基于电磁波检测的局部放电在线监测技术探讨

孙西方,泰 永,梁 英

(1.临汾供电分公司,山西 临汾 041000;2.朔州供电分公司,山西 朔州 038000)

基于电磁波检测的局部放电在线监测技术探讨

孙西方1,泰 永2,梁 英1

(1.临汾供电分公司,山西 临汾 041000;2.朔州供电分公司,山西 朔州 038000)

高压开关柜是电力系统中重要的电气设备。随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展,使得对开关柜的运行状态进行在线监测,及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为可能。

配电网;高压开关柜;局部放电;在线监测

高压开关柜是城市配电网的重要基础设施,其运行的稳定性直接影响到城市供电的可靠性,因此对高压开关柜的可靠性提出了更高的要求。

高压开关柜设备内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良都使其安全运行受到威胁。根据1989～1992全国电力系统6～10kV开关柜事故统计,绝缘和载流引起的故障占总数的40.2%,其中因绝缘部分的闪络造成的事故占绝缘事故总数的79.0%。而因隔离插头接触不良造成的事故占载流事故总数的71.1%。由此可见,迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时的在线监测,及时反映电力设备运行状况,如绝缘等的劣化程度,以便采取预防措施,避免停电事故发生。

1 高压电力设备局部放电现象

电力设备绝缘介质在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电称为局部放电。这种放电以仅造成导体间的绝缘局部短接而不形成导电通道为限。局部放电可能发生在固体绝缘的空穴中、液体绝缘的气泡中、具有不同特性的绝缘层之间,以及金属(或半导电)电极的尖锐边缘处。

通常情况下,由于气体的击穿场强比固体介质低得多,气体中的电场又比固体介质中高。因此,往往在气隙的部位产生局部放电。电力设备中的局部放电虽然仅限于局部范围,但每一次放电对绝缘介质都会有一些影响,这样就会造成电介质绝缘强度逐步下降。通常,轻微的局部放电对介质的影响较小,绝缘强度的下降过程较缓慢;而强烈的局部放电对介质的影响较大,绝缘强度很快下降,这是造成高压绝缘损坏的重要因素。

因此,设计高压电力设备绝缘时,要考虑在长期工作电压的作用下,不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。对运行中的电力设备同样要加强监测,当局部放电超过一定程度时,应将设备退出运行,进行检修或更换。

2 在线检测技术发展概况

人们对局部放电的认识已有200多年的历史,随着新技术的开发应用,基于对发生局部放电时产生的各种电光声热等现象的研究,局部放电检测技术中也相应出现了电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。

国外许多电力公司从上个世纪70年代就开始研究并推广应用变电设备在线监测技术,主要目的就是减少停电预防性试验的时间和次数,提高供电可靠性。但当时的设备简陋,测试手段简单,水平较低。随着计算机技术的飞速发展,在线监测设备产品不断更新完善,在线监测技术水平不断提高。到目前为止,许多国家已广泛使用在线监测技术手段。绝缘在线监测技术的发展大体经历了三个阶段。

(1)带电测试阶段。这一阶段起始于70年代左右,当时人们仅仅是为了不停电而对电气设备的某些绝缘参数(如泄露电流)进行直接测量。设备简单,测试项目少,灵敏度较差。

(2)从80年代开始,出现各种专用的带电测试仪器,使在线监测技术从传统的模拟量测试走向数字化测量,摆脱了将仪器直接接入测试回路的传统测量模式,取而代之的是使用传感器将被测量的参数直接转换成电器信号。

(3)从90年代开始,随着计算机技术的推广使用,出现以计算机处理技术为核心的微机多功能绝缘在线监测系统。利用计算机技术、传感技术和数字波形采集与处理技术,实现更多的绝缘参数在线监测。这种在线监测信息量大、处理速度快,可以对监测参数实时显示、储存、打印、远传和越线报警,实现了绝缘在线监测的自动化,代表了当今绝缘在线监测的发展方向。

到目前为止,大量的在线监测的技术已经在电力系统设备缺陷检测中得到广泛应用,并有了一定的经验。如变压器油在线色谱分析、电气设备的红外测温技术等已经非常成熟,并在检测设备的绝缘性能中发挥了重要的作。

3 开关柜局部放电带电检测

开关柜产生局部放电会发生声、光、电、热等物理和化学现象,这些特征都可作为局部放电检测信号的传感对象。目前,国内外传统的检测方法有:

脉冲电流法。它通过检测阻抗接入到测量回路中来检测。检测开关柜接地线由于局放引起的脉冲电流,获得视在放电量。脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检测方法,但其自身存在很多问题。如抗干扰能力差、测量频率低、频带窄、包含的信息量少等。

光测法。它利用局部放电产生的光辐射进行检测。但是由于光测法设备复杂昂贵、灵敏度低,且需要被检测物质对光是透明的,因而在实际中无法应用。

鉴于以上方法的种种缺陷,在生产实践中并不能得到广泛应用。本文提出一种基于电磁波检测的Transient Earth Voltage暂态对地电压,简称TEV检测法。

3.1 TEV检测法

当高压电气设备发生局部放电时,放电电量先聚集在与放电点相邻的接地金属部分,形成电磁波并向各个方向传播,对于内部放电,放电电量聚集在接地屏蔽的内表面,因此如果屏蔽层是连续时无法在外部检测到放电信号。但实际上,屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接处、电缆绝缘终端等部位出现破损而导致不连续,这样,高频电磁信号就会传输到设备外层。

放电产生的电磁波会通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传播出去,同时产生一个暂态电压,通过设备的金属箱体外表面而传到地下去。这些电压脉冲是Dr John Reeves首先发现,并把它命名为Transient Earth Voltage暂态对地电压,简称TEV。TEV检测法原理如图1所示。

图1 TEV检测原理图

TEV检测法的特点如下:1.局部放电的电磁信号传播过程衰减较小,能够实现良好的检测灵敏度;2.根据电磁脉冲信号的衰减和时差,可进行局部放电定位;3.TEV传感器检测的有效频率高、频带范围宽;4.对脉冲的变化速度比较敏感,比较适合介质内部放电,对放电频谱较低的套管、终端、绝缘子表面放电不敏感;5.能够精确定位,但分辨率不高,主要是设备精度限制;6.易受外界电磁干扰的影响。

TEV检测法所面临的主要问题就是干扰问题。由于开关柜的运行环境千差万别,因此,在现场测试会面临多种电磁干扰。现场的主要干扰源有:无线电发射设备;工业、科学、医疗(1SM)设备;电力设备;汽车、内燃机点火系统;电网干扰;高速数字电子设备。

3.2 定位方法

高压电气设备的对地绝缘部分发生局部放电活动时,导电系统对接地金属壳之间就有少量电容性放电电量。放电电量很小,通常只有几兆分之一库仑。放电持续时间一般只有几个纳秒。因为电量等于电流乘以时间,一次放电1000pC,持续10纳秒,就产生100mA的电流。对于持续时间那么短的放电脉冲,被测设备就不能看作是个整体,而应看作是传输线。它的电气特性就由其分布电容和电感决定。

这里 L和C是传输线单位长度的自感和电容。Z0的数值变化很大,通过研究,单芯10kV电缆约为10Ω,35kV的金属外壳的母线室则大约70Ω。因此,1000pC的放电可产生对地1～7V持续10 ns的电压。电压脉冲在金属壳的内表面传播,最终从开口、接头、盖板等的缝隙处传出,然后沿着金属壳外表传到大地。这样,使用电容耦合式传感器就可检测到放电信号。

研究发现,局部放电产生的 TEV信号的大小与局部放电的激烈程度及放电点的远近有直接关系,可以利用专门的探测器进行检测。为简单明了,用相对读数(dB)来描述局部放电活动程度。通过检测局部放电产生的 TEV信号,不仅可以对运行中的开关柜内的设备局部放电状况进行定量测试,而且可以通过同一放电源到不同探测器的时间差异对局部放电源进行定位。

3.3 TEV检测法实例验证

2008年5月21日,乌鲁木齐电业局在对220kV八户梁变电站开关柜检测过程中发现10kV开关室八加线1016开关柜后面板上局部放电检测幅值达31dB,经定位后发现,放电位于该开关柜后面板左下侧。

2008年7月10日,乌鲁木齐检修工区对该开关柜局放检测缺陷在设备停电时进行了核实。核实结果如下:该开关柜后面板左下侧C相电缆头螺丝松动(见图2),产生了一定的局部放电。检修时对该螺丝进行了紧固处理,检修后再次测试,该开关柜放电检测幅值由31dB降到10dB以下,证明了该检测定位技术的正确性。

4. TEV检测法的实践

2009年10月26日～27日,临汾供电分公司利用 TEV检测技术分别对110kV城中、110kV王庄、220kV乔北变电站室内开关柜进行了局放检测,过程及结果如下。

图2 螺丝检动及紧固后设备的状况

4.1 检测部位

选择局部放电容易发生的位置进行检测,如母排(连接处、穿墙套管、支撑绝缘件),开关刀闸,电缆接头等位置,特别是开关柜前面板中部及下部,后面板、侧面板的上部、中部及下部。如有条件,还应对开关室内母线桥架进行检测。

4.2 判断方法

横向比较法、纵向分析法、判据法。

4.3 判断依据

采用表1所列项目作为判断依据。

表1 局部放电检测数值与现象对照表

4.4 检测结果

各变电站开关柜的检测数据见图3～图5。

由图3可以看出,除五一东-Z525开关柜的前中部为23dB外均在20dB以下,所以判断检测过程中没有发现局部放电现象。

从图4中可以看出,110kV王庄变电站10kV开关柜。V1站用变压器开关柜及其附近的开关柜的测试值相对大一些,但因为本站环境中的读数比较大,又因为不是全封闭式,所以测试值会相对大一些,但在后续的检测中要对V1站用变压器开关柜加强关注。

从图5中可以看出,220kV乔北变电站35kV开关柜中除电锅炉变开关柜的后部为22、23dB外均在20dB以下,所以判断检测过程中没有发现局部放电现象。

图3 检测数据城中110kV变电站10kV开关柜

图4 检测数据王庄110kV变电站10kV开关柜

图5 检测数据乔北220kV变电站35kV开关柜

5 结束语

1)在线检测开关柜局部放电对于电网的安全运行有着重要的意义,此项技术可在不停电状态下实现对现场设备的绝缘故障状况进行检测(传统方法需停电),快速检测开关设备的运行状况,避免意外停电事故的产生,减少检修停电时间,提高设备供电可靠性和连续性;

2)一旦确定开关柜内部确实存在局部放电现象,就必须定位局放源的所在位置从而消除故障隐患。局放源的定位准确性关系到检修工作的效率,可以减少不必要的停电检修时间,减少电能的损失,提高经济效益;

3)在检测过程中要注意干扰的排除问题。

[责任编辑:王 琨]

Research on PD On-line Monitoring Based on Electromagnetic Wave Mansurement

SONG Xi-fang1,TAI Yong2,LIANGYing
(1.Linfen Power Supply Branch Company,Linfen,041000,China; 2.Shuozhou Power Supply Branch Company,Shuozhou,038000,China)

High-voltage switch cabinet is an important electrical equipment of power system.With the developing of the sensor technology,signal processing technology,computer technology and artificial intelligence technology,it is possible to carry out on-line monitor of switchgear status,to detect hidden faults and to predict cumulative failures.The methods of on-line PD detection and the localization of the Switchboard PD position are introduced.

dislribution network;high-voltage switchgear;partial discharge;on-line monitoring

book=2010,ebook=50

TM834

A

1671-5977(2010)02-0134-04

2010-04-17

孙西方(1967-),男,河南三门峡人,山西省临汾供电分公司,工程师。