时间加长，更有利于信号的检测提取，因此，该方法灵敏度高。

抗干扰能力强：由于在现场运行中的高压开关柜，其周围有大量的电气设备，因此会出现其他的电磁干扰，对检测的结果有一定程度的影响。电晕放电干扰是现场最为常见的干扰，目前，大多数特高频传感器所检测电磁波信号的频率范围在300～3000MHz，而现场电晕放电干扰主要集中在300MHz以下，因此该方法有效的避免了电晕发电干扰，与超声波检测法相比较，体现出了抗干扰能力强的优点。

可实现局部放电源定位：局部放电产生的特高频信号在气体中传播速度接近光速，信号经过传播到达各个传感器的时间和传播路程成在一定关系，因此，可根据特高频信号到达传感器的时间差，分析信号传播的方向，大概得出放电源的位置，及时发现绝缘缺陷，提高人工巡检效率，为检修计划提供参考。

利于绝缘缺陷类型识别：不同类型绝缘缺陷引起的放电，得到的PRPD谱图与PRPS谱图也会不同。可将实际得到的谱图与几种典型的谱图特征作比较分析，进而初步判断缺陷类型。

一般情况下，传感器安装方式分为内置式和外置式。内置式安装时，考虑到电磁波信号会在传输过程中缓慢衰减，在体积较大的开关柜内，为了确保检测的灵敏性，需在一定距离的位置置放多个特高频传感器，相应的成本也会增加。高压开关柜是金属性密封设备，金属外壳则会影响电磁波的传播，柜内的电磁波信号也可通过检测孔或缝隙传播，因此也可采用外置式传感器。选择合理的、利于接收电磁波信号的置放位置，从而提高检测的灵敏度。采用特高频检测法无法确定局部放电的放电量，因此也无法分析出设备绝缘受损程度。

2.3 其它检测方法

根据局部放电所伴随的现象特点，除以上方法外，通常还有暂态地压法、光学法、化学法等。

2.3.1 暂态地压法

在高压开关柜发生局部放电时，金属外壳表面裂缝处两侧形成不同电压，通过对该暂态地电压检测，可以得到局部放电的相关信息，对推算放电源的位置提供帮助[7]。

2.3.2 光学法

通常在开关柜有局放现象时，会伴随着光现象，所以可用通过光传感器来检测光信号。该方法缺点是准确度和精确度都容易受到环境干扰，且光传感器成本高。

2.3.3 化学法

设备发生局部放电时，会将气体分解，则可通过化学检测法对分解气体进行检测，不足在于易受设备内断路器电弧影响，大大降低检测精度。

2.4 声电联合检测法

目前，在对高压开关柜进行局部放电检测中，通常会结合多种方法，充分利用各自的优点，提高局放检测的精准度。特高频法原理简单，灵敏度高，信号传输衰减缓慢，抗干扰能力强，但是对定位精度不高。超声波法定位准确，但信号衰减较快，受外界干扰影响。超声波与特高频的声电联合检测法，集合了两者的优点，通过超声波传感器结合特高频传感器分别对超声波信号、特高频信号提取，再对提取到的信号进行分析比较，发现异常信号后，结合两者检测技术，进行综合分析。

考虑到安装费用成本问题，特高频法一般采用外置式特高频传感器，由于电磁波传播速度较快，利用时差法粗略检测局放位置，可对局放进行检测大致定位，排除现场其它干扰[8]。而超声波信号传播速度远小于电磁波，因此时间差更加明显，应用超声波法对局放位置进一步检测，使得局放检测更加准确，为检修人员提供参考，及时发现潜在绝缘缺陷，确保设备的稳定运行。

2.5 应用案列

在变电站高压开关柜局放检测中，传感器选择合适的置放位置，应根据日常经验总结分析易放电的区域。例如高压开关柜的母线连接处，开关和侧面板支撑的绝缘部件等。现以某变电站的高压开关柜局放检测为例，在其内壁上各安装一只超声波传感器与特高频传感器，局放数据采集器则安装在中间开关柜内壁，一台采集器可检测相邻两台开关柜，共计三台开关柜。

在此案例中，由后台检测软件得到某一时间实时趋势图、PRPD谱图、PRPS谱图，如图1所示。

图1 监测软件分析图

由局放实时趋势图可分析出，放电次数基本在50的整数倍左右。PRPD谱图点的累积颜色深度表示此处放电脉冲的密度，根据点的分布情况可判断信号主要集中的相位、幅值及放电次数情况，并根据点的分布特征来对放电类型进行判断。由PRPD图看出，放电脉冲基本上集中在一块区域或者两块区域。PRPS谱图是一种实时三维图，一般情况下x轴表示相位，y轴表示信号周期数量，z轴表示信号强度或幅值。把所测PRPS谱图与典型放电谱图进行比较，对发展趋势等因素进行综合判断，可初步得出开关柜存在局部放电现象，进而确定检修处理策略，确保了变电站的正常运行。

3 局放干扰信号及抑制措施

在对电气设备特征状态量的在线监测过程中，由于运行环境不同，实际传感器采集到的信号可能会不同程度地受到多种干扰源的影响。高压开关柜内部由于长期处于大电流高压环境中，其电磁环境复杂多变，在进行运行状态监测时，安装的传感器容易受到高温和强电磁的影响。因此，本节重点针对高压开关柜的局部放电信号中常见干扰源和抑制措施进行了研究。

3.1 常见干扰源

由于高压开关柜运行环境较为复杂，因此在对其局部放电的检测过程中，将影响检测自身的干扰信号，连同局放信号一起被局放传感器采集到，对检测结果造成影响。常见的干扰源如下类型：

3.1.1 周期性干扰

常见的周期性干扰信号主要由电力设备中谐波、载波通讯、无线电信号以及自身高频保护所引起的。这类干扰信号在时域特征上是高频正弦波，且频率较高，具有确定的谐振频率和带宽。

3.1.2 白噪声干扰

一般来说，白噪声干扰包含各种随机噪声。比如，继电保护装置动作发出的噪声，配电线路正常运行过程中发出的噪声，局放过程中电子器件动作引起的噪声等。

3.1.3 脉冲干扰

脉冲型干扰包含随机性脉冲型干扰和周期性脉冲型干扰。这类干扰信号主要由可控硅元件动作、异步电机干扰讯号、荧光灯、继电器等开关设备动作以及电极在电场方向机械运动引起的。这类干扰信号一般称之为系统固有干扰，或者环境干扰信号。

3.2 干扰抑制措施

由于在实际工程应用中，现场干扰往往比实验室大许多倍，为了确保检测结果的准确性，对现场干扰的抑制是必不可少的。对于特高频法而言，虽然抗干扰能力较强，但在复杂多变的现场环境，仍有较多干扰，在开始测试前，尽可能排除干扰。对于超声波检测而言，干扰源主要是开关室内的异常发声，如检测人员触碰物体、发声等；开关柜中风扇运转噪音；空调压缩机噪音等。检测前，可采取关闭空调、风扇，禁止发声等措施。

4 展望

由于在实际工程应用中，现场设备的运行环境复杂，使得单一的局放检测法存在一定局限性，检测准确性不高。而以超声波法为主，特高频法为辅，集合两者的优点，各自发挥优势，可以更加全面的了解、分析数据，全面的反映出局放信息，不仅能够检测出局部放电，并且能对放电源进行定位，有效提高对放电源定位水平。基于超声波法和特高频法的联合检测法在今后不仅仅局限于高压开关柜局放检测，经过更深一步的研究探索，为未来的局放检测领域积累经验，甚至延伸至电力系统中更多电力设备的局放定位检测当中。