開關(guān)柜局部放電檢測(cè)技術(shù)及發(fā)展前景探討

張嘉宇

摘? 要：在整個(gè)電力系統(tǒng)中，高壓開關(guān)柜起著發(fā)電、輸電、配電以及電能轉(zhuǎn)換、控制通斷等作用，它的工作可靠性將直接影響電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，高壓開關(guān)柜中的絕緣材料會(huì)在電氣、機(jī)械、環(huán)境溫度等共同作用下發(fā)生絕緣劣化，容易導(dǎo)致電絕緣強(qiáng)度降低，甚至失效，極易導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生停電故障。實(shí)踐表明，局部放電是設(shè)備絕緣惡化，以致發(fā)生絕緣失效的主要原因，局部放電的在線監(jiān)測(cè)已成為開關(guān)柜絕緣狀態(tài)評(píng)估的主要方式。可靠、準(zhǔn)確的局部放電檢測(cè)可以直接反映電氣設(shè)備內(nèi)部的絕緣狀態(tài)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除潛在的絕緣故障，避免發(fā)生停電事故，從而提高供電可靠性，具有重要的實(shí)踐價(jià)值和實(shí)踐意義。文章探討了目前主流開關(guān)柜局部放電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及其優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)開關(guān)柜局部放電檢測(cè)方法與手段的發(fā)展提出了建議。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜;局部放電檢測(cè);在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TM591? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0146-02

Abstract： In the whole power system， the high-voltage switchgear plays the roles of power generation， power transmission， power distribution， power conversion， and control on and off， etc. Its working reliability will directly affect the operation stability of the power grid. In the long run， the insulation materials in the high-voltage switchgear will suffer from insulation deterioration under the combined action of electrical， mechanical and environmental temperature， which will easily lead to the reduction of electrical insulation strength and even failure， and will easily lead to power failure of the power grid. Practice shows that partial discharge is the main cause of insulation failure caused by equipment insulation deterioration. Reliable and accurate partial discharge detection can directly reflect the insulation state of the electrical equipment， which is conducive to the timely detection and elimination of potential insulation fault， so as to avoid the occurrence of power failure and improve the reliability of power supply， therefore has important practical value and significance. This paper discusses the development and advantages and disadvantages of the current mainstream partial discharge detection technology of switchgear， and on this basis， puts forward some suggestions on the development of the detection methods and means of partial discharge in switchgear.

Keywords： switchgear; partial discharge detection; on-line monitoring

在變電站中，金屬封閉式開關(guān)柜得到了大量的使用，其中，以10kV和35kV最為顯著，它的安全運(yùn)行與否與變電站是否能夠可靠供電息息相關(guān)。根據(jù)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在開關(guān)柜發(fā)生的所有故障中，絕緣故障占據(jù)了最大的比例，達(dá)到了31.9%。所以，要想使電網(wǎng)能夠安全且可靠地運(yùn)行，必須監(jiān)測(cè)開關(guān)柜的運(yùn)行、預(yù)判故障，并且合理檢修。在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，致使電氣設(shè)備絕緣劣化以及故障的原因主要有電、化學(xué)和熱等不正常狀態(tài)。及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)潛在的絕緣故障已成為電力行業(yè)迫切需要解決的問題。實(shí)踐表明，局部放電是設(shè)備絕緣惡化，以致發(fā)生絕緣失效的主要原因，因此，局部放電的監(jiān)測(cè)和評(píng)估已成為監(jiān)測(cè)設(shè)備絕緣狀態(tài)的主要方式。有效的局部放電檢測(cè)可以直接反映電氣設(shè)備內(nèi)部的絕緣狀態(tài)，有助于及時(shí)找到絕緣缺陷并進(jìn)行處理，減少不必要的設(shè)備由安全隱患的運(yùn)行引起的停電事故，從而提高供電的可靠性，具有重要的實(shí)踐價(jià)值和實(shí)踐意義。

局部放電過程伴隨著有聲，光，電，熱和化學(xué)分化等物理征象，會(huì)產(chǎn)生一些電流脈沖，電磁場(chǎng)波動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)等一些信號(hào)可從設(shè)備外部測(cè)量。人們根據(jù)局部放電產(chǎn)生的各種物理量進(jìn)行研究，針對(duì)不同的物理量提出了一系列的高壓開關(guān)柜帶電檢測(cè)方法，在此其中，基于脈沖電流法、特高頻法、暫態(tài)地電壓法、超聲波法的研究與應(yīng)用相對(duì)較多。本文簡(jiǎn)述了針對(duì)開關(guān)柜局部放電的典型檢測(cè)方法的發(fā)展歷程及其應(yīng)用情況，并分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)開關(guān)柜局部放電檢測(cè)方法與手段的未來發(fā)展提出了建議。

1 超聲波法

局部放電發(fā)生時(shí)其瞬間釋放的能量使得周圍介質(zhì)加熱，而自身也形成一個(gè)聲源，會(huì)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)在開關(guān)柜柜體中傳播，經(jīng)過超聲波傳感器的接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行后續(xù)的分析。由于現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾多為音頻（20Hz-20000Hz），而超聲波檢測(cè)法的檢測(cè)頻帶在10Hz-100MHz，因此超聲波檢測(cè)法可以避開現(xiàn)場(chǎng)噪聲的干擾接收局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)[1]。苑瞬和Lars等人在其研究中都發(fā)現(xiàn)超聲波檢測(cè)法在低頻段檢測(cè)有很高的靈敏度，甚至優(yōu)于同頻率下電測(cè)法。

超聲局放檢測(cè)方法是較早采用的局放檢測(cè)方法之一，作為非侵入式的檢測(cè)方法，在特高頻檢測(cè)方法提出之前一直是電力設(shè)備主要的局放檢測(cè)方法。對(duì)于變壓器、開關(guān)柜，超聲作為檢測(cè)及輔助定位技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備局放源精確定位的關(guān)鍵。超聲波測(cè)試最顯著的優(yōu)點(diǎn)是沒有強(qiáng)大的電磁擾動(dòng)，超聲信號(hào)的局部放電時(shí)域和頻域特性的解析非常詳盡，檢測(cè)靈敏度和抗干擾能力更強(qiáng)。但國(guó)內(nèi)外超聲波檢測(cè)技術(shù)也存在許多不足，導(dǎo)致超聲波實(shí)時(shí)檢測(cè)有一些不可避免的缺陷，如：柜壁內(nèi)自由顆粒的碰撞也許會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響;復(fù)雜的開關(guān)柜內(nèi)部的絕緣結(jié)構(gòu)會(huì)造成超聲波大大衰減，可能無法檢測(cè)到絕緣內(nèi)部的放電;超聲波檢測(cè)范圍非常有限，通常信號(hào)衰減較大，這將導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)工作量增加;超聲波檢測(cè)僅適用于顆粒，浮動(dòng)電位放電，對(duì)于其他類型放電（如絕緣內(nèi)部放電）較不靈敏等。

2 脈沖電流法

當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部的絕緣材料等發(fā)生局部放電過程時(shí)，必然會(huì)存在空間電荷的產(chǎn)生與復(fù)合，同時(shí)也會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的較陡的脈沖電流信號(hào)，而以這個(gè)脈沖電流信號(hào)作為測(cè)量對(duì)象的局部放電檢測(cè)手段稱之為脈沖電流法。脈沖電流法是由英國(guó)電氣協(xié)會(huì)提出的，為了避免無線電的干擾，其采集的是局部放電頻譜中的數(shù)kHz到數(shù)百kHz的低頻率波段的部分。

在應(yīng)用脈沖電流法進(jìn)行局部放電檢測(cè)時(shí)，默認(rèn)將絕緣材料等效成一個(gè)集總參數(shù)結(jié)構(gòu)的對(duì)地電容，而在局部放電時(shí)會(huì)在這個(gè)等效電容上出現(xiàn)一個(gè)瞬的脈沖電流，在其兩端也會(huì)產(chǎn)生電壓變化，利用電容的耦合作用在檢測(cè)阻抗中會(huì)同樣產(chǎn)生脈沖電壓，分析該電壓即可獲得放電相位、放電量等一系列局部放電相關(guān)的信息[2]。這種測(cè)試方法對(duì)電流的反應(yīng)極其敏感，且可以通過給定的電荷量脈沖注入校正定量來計(jì)算出放電量。脈沖電流法的不足處是由于現(xiàn)場(chǎng)干擾較大，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差比較厲害，所以對(duì)脈沖電流法的檢測(cè)區(qū)域有較大限制。同時(shí)電流法測(cè)量間隔時(shí)間長(zhǎng)，頻率帶寬窄，能夠容納的數(shù)據(jù)較少。

3 特高頻法

特高頻檢測(cè)法是經(jīng)過特定的特高頻傳感器來檢測(cè)電磁波的特高頻波段，進(jìn)而分析判斷可能存在局部放電的位置與類型[3]。這種方式在20世紀(jì)80年代被提出，首先由英國(guó)的Boggs和Stone應(yīng)用于探測(cè)氣體絕緣裝置的局部放電。開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生局部放電時(shí)，周圍氣體會(huì)被快速擊穿，產(chǎn)生一系列納秒級(jí)的電流脈沖，這些脈沖電流會(huì)向附近發(fā)散大量特高頻電磁波，特高頻檢測(cè)法就是采集這些特高頻來進(jìn)行檢測(cè)的。這種方法目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)柜的帶電檢測(cè)的工作里。特高頻檢測(cè)法還可以通過幅值法和時(shí)差法對(duì)局部放電區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但是受到電暈放電等電磁干擾信號(hào)的影響嚴(yán)重。特高頻檢測(cè)法是利用時(shí)差法對(duì)局部放電定位的，通過測(cè)量不同特高頻電磁波信號(hào)的抵達(dá)時(shí)刻，計(jì)算時(shí)差，從而確定信號(hào)源的具體地點(diǎn)。這種方法原理容易理解，操作起來簡(jiǎn)單，沒有冗雜的過程，具有較可靠的定位，因此在不方便使用超聲波或地電波的情況時(shí)，利用特高頻時(shí)差定位法可以可靠的定位潛在缺陷的位置。使用特高頻定位技術(shù)可以對(duì)開關(guān)柜內(nèi)故障進(jìn)行可靠的位置追蹤，引導(dǎo)維修工人進(jìn)行有方向性的維護(hù)，能夠提高維修的速度，減輕檢修人員的工作強(qiáng)度，大幅度縮短斷電時(shí)長(zhǎng)，可以大大的增強(qiáng)供電可靠性，降低停電帶來的負(fù)面影響。

由于特高頻法在高壓開關(guān)柜在線檢測(cè)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此得到了快速發(fā)展，并取得了不少成果。20世紀(jì)80年代初特高頻檢測(cè)GIS局部放電方法由英國(guó)中央電力局開發(fā)出來，并于1986年被Scottish Power率先應(yīng)用于420kV的氣體全封閉組合電器上。在歐洲，不少名校已經(jīng)在進(jìn)行特高頻信號(hào)接收天線的理論分析和試驗(yàn)研究，例如德國(guó)Stuttgart大學(xué)、荷蘭的Delft大學(xué)以及英國(guó)的Strathrlyde大學(xué)一直熱衷于UHF法的研究。此外韓國(guó)也早已形成較為成熟的高壓開關(guān)柜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)。此外，由于國(guó)際一些知名的大型電力設(shè)備制造公司的積極研發(fā)參與，特高頻檢測(cè)法的研究和推廣得到了大大提升。遺憾的是，我國(guó)特高頻在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)水平相對(duì)落后，特高頻檢測(cè)法的研究開發(fā)在20世紀(jì)90年才剛剛開始起步，但近年來也取得了不少突破。此外，2011年新疆電力公司率先在全疆進(jìn)行帶電監(jiān)測(cè)技術(shù)的推行與使用。

4 暫態(tài)地電壓法

暫態(tài)地電壓檢測(cè)法是采集的電氣設(shè)備在局部放電時(shí)，在裝置的金屬表面對(duì)地出現(xiàn)的一個(gè)持續(xù)納秒級(jí)的暫態(tài)電壓脈沖信號(hào)。通過其讀數(shù)的大小來判斷局部放電的嚴(yán)重程度，并由電磁波的衰減特性來對(duì)設(shè)備內(nèi)部局部放電情況進(jìn)行檢測(cè)和定位[4]。電容耦合式探測(cè)器可以對(duì)裝置金屬表面檢測(cè)，記錄瞬間電壓脈沖的幅值。經(jīng)過兩個(gè)電容耦合探測(cè)器的數(shù)據(jù)比較，可以由時(shí)差法計(jì)算出局部放電的準(zhǔn)確地點(diǎn)。John Reeves在上世紀(jì)七十年代發(fā)覺了這些電壓脈沖，并取名為暫態(tài)對(duì)地電壓。國(guó)內(nèi)對(duì)暫態(tài)地電壓檢測(cè)技術(shù)研究比較先進(jìn)的是西安交通大學(xué)，他們研究了不同電極模型下開關(guān)柜局部放電的放電特征。但由于檢測(cè)位置經(jīng)常受限于開關(guān)柜的構(gòu)造以及縫隙等，暫態(tài)地電壓檢測(cè)法難以做到定位的精準(zhǔn)。

此外，雖然暫態(tài)地電壓法檢測(cè)技術(shù)可以檢查出開關(guān)柜體內(nèi)部的放電故障，但由于開關(guān)柜的數(shù)量多，種類繁雜，結(jié)構(gòu)繁瑣，并且通常緊湊型的設(shè)備不可以裝配固定的大型檢測(cè)設(shè)備。更重要的是，基于暫態(tài)地電壓法的局部放電監(jiān)測(cè)設(shè)備的成本太高，而開關(guān)柜設(shè)備的造價(jià)較低，兩者之間不成比例。因此，開關(guān)柜設(shè)備不能像變壓器等設(shè)備一樣在線監(jiān)測(cè)，只能通過帶電檢測(cè)的方法來進(jìn)行研究。因此，暫態(tài)地電壓法還需要一定的改進(jìn)，比如在檢測(cè)周期和數(shù)據(jù)分析處理方面必須深度地確定。

5 結(jié)束語

雖然目前國(guó)內(nèi)外對(duì)開關(guān)柜局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，也有部分產(chǎn)品問世并投入電力公司進(jìn)行應(yīng)用。但是，除了各種局部放電測(cè)量方法本身尚有一些難點(diǎn)需要克服以外，目前開關(guān)柜局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)僅采用了一種或兩種局放測(cè)量方法，不能全面、有效、可靠地反應(yīng)開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電情況，更不能對(duì)開關(guān)柜中局部放電以外的其它常見故障進(jìn)行在線檢測(cè)。

因此，亟需融合各種局部放電檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)基于多種局部放電檢測(cè)手段的綜合檢測(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)的更準(zhǔn)確的評(píng)估。在此基礎(chǔ)上，才能揚(yáng)長(zhǎng)避短，更有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜的絕緣缺陷，防患于未然，確保電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

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