高壓開關(guān)柜局放特性的研究及監(jiān)測

蔣遠東 劉顯強 梁慶龍 余 菲 余 燈

（1.欽州供電局，廣西 欽州 535000；2.武漢烽火富華電氣有限責任公司，武漢 430074)

目前，高壓開關(guān)柜的檢修主要是在停電狀態(tài)下進行，實時在線監(jiān)測手段應(yīng)用的比較少，而開關(guān)柜的穩(wěn)定運行關(guān)系到整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。由于各種原因，高壓開關(guān)柜不能按照計劃固定停電檢修，開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的運行情況不能被實時的掌握，因而存在安全隱患，嚴重威脅供電安全[1]。開關(guān)柜內(nèi)局部放電一般不會導致絕緣的貫通性擊穿，但會造成電介質(zhì)的局部損壞以及絕緣電介質(zhì)的電氣強度降低，即局部放電對絕緣設(shè)備的破壞是個緩慢的發(fā)展過程，隨著絕緣設(shè)備以及電介質(zhì)的損壞，也會導致局部放電次數(shù)和放電量的增加，如此形成一個惡性循環(huán)。開關(guān)柜內(nèi)的局部放電特性能反映開關(guān)柜設(shè)備的絕緣缺陷的特性和損壞程度，因此，對開關(guān)柜內(nèi)局部放電的監(jiān)測顯得很有必要，不僅增加了電網(wǎng)的供電安全性，同時也為智能電網(wǎng)的建設(shè)起到積極的促進作用[2-3]。本文擬采用脈沖電流法對高壓開關(guān)柜中的局放信號進行實時在線監(jiān)測，并制作出了相應(yīng)的產(chǎn)品，實驗證明，該系統(tǒng)具有靈敏的反應(yīng)速度，同時結(jié)合小波變換方法對信號和噪聲進行處理，使得軟件具有精確捕捉局放信號的能力，滿足IEC-60270的局放測量標準[4]。

1 高壓開關(guān)柜的局部放電特性

局部放電（簡稱局放，partial discharge）是指設(shè)備絕緣系統(tǒng)中部分被擊穿的電氣放電，這種放電可以發(fā)生在導體（電極）附近，也可發(fā)生在其他位置。局部放電主要包括：絕緣材料內(nèi)部放電（固體-空穴；液體-氣泡）；表面放電；高壓電極尖端放電。

高壓開關(guān)柜中引起局部放電的主要原因有：導體、外殼內(nèi)表面上的金屬突起，常常是由于制造和安裝時造成金屬表面有較尖的毛刺；絕緣介質(zhì)的缺陷、老化和表面的污穢造成絕緣內(nèi)部或表面出現(xiàn)局部放電；高壓母線連接處、開關(guān)電路出頭接觸不良或斷路器觸頭接觸不良造成局部放電；高壓設(shè)備里的可以移動的金屬微粒，主要在制造、裝配和運行中產(chǎn)生，當靠近高壓導體并未接觸時，就很可能導致放電[5]。

當高壓開關(guān)柜中有局部放電時，沿著放電通道將會有過程極短的脈沖電流產(chǎn)生，這些電流脈沖的寬度一般為ns級，并激發(fā)瞬態(tài)電磁波輻射，產(chǎn)生的脈沖電流會沿著電纜傳輸。高壓開關(guān)柜在穩(wěn)定狀態(tài)，三相電纜的電流在三相電纜分支前的接頭處疊加的總電流為 0；沒有局放發(fā)生時，在三相電纜分支前的接頭處只能監(jiān)測到均勻的噪聲電流信號。若在三相電纜分支前的接頭處監(jiān)測到不同尋常的脈沖電流信號，滿足局放特性，則可判斷開關(guān)柜中發(fā)生過一次局部放電事件，當監(jiān)測到柜中的局放的放電頻率和放電量超過規(guī)定的閾值后，則可安排停電檢修，避免設(shè)備的進一步惡化，保障高壓開關(guān)柜安全運行。

高壓開關(guān)柜的典型特點在于開關(guān)柜四壁都是金屬密封結(jié)構(gòu)，對外界的電磁波有很好的屏蔽作用，同時，柜內(nèi)的局放信號也無法傳出開關(guān)柜，只存在于開關(guān)柜內(nèi)，因此開關(guān)柜內(nèi)的電磁干擾只因柜內(nèi)的電氣設(shè)備產(chǎn)生，因而對開關(guān)柜內(nèi)的局放信號探測時，本身信噪比就較高，加上一些信號處理技術(shù)，更加容易檢測到局放信號。

2 局部放電監(jiān)測方法

目前，用于局放監(jiān)測的方法有脈沖電流法、超聲波檢測法、光測法、化學檢測法、紅外檢測和超高頻檢測法等多種方法。其中最受人們關(guān)注的當屬脈沖電流法和超高頻檢測法[6]。

超高頻檢測法是近幾年出現(xiàn)的一種新的檢測方法，通過檢測電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻（300～3000MHz）電磁波信號，實現(xiàn)局部放電的檢測和定位。由于噪聲信號主要集中于低頻段，因此這種方法的測量具有很強的抗外界干擾能力，且靈敏度高，已應(yīng)用于一些固體絕緣設(shè)備（如變壓器等）中的局部放電檢測。其缺點在于，對于結(jié)構(gòu)復雜的電氣設(shè)備，電磁波傳播時會發(fā)生多次折反射及衰減；同時，電氣設(shè)備外壁也會對電磁波的傳播帶來不利影響，這也增加了超高頻電磁波檢測的難度。因此，在開關(guān)柜中，由于柜中復雜的電氣結(jié)構(gòu)和金屬外壁等影響，電磁波在柜內(nèi)傳播特性復雜，不利于使用超高頻檢測法檢測局放信號；同時，由于不同類型的放電在超高頻段的能量分布差異較大，同時天線的放置位置與放電產(chǎn)生位置的距離會嚴重影響天線耦合到的超高頻信號強度，因此導致超高頻檢測方法無法對放電的大小進行定量分析，也就無法有效顯示出開關(guān)柜內(nèi)的放電嚴重程度。

脈沖電流法是最早研究，且是迄今為止最廣泛使用的一種檢測方法，IEC對此制定了專門的檢測標準。每一次局部放電都會發(fā)生正負電荷的中和，伴隨有一個陡的電流脈沖，脈沖電流法即通過測量該脈沖電流檢測到局部放電的發(fā)生。該方法通過測量阻抗在耦合電容側(cè)或通過Rogowski線圈（簡稱羅氏線圈）測取由局放引起的脈沖電流，獲得視在放電量、放電相位等放電信息。本系統(tǒng)采用基于羅氏線圈的脈沖電流傳感器來測量局放信號，這種檢測方法具有靈敏度高、實時性好，而且可以測得放電量、放電重復率、平均電流等，因而這種方法得到了廣泛的使用。其缺點在于在線檢測時，局放信號容易被噪聲干擾甚至湮沒，信噪比低。在開關(guān)柜內(nèi)，由于外界對開關(guān)柜內(nèi)的局放信號干擾很小，因此開關(guān)柜內(nèi)的信噪比較高，同時可以通過引入小波變換的方法，在不改變信號可評估性的同時能顯著的提高信噪比。相對于超高頻檢測法，脈沖電流法檢測設(shè)備簡便，價格上更便宜，對于開關(guān)柜局放實時在線檢測，使用脈沖電流檢測法更合適。

2.1 羅氏線圈電流傳感器

羅氏線圈實際上是均勻密繞在環(huán)形磁性鐵心上的線圈，原理圖如圖1所示，等效電路圖如圖2所示。

圖1 羅氏線圈原理圖

圖2 羅氏線圈等效電路圖

羅氏線圈的輸出電壓u(t)正比于被測原電流i1(t)隨時間t的變化率，即

式中，i1(t)垂直通過測量線圈所在的平面，M 為互感系數(shù)。羅氏線圈的自積分等效電路如圖2所示，其中 i2(t)為線圈感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，L0為線圈的自感系數(shù)，R0誒線圈繞線的電阻，CC0為線圈繞線與線圈外殼間產(chǎn)生的分布電容，通常CC0很小，可以忽略。由圖2中的等效電路圖，其回路方程為

測量時主要關(guān)心電流信號的第一個峰值和第一個周期，故可假設(shè)正弦衰減信號為理想狀態(tài)，即α→0。并且考慮到 sinωt、cosωt均為有界函數(shù)，則式（7）可轉(zhuǎn)化為

式中，N為羅氏線圈的匝數(shù)。通過式（10）可見，i2(t)與 i1(t)成線性關(guān)系且同相位[7-10]，即 u(t)與i1(t)成線性關(guān)系且同相位。據(jù)此條件則可用來對高頻沖擊信號進行測量，即對局放脈沖電流的測量。羅氏線圈采用磁耦合方式工作，檢測回路和高壓回路之間無直接接電聯(lián)系，非常適用于高壓開關(guān)柜的局放現(xiàn)場監(jiān)測。羅氏線圈電流傳感器具有如下性能。

1）在較寬的頻帶上具有平坦的幅頻響應(yīng)：3dB帶寬為2～330MHz。

2）響應(yīng)速度很快：建立時間為ns量級。

3）靈敏度高：可測量最小局放脈沖電流的幅度為±0.5mA。

4）線性度好，輸出失真小：局放脈沖電流幅度為±0.5～±1000mA無失真。

5）安全可靠：與高壓回路之間無直接連接，安裝在中性點零電位處。

根據(jù)羅氏線圈原理制作出的局放脈沖電流傳感器的實物圖如圖3所示。

圖3 基于羅氏線圈的局放傳感器

2.2 小波變換原理

局部放電信號的檢測中，首先要解決的是噪聲抑制問題，其中典型的為白噪聲。局部放電是典型的非平穩(wěn)信號，處理這樣的信號就必須采用具有表征信號時頻局部特征能力的信號分析方法，包括短時傅里葉變化、Gabor變換、Randon-Wigner變換、循環(huán)統(tǒng)計量理論、調(diào)幅-調(diào)頻信號分析和小波變換等方法。小波變換具有多分辨率分析的優(yōu)點，是近年來非平穩(wěn)信號處理的研究熱點。目前基于小波變換的白噪聲抑制方法可分為兩種：小波模極大值法和小波閾值法，前者過程比較復雜，且計算時間很長，在實際中應(yīng)用很少；后者根據(jù)信號和噪聲不同的Lipschiitz指數(shù)變化規(guī)律，直接利用小波系數(shù)的統(tǒng)計特征量確定閾值，分離信號和噪聲，方法簡單，實際應(yīng)用較多，本系統(tǒng)即利用小波閾值法對信號和噪聲進行分離處理，具有良好的效果，顯著提高了信噪比[11]。

3 實驗測試

根據(jù)脈沖電流法研制出了的一種用于高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)，并編寫了相關(guān)的局放測量軟件。系統(tǒng)在高壓實驗大廳內(nèi)進行了高壓放電測試，測試結(jié)果表明，本局放在線監(jiān)測系統(tǒng)反映迅速，靈敏度高，信噪比較高，價格便宜且安全可靠，十分適合在開關(guān)柜里面使用。

在高壓開關(guān)柜內(nèi)進行放電實驗的接線圖如圖 44所示，局放傳感器環(huán)套在三相電纜分支前的接頭處，獲取三相的全部電信號。在高壓開關(guān)柜中，沒有局部放電發(fā)生時，三相的全部電信號的幅值一致，且具有固定相位差，局放檢測儀只能探測到電纜上的噪聲信號。當有局部放電發(fā)生時，局放所產(chǎn)生的脈沖電流會沿著電纜傳輸，置放在三相電纜分支前接頭處的環(huán)形局放傳感器即可探測到脈沖信號，并經(jīng)過計算機軟件的處理顯示并記錄下來。本系統(tǒng)的局放信號軟件采用了小波分析原理，能獲得更好的信噪比。

圖4 開關(guān)柜內(nèi)局放檢測裝置圖

利用此檢測裝置在開關(guān)柜內(nèi)進行電流監(jiān)測，典型的放電數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。 從圖5可以看到，高壓開關(guān)柜中總是存在大量的噪聲，相位幅度都很均勻，且幅度較小（受外界干擾很?。?，對于小脈沖，通過調(diào)節(jié)時域分辨率可以看到這些脈沖的相位、幅度具有重復的一致性，主要頻率分量也較低，故可以判斷圖5中的脈沖信號均是其他用電設(shè)備產(chǎn)生的干擾脈沖，不是局部放電。由圖6所示，脈沖電流檢測儀記錄的 20ms波形可以看出，此周期中有一個典型放電脈沖，如圖6所示左邊紅線圈所示，其幅值在3.5mV左右，其對應(yīng)的放電量在35pc左右，判斷其為放電脈沖的原因為：該脈沖是隨機出現(xiàn)的，并帶有一定的相位特征，并且從高分辨率的波形可以看出，該脈沖的上升時間很快，即上升沿很陡。其他脈沖，通過其相位、幅度的重復一致性可以判斷為其他設(shè)備的干擾噪聲，不是局部放電。

圖5 高壓開關(guān)柜某段放電數(shù)據(jù)

圖6 高壓開關(guān)柜某段放電數(shù)據(jù)

通過多次反復實驗測試表明，該局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)反應(yīng)迅速、靈敏度高且價格低廉，十分適合高壓開關(guān)柜的局部放電在線監(jiān)測。每發(fā)生一次局部放電事件，終端軟件均會有詳細的記錄，隨時供操作者查看，當開關(guān)柜中局部放電頻率越來越頻繁，放電量越來越大時，則軟件會告警提示，提醒用戶對開關(guān)柜進行停電檢修，具有實時智能，安全方便等特點。

4 結(jié)論

高壓開關(guān)柜的穩(wěn)定運行在電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行中具有重要的作用，而目前對高壓開關(guān)柜的實時在線監(jiān)測手段少之又少，不符合建設(shè)智能電網(wǎng)的大潮流。本系統(tǒng)采用基于羅氏線圈的脈沖電流檢測儀，用來監(jiān)測高壓開關(guān)柜中的局放信號，同時采用小波分析法對檢測到的信號進行處理，能取得滿意的效果。實驗表明，該裝置反映迅速，靈敏度高，安全性好，價格低廉，且具有實時在線檢測和記錄功能，完全可以實現(xiàn)無人值守的智能化監(jiān)測，在智能電網(wǎng)的建設(shè)中具有重要意義。

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