基于超聲波和特高頻信號(hào)的高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)研究

伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司 陳朝暉 朱 濤 劉京師 俞愛(ài)軍

高壓開(kāi)關(guān)柜是配電系統(tǒng)中不可或缺的電力設(shè)備，具有開(kāi)斷和關(guān)合電力線路、保護(hù)和監(jiān)測(cè)等重要作用[1]。35kV及以下高壓開(kāi)關(guān)柜應(yīng)用規(guī)模極大，大多數(shù)無(wú)人值守，長(zhǎng)期運(yùn)行工作中，由于未對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，絕緣缺陷無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致事故頻發(fā)。事故原因多種多樣，尤其是由于開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)冗余低、材料特性不良、工藝缺陷、電氣元件絕緣老化、操作故障、工作人員誤操作或其它未及時(shí)消除的缺陷等因素導(dǎo)致的傷人、燒柜的事故經(jīng)常發(fā)生，所引發(fā)的停電事件也給生產(chǎn)帶來(lái)的影響及損失也越來(lái)越大，特別是開(kāi)關(guān)柜局部放電致使絕緣老化破壞絕緣層，由于發(fā)現(xiàn)不及時(shí)逐步發(fā)展成拉弧致使設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)局部放電進(jìn)行檢測(cè)，有助于發(fā)現(xiàn)故障并處理故障，避免設(shè)備進(jìn)一步損壞，提高供電的可靠性。

1 局部放電概述

1.1 局部放電原因

在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下，當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)某一區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，該區(qū)域就會(huì)發(fā)生局部放電，但這種放電未造成擊穿[2]。在高壓產(chǎn)品中，局部放電通常是不可避免的。在常見(jiàn)的高壓開(kāi)關(guān)柜故障中，絕緣故障是故障發(fā)生率最高的。而高壓開(kāi)關(guān)柜往往會(huì)存在絕緣等級(jí)不足的問(wèn)題，在其制造或使用過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致絕緣內(nèi)部存在氣泡和雜質(zhì)等，從而引起局部電場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致局部放電。導(dǎo)致局部放電的原因可歸納以下三點(diǎn)。

設(shè)備自身原因：生產(chǎn)制造工藝不完善，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部存在氣泡和雜質(zhì)；絕緣材料老化，設(shè)備外表存在凹凸不平；絕緣強(qiáng)度不足等。

運(yùn)行狀態(tài)的影響：運(yùn)行過(guò)程中受到過(guò)電壓，雷電波沖擊，諧波畸變等。

周圍環(huán)境因素：高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行處于潮濕、過(guò)熱、揚(yáng)灰的環(huán)境。

1.2 局部放電危害

通常情況下，局部放電有幾種種類，其中常見(jiàn)的類型有：電暈放電、懸浮電位放電、內(nèi)部放電和沿面放電等，不同類型的放電對(duì)電力設(shè)備都有巨大的危害。局部放電發(fā)生時(shí)，往往伴隨著多種物理變化和化學(xué)反應(yīng)，將引起設(shè)備絕緣缺陷，導(dǎo)致絕緣性能下降，在電與熱的雙重作用下，加快絕緣劣化過(guò)程，縮短設(shè)備使用壽命。如果長(zhǎng)時(shí)間的局放未得到有效處理，很可能會(huì)造成絕緣擊穿，導(dǎo)致故障進(jìn)一步擴(kuò)大。通常，高壓開(kāi)關(guān)柜常發(fā)生的故障，大多數(shù)是由于局部放電所引起，其危害是加快設(shè)備絕緣劣化和影響安全生產(chǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。

1.3 局部放電檢測(cè)原理

為了確保系統(tǒng)的供電可靠性，同時(shí)提高對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜檢修工作效率，則需要對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于高壓開(kāi)關(guān)柜具有密封的特點(diǎn)，使得其內(nèi)部各器件的狀態(tài)難以巡視查看，如表面污損、物理變形、絕緣破損等。目前，大多數(shù)地方都是停電檢修，這種方法的主要問(wèn)題就是盲目性大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。停電檢修增加了無(wú)故障設(shè)備的停運(yùn)次數(shù)，可能會(huì)在檢修過(guò)程中由于檢修人員疏忽或操作失誤等，造成新的問(wèn)題。另外一個(gè)更重要的原因是檢修停電并不能真實(shí)反映電氣設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下的真實(shí)狀態(tài)，這樣就導(dǎo)致部分故障問(wèn)題不易被發(fā)現(xiàn)，甚至誤診。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)局部放電已有了大量的研究與探索。局部放電是一種脈沖放電，往往會(huì)伴隨著電、光、熱、聲等物理現(xiàn)象和化學(xué)變化[3]。因此，這些物理現(xiàn)象和化學(xué)變化可以為檢測(cè)局部放電提供可靠依據(jù)。

2 局部放電檢測(cè)方法

目前，根據(jù)廣大學(xué)者推出的多種局放檢測(cè)方法，其中應(yīng)用較多的方法有超聲波檢測(cè)法、超高頻檢測(cè)法、化學(xué)法以及光學(xué)法等。不同方法都存在各自的優(yōu)勢(shì)與不足，本節(jié)著重展開(kāi)分析，并提出一種聲電聯(lián)合檢測(cè)的方法。

2.1 超聲波檢測(cè)法

當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)出現(xiàn)局部放電的情況下，其周圍會(huì)出現(xiàn)機(jī)械震動(dòng)的現(xiàn)象，伴隨著震動(dòng)就會(huì)形成聲波。聲波頻帶寬，包含的頻率分量多，超聲波信號(hào)的頻率高于20kHz。其檢測(cè)方法大致是在高壓開(kāi)關(guān)柜外殼放置數(shù)多個(gè)超聲波傳感器，當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)傳至傳感器，經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過(guò)電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)傳入的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，最終在主機(jī)顯示模塊將檢測(cè)結(jié)果顯示出來(lái)[4]。

該方法的主要特點(diǎn)是傳感器不與電路回路連接，且不易受電磁干擾，抗干擾能力強(qiáng)，在某些局部放電檢測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。但是，該方法也有不足的地方。在局部放電的過(guò)程中，其實(shí)際放電量與超聲波信號(hào)二者之間關(guān)系無(wú)法關(guān)聯(lián)，因此無(wú)法通過(guò)超聲波信號(hào)來(lái)判定局部放電的放電程度，進(jìn)而無(wú)法分析設(shè)備的絕緣受損情況。由于超聲波由震動(dòng)產(chǎn)生，在實(shí)際工程中其檢測(cè)方法易受到外界震動(dòng)和噪聲的干擾，影響檢測(cè)結(jié)果[5]。另外，超聲波的衰減速度快，因此整體檢測(cè)效率低。所以，一般情況下，超聲波檢測(cè)在放電量較大的情況下比較適用。

2.2 特高頻檢測(cè)法

高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)局部放電所產(chǎn)生的放電電流脈沖持續(xù)時(shí)間為ns級(jí)，并激發(fā)數(shù)GHz的電磁波，屬于特高頻段[6]。特高頻法原理就是通過(guò)特高頻傳感器檢測(cè)局部放電過(guò)程中所產(chǎn)生的電磁波信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集器采集，并將所采集到的信號(hào)傳至電腦監(jiān)測(cè)軟件，分析得出局放信息。該檢測(cè)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。

檢測(cè)靈敏度高：局部放電所產(chǎn)生的特高頻信號(hào)在傳播時(shí)，會(huì)伴隨功率損耗，因此信號(hào)會(huì)逐漸衰減，但衰減速度緩慢，一般可忽略這種損耗。若引起振蕩，特高頻信號(hào)振蕩時(shí)間加長(zhǎng)，更有利于信號(hào)的檢測(cè)提取，因此，該方法靈敏度高。

抗干擾能力強(qiáng)：由于在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中的高壓開(kāi)關(guān)柜，其周圍有大量的電氣設(shè)備，因此會(huì)出現(xiàn)其他的電磁干擾，對(duì)檢測(cè)的結(jié)果有一定程度的影響。電暈放電干擾是現(xiàn)場(chǎng)最為常見(jiàn)的干擾，目前，大多數(shù)特高頻傳感器所檢測(cè)電磁波信號(hào)的頻率范圍在300～3000MHz，而現(xiàn)場(chǎng)電暈放電干擾主要集中在300MHz以下，因此該方法有效的避免了電暈發(fā)電干擾，與超聲波檢測(cè)法相比較，體現(xiàn)出了抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

可實(shí)現(xiàn)局部放電源定位：局部放電產(chǎn)生的特高頻信號(hào)在氣體中傳播速度接近光速，信號(hào)經(jīng)過(guò)傳播到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)間和傳播路程成在一定關(guān)系，因此，可根據(jù)特高頻信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)間差，分析信號(hào)傳播的方向，大概得出放電源的位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，提高人工巡檢效率，為檢修計(jì)劃提供參考。

利于絕緣缺陷類型識(shí)別：不同類型絕緣缺陷引起的放電，得到的PRPD譜圖與PRPS譜圖也會(huì)不同?？蓪?shí)際得到的譜圖與幾種典型的譜圖特征作比較分析，進(jìn)而初步判斷缺陷類型。

一般情況下，傳感器安裝方式分為內(nèi)置式和外置式。內(nèi)置式安裝時(shí)，考慮到電磁波信號(hào)會(huì)在傳輸過(guò)程中緩慢衰減，在體積較大的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，為了確保檢測(cè)的靈敏性，需在一定距離的位置置放多個(gè)特高頻傳感器，相應(yīng)的成本也會(huì)增加。高壓開(kāi)關(guān)柜是金屬性密封設(shè)備，金屬外殼則會(huì)影響電磁波的傳播，柜內(nèi)的電磁波信號(hào)也可通過(guò)檢測(cè)孔或縫隙傳播，因此也可采用外置式傳感器。選擇合理的、利于接收電磁波信號(hào)的置放位置，從而提高檢測(cè)的靈敏度。采用特高頻檢測(cè)法無(wú)法確定局部放電的放電量，因此也無(wú)法分析出設(shè)備絕緣受損程度。

2.3 其它檢測(cè)方法

根據(jù)局部放電所伴隨的現(xiàn)象特點(diǎn)，除以上方法外，通常還有暫態(tài)地壓法、光學(xué)法、化學(xué)法等。

2.3.1 暫態(tài)地壓法

在高壓開(kāi)關(guān)柜發(fā)生局部放電時(shí)，金屬外殼表面裂縫處兩側(cè)形成不同電壓，通過(guò)對(duì)該暫態(tài)地電壓檢測(cè)，可以得到局部放電的相關(guān)信息，對(duì)推算放電源的位置提供幫助[7]。

2.3.2 光學(xué)法

通常在開(kāi)關(guān)柜有局放現(xiàn)象時(shí)，會(huì)伴隨著光現(xiàn)象，所以可用通過(guò)光傳感器來(lái)檢測(cè)光信號(hào)。該方法缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度和精確度都容易受到環(huán)境干擾，且光傳感器成本高。

2.3.3 化學(xué)法

設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)將氣體分解，則可通過(guò)化學(xué)檢測(cè)法對(duì)分解氣體進(jìn)行檢測(cè)，不足在于易受設(shè)備內(nèi)斷路器電弧影響，大大降低檢測(cè)精度。

2.4 聲電聯(lián)合檢測(cè)法

目前，在對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測(cè)中，通常會(huì)結(jié)合多種方法，充分利用各自的優(yōu)點(diǎn)，提高局放檢測(cè)的精準(zhǔn)度。特高頻法原理簡(jiǎn)單，靈敏度高，信號(hào)傳輸衰減緩慢，抗干擾能力強(qiáng)，但是對(duì)定位精度不高。超聲波法定位準(zhǔn)確，但信號(hào)衰減較快，受外界干擾影響。超聲波與特高頻的聲電聯(lián)合檢測(cè)法，集合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)超聲波傳感器結(jié)合特高頻傳感器分別對(duì)超聲波信號(hào)、特高頻信號(hào)提取，再對(duì)提取到的信號(hào)進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)后，結(jié)合兩者檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)行綜合分析。

考慮到安裝費(fèi)用成本問(wèn)題，特高頻法一般采用外置式特高頻傳感器，由于電磁波傳播速度較快，利用時(shí)差法粗略檢測(cè)局放位置，可對(duì)局放進(jìn)行檢測(cè)大致定位，排除現(xiàn)場(chǎng)其它干擾[8]。而超聲波信號(hào)傳播速度遠(yuǎn)小于電磁波，因此時(shí)間差更加明顯，應(yīng)用超聲波法對(duì)局放位置進(jìn)一步檢測(cè)，使得局放檢測(cè)更加準(zhǔn)確，為檢修人員提供參考，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在絕緣缺陷，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 應(yīng)用案列

在變電站高壓開(kāi)關(guān)柜局放檢測(cè)中，傳感器選擇合適的置放位置，應(yīng)根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分析易放電的區(qū)域。例如高壓開(kāi)關(guān)柜的母線連接處，開(kāi)關(guān)和側(cè)面板支撐的絕緣部件等?，F(xiàn)以某變電站的高壓開(kāi)關(guān)柜局放檢測(cè)為例，在其內(nèi)壁上各安裝一只超聲波傳感器與特高頻傳感器，局放數(shù)據(jù)采集器則安裝在中間開(kāi)關(guān)柜內(nèi)壁，一臺(tái)采集器可檢測(cè)相鄰兩臺(tái)開(kāi)關(guān)柜，共計(jì)三臺(tái)開(kāi)關(guān)柜。

在此案例中，由后臺(tái)檢測(cè)軟件得到某一時(shí)間實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖、PRPD譜圖、PRPS譜圖，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)軟件分析圖

由局放實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖可分析出，放電次數(shù)基本在50的整數(shù)倍左右。PRPD譜圖點(diǎn)的累積顏色深度表示此處放電脈沖的密度，根據(jù)點(diǎn)的分布情況可判斷信號(hào)主要集中的相位、幅值及放電次數(shù)情況，并根據(jù)點(diǎn)的分布特征來(lái)對(duì)放電類型進(jìn)行判斷。由PRPD圖看出，放電脈沖基本上集中在一塊區(qū)域或者兩塊區(qū)域。PRPS譜圖是一種實(shí)時(shí)三維圖，一般情況下x軸表示相位，y軸表示信號(hào)周期數(shù)量，z軸表示信號(hào)強(qiáng)度或幅值。把所測(cè)PRPS譜圖與典型放電譜圖進(jìn)行比較，對(duì)發(fā)展趨勢(shì)等因素進(jìn)行綜合判斷，可初步得出開(kāi)關(guān)柜存在局部放電現(xiàn)象，進(jìn)而確定檢修處理策略，確保了變電站的正常運(yùn)行。

3 局放干擾信號(hào)及抑制措施

在對(duì)電氣設(shè)備特征狀態(tài)量的在線監(jiān)測(cè)過(guò)程中，由于運(yùn)行環(huán)境不同，實(shí)際傳感器采集到的信號(hào)可能會(huì)不同程度地受到多種干擾源的影響。高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部由于長(zhǎng)期處于大電流高壓環(huán)境中，其電磁環(huán)境復(fù)雜多變，在進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，安裝的傳感器容易受到高溫和強(qiáng)電磁的影響。因此，本節(jié)重點(diǎn)針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜的局部放電信號(hào)中常見(jiàn)干擾源和抑制措施進(jìn)行了研究。

3.1 常見(jiàn)干擾源

由于高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，因此在對(duì)其局部放電的檢測(cè)過(guò)程中，將影響檢測(cè)自身的干擾信號(hào)，連同局放信號(hào)一起被局放傳感器采集到，對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。常見(jiàn)的干擾源如下類型：

3.1.1 周期性干擾

常見(jiàn)的周期性干擾信號(hào)主要由電力設(shè)備中諧波、載波通訊、無(wú)線電信號(hào)以及自身高頻保護(hù)所引起的。這類干擾信號(hào)在時(shí)域特征上是高頻正弦波，且頻率較高，具有確定的諧振頻率和帶寬。

3.1.2 白噪聲干擾

一般來(lái)說(shuō)，白噪聲干擾包含各種隨機(jī)噪聲。比如，繼電保護(hù)裝置動(dòng)作發(fā)出的噪聲，配電線路正常運(yùn)行過(guò)程中發(fā)出的噪聲，局放過(guò)程中電子器件動(dòng)作引起的噪聲等。

3.1.3 脈沖干擾

脈沖型干擾包含隨機(jī)性脈沖型干擾和周期性脈沖型干擾。這類干擾信號(hào)主要由可控硅元件動(dòng)作、異步電機(jī)干擾訊號(hào)、熒光燈、繼電器等開(kāi)關(guān)設(shè)備動(dòng)作以及電極在電場(chǎng)方向機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的。這類干擾信號(hào)一般稱之為系統(tǒng)固有干擾，或者環(huán)境干擾信號(hào)。

3.2 干擾抑制措施

由于在實(shí)際工程應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)干擾往往比實(shí)驗(yàn)室大許多倍，為了確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干擾的抑制是必不可少的。對(duì)于特高頻法而言，雖然抗干擾能力較強(qiáng)，但在復(fù)雜多變的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，仍有較多干擾，在開(kāi)始測(cè)試前，盡可能排除干擾。對(duì)于超聲波檢測(cè)而言，干擾源主要是開(kāi)關(guān)室內(nèi)的異常發(fā)聲，如檢測(cè)人員觸碰物體、發(fā)聲等；開(kāi)關(guān)柜中風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)噪音；空調(diào)壓縮機(jī)噪音等。檢測(cè)前，可采取關(guān)閉空調(diào)、風(fēng)扇，禁止發(fā)聲等措施。

4 展望

由于在實(shí)際工程應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，使得單一的局放檢測(cè)法存在一定局限性，檢測(cè)準(zhǔn)確性不高。而以超聲波法為主，特高頻法為輔，集合兩者的優(yōu)點(diǎn)，各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，可以更加全面的了解、分析數(shù)據(jù)，全面的反映出局放信息，不僅能夠檢測(cè)出局部放電，并且能對(duì)放電源進(jìn)行定位，有效提高對(duì)放電源定位水平。基于超聲波法和特高頻法的聯(lián)合檢測(cè)法在今后不僅僅局限于高壓開(kāi)關(guān)柜局放檢測(cè)，經(jīng)過(guò)更深一步的研究探索，為未來(lái)的局放檢測(cè)領(lǐng)域積累經(jīng)驗(yàn)，甚至延伸至電力系統(tǒng)中更多電力設(shè)備的局放定位檢測(cè)當(dāng)中。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在局部放電檢測(cè)的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析各自方法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)基于超聲波法和特高頻法的聯(lián)合檢測(cè)法作出研究，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的運(yùn)行狀況掌握更加深入，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，并及時(shí)處理，盡可能避免故障的發(fā)生，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。