空气湿度对开关柜局部放电影响的试验研究

孟凡生，金观华，程光强，茅东华

（绍兴电力局，浙江 绍兴 312000）

0 引言

10 kV金属封闭式开关柜在变电站广泛使用，其运行安全将直接影响变电站的供电可靠性。对开关柜运行状态的监测及对故障的正确诊断是保证开关设备安全可靠运行的关键。根据实际运行经验，开关柜在长期运行中，其内部的空气湿度、温度、压力等环境因素会发生改变，这种改变会影响绝缘子的绝缘水平。当开关柜发生局部放电（partial discharge，PD）时，空气湿度、温度、压力等因素的改变会进一步加剧PD，进而加速设备绝缘劣化，最终导致开关柜发生绝缘故障。因此有必要研究开关柜的PD检测及各种环境因素对PD的影响规律，以便有针对性地采取措施，改善环境因素，抑制PD的发展。

目前，开关柜的PD检测方法主要有脉冲电流法、超声波法、超高频法等，其中脉冲电流法和超声波检测法应用最为广泛。但脉冲电流法的抗干扰能力差，无法有效应用于现场在线监测。而超声波在开关柜内的传播过程复杂，遇到障碍可能会有多次反射和折射，所以检测灵敏度不高，定量测量比较困难。暂态对地电压（transient earth voltages，TEV）法是一种新发展起来的带电检测技术，具有灵敏度高、抗干扰能力强、故障定位准确等优点，在国内外部分电力公司得到了应用。本文提出将TEV法应用于10 kV开关柜的PD检测，并在该检测法下研究开关柜内部空气湿度对开关柜PD的影响规律，针对空气湿度的影响提出改进措施，以抑制PD的发展。

1 暂态对地电压法测量原理

高压电气设备发生PD时，放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流，并在设备金属表面传播。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面。屏蔽连续时，在设备外部无法检测到PD信号，但屏蔽层通常在某些绝缘部位不连续，如垫圈连接、电缆绝缘终端等，PD的高频信号就会由此传输到设备屏蔽外壳。因此，PD产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并沿着设备金属箱体外表面继续传播，同时对地产生一定的暂态电压脉冲信号。该现象由Dr.John Reeves于1974年首先发现，并将其命名为暂态对地电压。TEV法工作原理如图1示，PD信号在设备的金属封闭壳体上产生TEV信号，可通过电容耦合传感器对其进行测量，从而得到PD的幅值和放电脉冲频率等参数。TEV法采用相对读数来表示PD相关参数，TEV信号（mV）与信号输出（dB）的关系如下式所示：

测量值=20log（局部放电量峰值mV/1 mV）

图1 TEV法检测原理

2 试验装置及步骤

本试验选取70%，80%和90%3个空气湿度点对实际运行的开关柜进行试验，在断路器高压触头的正前方开关柜表面选取a，b，c 3个检测点，检测点之间的水平距离为30 cm，同时在水平监测点的右下方距离a，b，c直线垂直距离50 cm处设置检测点d。PD测量如图2所示。

实验步骤如下：

（1）将TEV探头放在a，b，c任一检测点，采集未加压时的背景TEV信号幅值。

（2）设置开关柜的空气湿度，当湿度稳定在70%时，分别在A，B，C相加压9 kV，观察示波器并记录TEV的信号幅值。逐次提高空气湿度至80%和90%，分别记录TEV的信号幅值。

（3）对 B，C 相重复步骤（2）。

图2 局部放电测量系统

3 试验结果与分析

将TEV探头分别置于4个测试点，未加压时各检测点获取的TEV值如表1所示。

表1 背景TEV信号幅值

从表1可以看出，断路器三相触头加压前，随着空气湿度的增大，在4个检测点得到的TEV信号幅值几乎没有变化，且幅值比较小，最大为8 dB。因为没有PD产生，检测到的TEV信号只是背景噪声，空气湿度对PD无影响。

表2给出了A相加压9 kV时断路器A，B，C三相在70%，80%和90%空气湿度下，4个检测点上得到的TEV信号幅值。空气湿度为70%时，A，B，C相在4个检测点上的TEV信号幅值范围分别为 19～23 dB，25～32 dB 和 21～27 dB，根据表3中的经验判据，A，C相有一定程度的PD产生，而B相有较强的PD，说明B相的绝缘缺陷比A，C相严重。保持9 kV电压不变，提高空气湿度至80%，A，B，C相在4个检测点的TEV信号幅值均增大，增幅约为10 dB，且幅值均超过30 dB，说明空气湿度增加后加剧了PD。B相4个检测点上的TEV信号幅值高于对应的A，C相，说明湿度对B相的PD影响最严重，原因是B相绝缘子可能存在裂缝，或者表面污秽程度较严重，使其内部或表面受潮严重。保持9 kV电压不变，继续提高空气湿度至90%，A，B，C相在4个检测点上的TEV信号幅值继续增大，幅值均超过40 dB。由表3经验判据，开关柜内PD强烈，说明空气湿度的增加进一步加剧了PD。从表2看出，A相幅值增量约为10 dB，B相约为12 dB，C相约为10.3 dB。相对于空气湿度由70%增加到80%时的幅值增量，A，C相幅值增量略有增加，而B相幅度增加2 dB，说明开关柜内缺陷越大，空气湿度对局部放电的影响越大。

表2 A，B，C相在不同空气湿度下的PD TEV信号幅值

表3 TEV法经验判据

从表2数据可以看出，在相同的电压下，随着湿度的增加，TEV的幅值也随之增加，B相的TEV幅值和增量均大于A和C相，说明开关柜内B相绝缘缺陷最严重。从表中还可以发现，距离放电源较远的d检测点，TEV信号幅值较小，说明TEV法在PD定位上有一定优势。

为减小空气湿度对开关柜PD的影响，在开关柜底部安装2个65 W的风扇再次试验，试验条件和未装风扇时一样。为方便分析结果，仅以绝缘缺陷最严重的B相为研究对象。加压至9 kV保持不变，空气湿度依次从70%增加至90%，分别得到在3种湿度条件下的PD TEV信号幅值，如表4所示。

从表4可以看出，随着湿度的增加，PD的TEV信号幅值也随之增加，在湿度为70%～80%时的增量小于80%～90%的增量，但相对于装风扇之前，此时的幅值明显减小，且对应的增量减小，说明安装风扇后大大改善了开关柜内的空气湿度，一定程度上限制了局部放电的发展。

表4 安装风扇后的B相TEV信号幅值

4 结论

根据TEV法检测10 kV开关柜局部放电的原理，结合该方法下空气湿度对开关柜局部放电影响的试验研究，可以得出以下结论：

（1）TEV法能够检测到开关柜内的局部放电，检测点距离放电源越近，TEV信号幅值越大，反之越小。放电越强，TEV幅值越大。因此TEV不仅可以实现定位，也可以实现定量检测。

（2）在不同的空气湿度条件下，PD的TEV信号幅值也不同。随着湿度的增加，TEV的幅值随之增加，且增量越来越大。

（3）开关柜内缺陷严重的绝缘子，受空气湿度对PD的影响比缺陷小的绝缘子明显，随着湿度的增加，PD剧烈，并有可能导致绝缘击穿。

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