開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

張 力，李 軍，張林元，葉海峰，宋樹平

（1.江蘇常熟發(fā)電有限公司，江蘇 蘇州 215500；2.常熟理工學(xué)院，江蘇 蘇州 215500）

開關(guān)柜是配網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備，其可靠性直接決定了終端用戶的供電質(zhì)量。局部放電是設(shè)備絕緣劣化的征兆，對其檢測可有效預(yù)警設(shè)備的突發(fā)性絕緣故障[1]。開關(guān)柜在長期運行過程中，內(nèi)部絕緣不可避免地會出現(xiàn)劣化，導(dǎo)致電氣絕緣強(qiáng)度降低，甚至失效。通過局部放電的檢測，可有效診斷開關(guān)柜的運行狀態(tài)和絕緣水平，提高開關(guān)配電柜運行的可靠性[2-3]。

隨著電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的持續(xù)深入，狀態(tài)檢修已成為電力設(shè)備的運維的重要手段。開關(guān)柜的局部放電檢測已經(jīng)成為工程和研究領(lǐng)域的熱點?；诰植糠烹姴煌F(xiàn)象表征的檢測方法也得到了應(yīng)用和研究，其中以暫態(tài)對地電壓（Transient Earth Voltage，TEV）、超聲波（Ultrasonic，AE）和特高頻（Ultra High Frequency，UHF）3種方法應(yīng)用較為廣泛。

本文介紹了上述3種局部放電檢測方法的技術(shù)原理，分析了3種方法的技術(shù)特點，簡述各方法的研究現(xiàn)狀。最后介紹了局部放電聲電聯(lián)合檢測法及其應(yīng)用效果。

1 暫態(tài)對地電壓（TEV）檢測技術(shù)

1.1 暫態(tài)對地電壓（TEV）檢測技術(shù)

開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電主要包括絕緣沿面放電、氣隙放電、尖端放電及金屬顆粒放電等。一般而言，在放電過程中，放電脈沖會激發(fā)頻率高達(dá)幾GHz的電磁波。電磁波傳輸通過金屬盒的關(guān)節(jié)或氣體絕緣開關(guān)的墊片，并繼續(xù)傳播以及設(shè)備的金屬盒的外表面，而產(chǎn)生一定的暫態(tài)對地電壓脈沖信號，即為暫態(tài)對地電壓[4]。

通過在設(shè)備的外表面安裝專用的電容式傳感器，可以檢測到TEV信號，并獲得開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電。TEV的檢測原理如圖1所示。

圖1為開關(guān)柜局部放電TEV檢測技術(shù)原理。由圖1可知，檢測中傳感器必須緊貼開關(guān)柜金屬臂，以形成電容結(jié)構(gòu)。實際檢測中應(yīng)用的某型號的TEV傳感器如圖1（b）所示。根據(jù)上述原理對TEV技術(shù)優(yōu)缺點分析如下。

圖1 開關(guān)柜局部放電TEV檢測原理

1.1.1 技術(shù)優(yōu)點

①適用性強(qiáng)。暫態(tài)對地電壓檢測技術(shù)是一種檢測電力設(shè)備內(nèi)部絕緣缺陷的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜和電纜分支箱等配電設(shè)備的內(nèi)部絕緣缺陷檢測。②操作簡單。該方法技術(shù)原理簡單，儀器使用方便。③該方法對尖端放電、電暈放電和絕緣子內(nèi)部放電比較敏感，檢測效果較好。

1.1.2 技術(shù)缺點

①檢測條件受限，該方法不適用于金屬外殼完全密封的電力設(shè)備。②該方法對沿面放電、絕緣子表面放電不敏感。

1.2 TEV研究現(xiàn)狀

TEV檢測法由于具有高靈敏度、應(yīng)用方便等特點，是開關(guān)柜的絕緣狀態(tài)檢測領(lǐng)域研究的一個熱點。南昌大學(xué)研究了TEV信號的幅值與放電源的幅頻關(guān)系，得出TEV信號強(qiáng)度正比于放電源幅值的結(jié)論[5]。

廣東電網(wǎng)公司吳吉等[6]通過標(biāo)準(zhǔn)局部放電源來模擬TEV信號在實體開關(guān)柜中進(jìn)行實驗研究，分析了TEV信號在開關(guān)柜內(nèi)部及不同開關(guān)柜之間的傳播特性。深圳供電局余英等[7]通過有限元仿真，建立了1∶1的開關(guān)柜計算模型，對TEV的傳播過程進(jìn)行仿真計算。上述研究均得到檢測點的TEV信號強(qiáng)度隨傳輸距離的增加而減小，測量點靠近開關(guān)柜表面的縫隙處時可以獲得較大的TEV幅值的結(jié)論。

上海交通大學(xué)研究了TEV信號的頻率特性，發(fā)現(xiàn)其與開關(guān)柜本身的諧振頻率密切相關(guān)；開關(guān)柜的間隙大小和局部放電電流的方向都會影響到TEV信號頻譜的強(qiáng)度[8]。

2 超聲波（AE）檢測技術(shù)

2.1 超聲波（AE）技術(shù)原理

電力設(shè)備局部放電是一個能量瞬時爆發(fā)的過程?？諝忾g隙發(fā)生放電時，電能瞬時轉(zhuǎn)化為熱能并導(dǎo)致放電中心氣體的膨脹，從而產(chǎn)生聲波，就是早期的聲源。隨著聲波傳播，傳播區(qū)域內(nèi)的氣體被加熱，形成一個等溫區(qū)，其溫度高于環(huán)境溫度。當(dāng)?shù)葴貐^(qū)氣體冷卻時，氣體收縮產(chǎn)生較低頻率和強(qiáng)度的后續(xù)波，其可以是可聞聲波或超聲波[9]。

超聲波法通過在設(shè)備腔體外壁上安裝接觸式超聲波傳感器或采用開放式超聲波傳感器來測量局部放電信號。超聲檢測原理圖和某超聲傳感器分別如圖2（a）和圖2（b）所示。該方法的特點是傳感器與電氣設(shè)備的電路無連接，不受現(xiàn)場電磁環(huán)境干擾，但在現(xiàn)場使用時容易受到環(huán)境噪聲或設(shè)備的機(jī)械振動的影響。

圖2 開關(guān)柜局部放電AE檢測原理

由圖2可知，由于AE檢測的為機(jī)械波，相比于TEV技術(shù)，無需待測設(shè)備有信號外泄缺口，能較好適用于全封閉金屬外殼的設(shè)備內(nèi)部放電的檢測。依據(jù)超聲信號特點，對局部放電AE技術(shù)的優(yōu)缺點分析如下。

2.1.1 技術(shù)優(yōu)點

①抗電磁干擾能力強(qiáng)。超聲波檢測技術(shù)是非電檢測方法，抗電磁干擾能力強(qiáng)。②可對放電源進(jìn)行定位。超聲波信號在傳播過程中具有很強(qiáng)的方向性，能量集中，因此在檢測過程中易于得到定向而集中的波束，從而方便進(jìn)行定位。③超聲波檢測技術(shù)檢測效率高。對于開關(guān)柜類設(shè)備而言，由于其體積較小，利用超聲波可對開關(guān)室、開閉站等進(jìn)行快速的巡檢，具有較高的檢測效率。④對沿面放電、電暈放電、尖端放電和絕緣子表面放電比較敏感，檢測效果較好。

2.1.2 技術(shù)缺點

①受機(jī)械振動干擾較大，在機(jī)械振動較多場合，易造成誤判。②檢測范圍小。因超聲波在介質(zhì)中衰減較快，故傳感器必須靠近放電源以實現(xiàn)有效檢測。③對絕緣內(nèi)部放電不敏感。

2.2 局部放電AE技術(shù)

局部放電AE技術(shù)超聲方法在現(xiàn)場應(yīng)用中也積累了大量成功的經(jīng)驗。華北電力大學(xué)結(jié)合光纖傳輸技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)，設(shè)計了一種GIS局部放電超聲波檢測系統(tǒng)，能夠有效檢測GIS局部放電[10]。上海電機(jī)學(xué)院開展了基于超聲波時間差（TDOA）定位算法的開關(guān)柜放電源定位研究，并利用時間反演（Time Reversal，TR）技術(shù)優(yōu)化了定位精度[11]。國網(wǎng)重慶市電力公司易鵬飛等[12]研究了基于測量開關(guān)柜表面超聲波信號的局部放電故障預(yù)警方法。

3 特高頻檢測方法

3.1 特高頻基本原理

特高頻法的基本原理是通過特高頻傳感器檢測電力設(shè)備局部放電時產(chǎn)生的特高頻電磁波（300 MHz~3 GHz）信號，從而獲取局部放電的相關(guān)信息，以實現(xiàn)局部放電的檢測。

圖3為開關(guān)柜局部放電UHF檢測原理及傳感器。從圖中可見，該方法主要利用電磁波檢測的方法，檢測中需要待測設(shè)備有電磁波外泄通道，且可以實現(xiàn)非接觸式檢測。根據(jù)電磁波空間傳播特點，對開關(guān)柜局部放電UHF技術(shù)優(yōu)缺點分析如下[13-14]。

圖3 開關(guān)柜局部放電UHF檢測原理

3.1.1 技術(shù)優(yōu)點

①檢測靈敏度高。②抗低頻電暈干擾能力較強(qiáng)。UHF法的檢測頻段通常為300～3 000 MHz，有效避開了現(xiàn)場電暈等干擾（主要在200 MHz以下），具有較強(qiáng)的抗干擾能力。③可實現(xiàn)局部放電源定位。④利于絕緣缺陷類型識別。不同類型絕緣缺陷的局部放電所產(chǎn)生的UHF信號具有不同的譜圖特征，可根據(jù)這些特點判斷絕緣缺陷類型。

3.1.2 技術(shù)缺點

①容易受到環(huán)境中UHF電磁干擾的影響。②外置式傳感器對全金屬封閉的電力設(shè)備無法實施檢測。③尚未實現(xiàn)缺陷劣化程度的量化描述。

3.2 特高頻研究現(xiàn)狀

特高頻法由于靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，在工程上獲得廣泛的應(yīng)用，并積累了較為成功的檢測經(jīng)驗。目前國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司等均將電力設(shè)備的UHF局部放電檢測作為設(shè)備狀態(tài)評估的重要手段。

上海交通大學(xué)設(shè)計了一種新型的多波段全向UHF傳感器，能夠很好地檢測各種類型的放電信號，滿足變電站局部放電檢測和定位的要求[13]。重慶大學(xué)對UHF信號能量與放電電容之間數(shù)量關(guān)系開展了研究。同時，還基于油紙絕緣局部放電模型，研究了UHF電磁波信號與脈沖電流的對應(yīng)關(guān)系，以及UHF電磁波信號與傳播距離的關(guān)系[14-15]。

4 綜合檢測法

鑒于變電站現(xiàn)場干擾源較多，單一的檢測方法不能全面、客觀和真實地反映被測設(shè)備的運行狀態(tài)。在實際應(yīng)用中，一般采用多種檢測手段綜合的方法實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的檢測、診斷及評估[16-17]。

國家電網(wǎng)公司積極探索推廣應(yīng)用基于AE、TEV和UHF檢測的開關(guān)柜局部放電綜合檢測技術(shù)。通過將維修工作的重點轉(zhuǎn)移到設(shè)備狀態(tài)的檢測分析和預(yù)控上，實時掌握開關(guān)柜設(shè)備的狀態(tài)信息，并利用TEV、AE和UHF來確定PD是否存在，并定位PD電源[18-19]。

廣州供電局的研究人員對基于TEV與AE聯(lián)合檢測開展應(yīng)用研究。結(jié)果表明，TEV與AE聯(lián)合檢測方法是檢測開關(guān)柜局部放電的一種非常有效的方法[20]。

5 結(jié)論

本文對目前開關(guān)柜局部放電主要的3種檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了各自的技術(shù)原理和應(yīng)用方法，介紹了各技術(shù)的研究現(xiàn)狀，結(jié)論如下。

①3種方法各有優(yōu)勢：TEV法靈敏度較高，應(yīng)用場合廣泛；UHF法抗干擾能力強(qiáng)，具有較好的檢測信噪比；AE法檢測有效性高，對于金屬微粒放電、懸浮電極放電等檢測效果較為明顯。②聲電聯(lián)合檢測方法能夠很好地檢測開關(guān)柜內(nèi)的局部放電，在識別及定位局部放電方面比單一檢測方法具有更高的準(zhǔn)確性。

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能及區(qū)塊鏈等新興技術(shù)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)數(shù)字化已漸成趨勢。局部放電已成為開關(guān)柜局部運行狀態(tài)數(shù)字化的重要參量。局部放電檢測也在保障開關(guān)柜可靠運行方面將發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。