開關(guān)柜局部放電特高頻法與脈沖電流法聯(lián)合檢測分析

唐民富

(國網(wǎng)湖南省電力公司湘西供電分公司，湖南吉首416000)

開關(guān)柜局部放電特高頻法與脈沖電流法聯(lián)合檢測分析

唐民富

(國網(wǎng)湖南省電力公司湘西供電分公司，湖南吉首416000)

Switchgear partial discharge detection based on combination of UHF and current pulse method

研究特高頻法與脈沖電流法聯(lián)合應(yīng)用于開關(guān)柜局部放電診斷，通過實際案例分析了兩種方法的區(qū)別與聯(lián)系，為開關(guān)柜局部放電檢測工作提供實踐參考意義。

特高頻法；脈沖電流法；開關(guān)柜；局部放電

局部放電是運(yùn)行中開關(guān)柜內(nèi)電氣設(shè)備絕緣劣化的主要原因之一，對開關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測和度量對正確評價其狀態(tài)和進(jìn)行風(fēng)險評估具有重要意義。當(dāng)前，根據(jù)檢測對象的不同，局部放電檢測主要有電測法和非電測法，其中電測法又可分為脈沖電流法、暫態(tài)地電壓法和特高頻法等，而非電測法主要有光測法、聲測法和化學(xué)檢測法等。根據(jù)測試條件的不同又可分為帶電檢測和停電檢測〔1〕。當(dāng)前對于開關(guān)柜而言，帶電檢測工作中應(yīng)用較多的是暫態(tài)地電壓(TEV)和超聲波檢測法。經(jīng)驗表明，暫態(tài)地電壓能檢測出絕緣內(nèi)部放電，但其靈敏度不高，往往絕緣內(nèi)部放電較嚴(yán)重時，暫態(tài)地電壓才能檢測到局部放電〔2〕，此外由于暫態(tài)電壓檢測頻段較低(3～100 MHz)，而變配電設(shè)備電暈放電激發(fā)的電磁波頻率多集中在100 MHz以下，對暫態(tài)低電壓檢測干擾較大。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，現(xiàn)場測試中經(jīng)常出現(xiàn)整個高壓開關(guān)室的暫態(tài)地電壓幅值在60 dB以上的情況，達(dá)到檢測儀器的滿刻度量程，使暫態(tài)地電壓檢測失效。而雖然超聲波對尖端放電、懸浮放電和沿面放電等類型具有較高靈敏度，但對絕緣內(nèi)部放電檢測不靈敏。

近年來許多電力企業(yè)開始引入特高頻檢測技術(shù)對開關(guān)柜進(jìn)行帶電檢測，特高頻法以局部放電激發(fā)的電磁波為檢測對象，檢測頻率范圍可達(dá)300～ 3 000 MHz，具有對絕緣內(nèi)部缺陷引起的局部放電靈敏度較高、抗干擾能力強(qiáng)、能進(jìn)行局部放電定位等優(yōu)點，但該方法當(dāng)前還存在一些難題亟需解決，如其幅值和放電程度沒有明確關(guān)系，難于定量描述放電的嚴(yán)重程度，這增加了合理做出檢修決策的難度〔3〕。因此，特高頻法結(jié)合其他能定量描述局部放電嚴(yán)重程度的方法進(jìn)行綜合診斷就很有意義。而脈沖電流法就是一種成熟的局部放電檢測方法，雖然其僅能在停電情況下測量的局限性且測量頻率低(一般不超過1 MHz)、頻帶窄和抗干擾能力較差，但它以局部放電產(chǎn)生的脈沖電流為檢測對象，電流脈沖信息含量豐富，物理意義明確。脈沖電流法對于突變信號反應(yīng)靈敏，易于準(zhǔn)確及時地發(fā)現(xiàn)故障〔4〕，同時脈沖電流法以pC作為反映局部放電嚴(yán)重程度的度量指標(biāo)，獲得GB/T 7354、IEC60270等規(guī)程支持，具有嚴(yán)格的判斷依據(jù)，是當(dāng)前唯一有國家和國際標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)的局部放電檢測方法〔5〕。用特高頻法與脈沖電流法聯(lián)合診斷開關(guān)柜局部放電缺陷將具有很大的現(xiàn)實意義。

1 脈沖電流法檢測原理

局部放電發(fā)生時必然有正負(fù)電荷中和，并伴隨著產(chǎn)生一個陡脈沖電流，以該脈沖電流為測量對象的局部放電檢測方法稱為脈沖電流法。脈沖電流法將絕緣體等效為一個集總參數(shù)對地電容元件，局部放電會在電容上產(chǎn)生一個瞬時的脈沖電流和電壓變化，可利用電容耦合作用在檢測阻抗中產(chǎn)生一個脈沖電壓，通過該脈沖電壓可獲得視在放電量、放電相位等局部放電信息〔6－7〕。

檢測脈沖電流的方式有2種，第1種方式通過測量阻抗在耦合電容側(cè)測量脈沖電流，其原理圖如圖1所示。圖中Cx表示被檢測設(shè)備，當(dāng)其內(nèi)部存在絕緣缺陷并在電壓作用下產(chǎn)生局部放電時，會產(chǎn)生脈沖電流Ij。從圖1中看出，Ij有I1和I22個分量，但是由于脈沖電流頻率通常達(dá)數(shù)10 kHz，該高頻電流沿I2方向上的阻抗較大，所以I2分量很小，I1分量大。當(dāng)I1流過檢測阻抗Zm時就會產(chǎn)生一個脈沖電壓被傳送到局放檢測儀器進(jìn)行分析。

圖1 基于測量阻抗的脈沖電流法檢測原理圖

第2種方式則是通過采用羅氏線圈從被側(cè)設(shè)備的中性線或接地引下線對脈沖電流進(jìn)行測量，如圖2所示。圖中耦合電容Ck一般由空氣雜散電容實現(xiàn)，也可以通過專用的耦合電容實現(xiàn)。此方法最早用于停電診斷，近年來也用于帶電檢測的裝置〔5〕。

圖2 基于羅氏線圈的脈沖電流法檢測原理圖

2 特高頻法檢測原理

局部放電發(fā)生時，電荷會在放電點迅速轉(zhuǎn)移，形成上升時間極短的陡電流脈沖，這種陡電流脈沖會激發(fā)出頻率達(dá)數(shù)GHz的高頻電磁波信號〔3〕，特高頻法正是基于局部放電的這一特性，把特高頻傳感器設(shè)計成接受電磁波信號的天線，通過對電磁波信號進(jìn)行檢測來分析局部放電信息。有關(guān)研究表明:局部放電所輻射的電磁波的頻譜特性與局部放電源的幾何形狀及放電間隙的絕緣強(qiáng)度有關(guān)〔4〕。當(dāng)放電間隙比較小時，放電過程的時間比較短，電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的信號比較強(qiáng)；而放電間隙的絕緣強(qiáng)度比較高時，擊穿過程比較快，此時電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強(qiáng)〔4〕。

特高頻法通過對放電脈沖激發(fā)法的電磁波進(jìn)行檢測，經(jīng)過采集、濾波、調(diào)理與放大、檢波等途徑對局部放電特征進(jìn)行提取，從而實現(xiàn)局部放電分析功能，特高頻局部放電檢測系統(tǒng)如圖3所示〔3〕。

圖3 特高頻局部放電檢測系統(tǒng)

3 特高頻法與脈沖電流法聯(lián)合檢測

脈沖電流法在現(xiàn)場抗干擾能力差、信噪比低，多用于離線檢測或?qū)嶒炇已芯俊?－11〕，而特高頻法檢測頻率帶遠(yuǎn)高于一般電暈干擾，靈敏度高，較適用于電力設(shè)備的帶電檢測〔12〕。實際工作中可將2種方法綜合起來應(yīng)用，對診斷局部放電缺陷具有很大幫助。

3.1 案例簡介

2015年11月19日，某公司用特高頻檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)110 kV雅溪變雅吉聯(lián)線302開關(guān)柜存在局部放電異常信號，但用暫態(tài)地電壓和超聲波檢測技術(shù)未能檢測到局放信號，初步判斷放電源在柜內(nèi)電流互感器位置，專業(yè)人員將此列為重點跟蹤檢測對象。12月19日，對302開關(guān)柜進(jìn)行停電檢查，發(fā)現(xiàn)C相電流互感器環(huán)氧樹脂外絕緣存在一處外部裂隙，經(jīng)仔細(xì)檢查未發(fā)現(xiàn)裂隙處有明顯放電痕跡，同時結(jié)合縫隙所處部位及其與柜板的空氣距離情況，判斷其引發(fā)局部放電的可能性較小，局部放電可能另有原因。

3.2 現(xiàn)場放電部位檢查

檢修現(xiàn)場采用外施工頻電壓并同步開展特高頻法測量的方式進(jìn)行診斷，當(dāng)時環(huán)境溫度為13℃，相對濕度為57%。對A相和B相(B相無電流互感器)施加運(yùn)行電壓(5.77 kV)時，未檢測到特高頻信號，而對C相加壓到4 kV就能檢測到特高頻信號，說明放電源在C相上，且C相的特高頻放電呈現(xiàn)隨電壓升高而不斷加劇的趨勢，如圖4—5所示。當(dāng)電壓升到16 kV時，特高頻信號已布滿PDPR和PDPS界面，如圖6所示。

圖4 4 kV時C相電流互感器特高頻放電圖譜

圖5 10 kV時C相電流互感器特高頻放電圖譜

圖6 16 kV時C相電流互感器特高頻放電圖譜

對照文獻(xiàn)〔11〕國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/ GDW11059.2—2013《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備局部放電帶電測試技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用導(dǎo)則第2部分—特高頻法》，圖4具有明顯的懸浮放電特征，PRPD圖譜呈明顯的雙極性，PRPS圖譜呈“外八字”特征；圖5具有懸浮放電并夾雜著呈現(xiàn)一定的氣隙放電特征；圖6中因施加電壓較高，放電量較大，不適合辨別放電類型。

3.3 試驗室檢查

將互感器運(yùn)回試驗室開展進(jìn)一步檢查，分別進(jìn)行絕緣電阻測量和脈沖電流法局部放電檢測，試驗室環(huán)境溫度11℃，相對濕度53%。絕緣電阻測量結(jié)果如表1所示。

表1 絕緣電阻測量結(jié)果GΩ

從表1可以看出，雖然C相電流互感器的絕緣良好，但與A相比較，其絕緣下降較明顯，說明C相絕緣存在缺陷。

為進(jìn)一步驗證，對2臺電流互感器開展脈沖電流法局部放電檢測，并同步用特高頻法進(jìn)行綜合分析，試驗室內(nèi)脈沖電流背景放電量為13 pC，特高頻背景放電為0。

試驗結(jié)果表明A相電流互感器未檢測出局部放電信號；而C相在2.8 kV開始出現(xiàn)脈沖放電信號，脈沖相位圖譜呈雙極性，分布在1，3象限，且放電量隨電壓升高而穩(wěn)定增長，在8.3 kV測量電壓下放電量為840 pC，遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)〔12〕國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 1168—2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》規(guī)定的50 pC(注意值)，當(dāng)電壓降低到2.6 kV時放電消失。脈沖電流法局部放電圖譜如圖7所示，對照文獻(xiàn)〔13〕DL/T 417—2006《電力設(shè)備局部放電現(xiàn)場測量導(dǎo)則》進(jìn)行分析，圖7較符合“澆注型絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)含有多種不同尺寸氣隙情況下的典型放電圖譜”特征。

圖7 C相電流互感器脈沖電流法放電圖譜

在進(jìn)行脈沖電流檢測時同步對被試品開展了特高頻法檢測，2.8 kV時未檢測到特高頻信號，電壓達(dá)4.5 kV時開始出現(xiàn)特高頻信號，這說明特高頻法的靈敏度比脈沖電流法低。當(dāng)外施電壓為8.3 kV時特高頻放電圖譜如圖8所示，放電圖譜呈明顯雙極性，參照文獻(xiàn)〔11〕，圖8表現(xiàn)出一定的氣隙放電特征。

圖8 試驗室內(nèi)C相電流互感器特高頻放電圖譜

結(jié)合脈沖電流法和特高頻法測量結(jié)果，判斷C相電流互感器內(nèi)部存在一定量的氣隙，產(chǎn)生局部放電而導(dǎo)致絕緣劣化。在確定302 C相電流互感器存在內(nèi)部缺陷后，從備用間隔拆下2臺互感器換到302間隔上，安裝完畢后外施交流電壓同步測量局部放電，電壓加到10 kV時未檢測到放電信號，安裝合格。

4 結(jié)論與建議

1)特高頻法和脈沖電流法對環(huán)氧樹脂絕緣內(nèi)部氣隙放電較靈敏，在絕緣電阻較高的情況下亦能有效檢測出氣隙放電缺陷，兩者聯(lián)合檢測對判斷設(shè)備缺陷效果明顯。

2)對環(huán)氧樹脂絕緣內(nèi)氣隙放電，用脈沖電流法檢測時的起始放電電壓比特高頻法的起始放電電壓低，說明對局部放電的反應(yīng)能力而言，脈沖電流法的靈敏度更高。

3)局部放電是絕緣劣化的主要原因之一，局部放電超標(biāo)雖不至于立即引發(fā)設(shè)備故障，但必然導(dǎo)致設(shè)備的生命周期縮短，埋下嚴(yán)重隱患。因此，對于開關(guān)柜內(nèi)新安裝的環(huán)氧樹脂絕緣電流互感器，應(yīng)在交接試驗中嚴(yán)格開展局部放電測量，杜絕局放超標(biāo)的產(chǎn)品投入運(yùn)行，對于運(yùn)行中的設(shè)備，當(dāng)用特高頻檢測出來的放電缺陷時，應(yīng)提高警惕，必要時停電處理。

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TM591

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1008-0198(2016)05-0073-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.020

唐民富(1984)，男，碩士，工程師，從事變電設(shè)備狀態(tài)檢修及故障診斷分析研究工作。

2016-01-20