高压开关柜局放特性的研究及监测

蒋远东 刘显强 梁庆龙 余 菲 余 灯

（1.钦州供电局，广西 钦州 535000；2.武汉烽火富华电气有限责任公司，武汉 430074)

目前，高压开关柜的检修主要是在停电状态下进行，实时在线监测手段应用的比较少，而开关柜的稳定运行关系到整个电网的安全稳定。由于各种原因，高压开关柜不能按照计划固定停电检修，开关柜内设备的运行情况不能被实时的掌握，因而存在安全隐患，严重威胁供电安全[1]。开关柜内局部放电一般不会导致绝缘的贯通性击穿，但会造成电介质的局部损坏以及绝缘电介质的电气强度降低，即局部放电对绝缘设备的破坏是个缓慢的发展过程，随着绝缘设备以及电介质的损坏，也会导致局部放电次数和放电量的增加，如此形成一个恶性循环。开关柜内的局部放电特性能反映开关柜设备的绝缘缺陷的特性和损坏程度，因此，对开关柜内局部放电的监测显得很有必要，不仅增加了电网的供电安全性，同时也为智能电网的建设起到积极的促进作用[2-3]。本文拟采用脉冲电流法对高压开关柜中的局放信号进行实时在线监测，并制作出了相应的产品，实验证明，该系统具有灵敏的反应速度，同时结合小波变换方法对信号和噪声进行处理，使得软件具有精确捕捉局放信号的能力，满足IEC-60270的局放测量标准[4]。

1 高压开关柜的局部放电特性

局部放电（简称局放，partial discharge）是指设备绝缘系统中部分被击穿的电气放电，这种放电可以发生在导体（电极）附近，也可发生在其他位置。局部放电主要包括：绝缘材料内部放电（固体-空穴；液体-气泡）；表面放电；高压电极尖端放电。

高压开关柜中引起局部放电的主要原因有：导体、外壳内表面上的金属突起，常常是由于制造和安装时造成金属表面有较尖的毛刺；绝缘介质的缺陷、老化和表面的污秽造成绝缘内部或表面出现局部放电；高压母线连接处、开关电路出头接触不良或断路器触头接触不良造成局部放电；高压设备里的可以移动的金属微粒，主要在制造、装配和运行中产生，当靠近高压导体并未接触时，就很可能导致放电[5]。

当高压开关柜中有局部放电时，沿着放电通道将会有过程极短的脉冲电流产生，这些电流脉冲的宽度一般为ns级，并激发瞬态电磁波辐射，产生的脉冲电流会沿着电缆传输。高压开关柜在稳定状态，三相电缆的电流在三相电缆分支前的接头处叠加的总电流为 0；没有局放发生时，在三相电缆分支前的接头处只能监测到均匀的噪声电流信号。若在三相电缆分支前的接头处监测到不同寻常的脉冲电流信号，满足局放特性，则可判断开关柜中发生过一次局部放电事件，当监测到柜中的局放的放电频率和放电量超过规定的阈值后，则可安排停电检修，避免设备的进一步恶化，保障高压开关柜安全运行。

高压开关柜的典型特点在于开关柜四壁都是金属密封结构，对外界的电磁波有很好的屏蔽作用，同时，柜内的局放信号也无法传出开关柜，只存在于开关柜内，因此开关柜内的电磁干扰只因柜内的电气设备产生，因而对开关柜内的局放信号探测时，本身信噪比就较高，加上一些信号处理技术，更加容易检测到局放信号。

2 局部放电监测方法

目前，用于局放监测的方法有脉冲电流法、超声波检测法、光测法、化学检测法、红外检测和超高频检测法等多种方法。其中最受人们关注的当属脉冲电流法和超高频检测法[6]。

超高频检测法是近几年出现的一种新的检测方法，通过检测电气设备内部局部放电所产生的超高频（300～3000MHz）电磁波信号，实现局部放电的检测和定位。由于噪声信号主要集中于低频段，因此这种方法的测量具有很强的抗外界干扰能力，且灵敏度高，已应用于一些固体绝缘设备（如变压器等）中的局部放电检测。其缺点在于，对于结构复杂的电气设备，电磁波传播时会发生多次折反射及衰减；同时，电气设备外壁也会对电磁波的传播带来不利影响，这也增加了超高频电磁波检测的难度。因此，在开关柜中，由于柜中复杂的电气结构和金属外壁等影响，电磁波在柜内传播特性复杂，不利于使用超高频检测法检测局放信号；同时，由于不同类型的放电在超高频段的能量分布差异较大，同时天线的放置位置与放电产生位置的距离会严重影响天线耦合到的超高频信号强度，因此导致超高频检测方法无法对放电的大小进行定量分析，也就无法有效显示出开关柜内的放电严重程度。

脉冲电流法是最早研究，且是迄今为止最广泛使用的一种检测方法，IEC对此制定了专门的检测标准。每一次局部放电都会发生正负电荷的中和，伴随有一个陡的电流脉冲，脉冲电流法即通过测量该脉冲电流检测到局部放电的发生。该方法通过测量阻抗在耦合电容侧或通过Rogowski线圈（简称罗氏线圈）测取由局放引起的脉冲电流，获得视在放电量、放电相位等放电信息。本系统采用基于罗氏线圈的脉冲电流传感器来测量局放信号，这种检测方法具有灵敏度高、实时性好，而且可以测得放电量、放电重复率、平均电流等，因而这种方法得到了广泛的使用。其缺点在于在线检测时，局放信号容易被噪声干扰甚至湮没，信噪比低。在开关柜内，由于外界对开关柜内的局放信号干扰很小，因此开关柜内的信噪比较高，同时可以通过引入小波变换的方法，在不改变信号可评估性的同时能显著的提高信噪比。相对于超高频检测法，脉冲电流法检测设备简便，价格上更便宜，对于开关柜局放实时在线检测，使用脉冲电流检测法更合适。

2.1 罗氏线圈电流传感器

罗氏线圈实际上是均匀密绕在环形磁性铁心上的线圈，原理图如图1所示，等效电路图如图2所示。

图1 罗氏线圈原理图

图2 罗氏线圈等效电路图

罗氏线圈的输出电压u(t)正比于被测原电流i1(t)随时间t的变化率，即

式中，i1(t)垂直通过测量线圈所在的平面，M 为互感系数。罗氏线圈的自积分等效电路如图2所示，其中 i2(t)为线圈感应产生的感应电流，L0为线圈的自感系数，R0诶线圈绕线的电阻，CC0为线圈绕线与线圈外壳间产生的分布电容，通常CC0很小，可以忽略。由图2中的等效电路图，其回路方程为

测量时主要关心电流信号的第一个峰值和第一个周期，故可假设正弦衰减信号为理想状态，即α→0。并且考虑到 sinωt、cosωt均为有界函数，则式（7）可转化为

式中，N为罗氏线圈的匝数。通过式（10）可见，i2(t)与 i1(t)成线性关系且同相位[7-10]，即 u(t)与i1(t)成线性关系且同相位。据此条件则可用来对高频冲击信号进行测量，即对局放脉冲电流的测量。罗氏线圈采用磁耦合方式工作，检测回路和高压回路之间无直接接电联系，非常适用于高压开关柜的局放现场监测。罗氏线圈电流传感器具有如下性能。

1）在较宽的频带上具有平坦的幅频响应：3dB带宽为2～330MHz。

2）响应速度很快：建立时间为ns量级。

3）灵敏度高：可测量最小局放脉冲电流的幅度为±0.5mA。

4）线性度好，输出失真小：局放脉冲电流幅度为±0.5～±1000mA无失真。

5）安全可靠：与高压回路之间无直接连接，安装在中性点零电位处。

根据罗氏线圈原理制作出的局放脉冲电流传感器的实物图如图3所示。

图3 基于罗氏线圈的局放传感器

2.2 小波变换原理

局部放电信号的检测中，首先要解决的是噪声抑制问题，其中典型的为白噪声。局部放电是典型的非平稳信号，处理这样的信号就必须采用具有表征信号时频局部特征能力的信号分析方法，包括短时傅里叶变化、Gabor变换、Randon-Wigner变换、循环统计量理论、调幅-调频信号分析和小波变换等方法。小波变换具有多分辨率分析的优点，是近年来非平稳信号处理的研究热点。目前基于小波变换的白噪声抑制方法可分为两种：小波模极大值法和小波阈值法，前者过程比较复杂，且计算时间很长，在实际中应用很少；后者根据信号和噪声不同的Lipschiitz指数变化规律，直接利用小波系数的统计特征量确定阈值，分离信号和噪声，方法简单，实际应用较多，本系统即利用小波阈值法对信号和噪声进行分离处理，具有良好的效果，显著提高了信噪比[11]。

3 实验测试

根据脉冲电流法研制出了的一种用于高压开关柜局放在线监测系统，并编写了相关的局放测量软件。系统在高压实验大厅内进行了高压放电测试，测试结果表明，本局放在线监测系统反映迅速，灵敏度高，信噪比较高，价格便宜且安全可靠，十分适合在开关柜里面使用。

在高压开关柜内进行放电实验的接线图如图 44所示，局放传感器环套在三相电缆分支前的接头处，获取三相的全部电信号。在高压开关柜中，没有局部放电发生时，三相的全部电信号的幅值一致，且具有固定相位差，局放检测仪只能探测到电缆上的噪声信号。当有局部放电发生时，局放所产生的脉冲电流会沿着电缆传输，置放在三相电缆分支前接头处的环形局放传感器即可探测到脉冲信号，并经过计算机软件的处理显示并记录下来。本系统的局放信号软件采用了小波分析原理，能获得更好的信噪比。

图4 开关柜内局放检测装置图

利用此检测装置在开关柜内进行电流监测，典型的放电数据如图5、图6所示。 从图5可以看到，高压开关柜中总是存在大量的噪声，相位幅度都很均匀，且幅度较小（受外界干扰很小），对于小脉冲，通过调节时域分辨率可以看到这些脉冲的相位、幅度具有重复的一致性，主要频率分量也较低，故可以判断图5中的脉冲信号均是其他用电设备产生的干扰脉冲，不是局部放电。由图6所示，脉冲电流检测仪记录的 20ms波形可以看出，此周期中有一个典型放电脉冲，如图6所示左边红线圈所示，其幅值在3.5mV左右，其对应的放电量在35pc左右，判断其为放电脉冲的原因为：该脉冲是随机出现的，并带有一定的相位特征，并且从高分辨率的波形可以看出，该脉冲的上升时间很快，即上升沿很陡。其他脉冲，通过其相位、幅度的重复一致性可以判断为其他设备的干扰噪声，不是局部放电。

图5 高压开关柜某段放电数据

图6 高压开关柜某段放电数据

通过多次反复实验测试表明，该局部放电在线监测系统反应迅速、灵敏度高且价格低廉，十分适合高压开关柜的局部放电在线监测。每发生一次局部放电事件，终端软件均会有详细的记录，随时供操作者查看，当开关柜中局部放电频率越来越频繁，放电量越来越大时，则软件会告警提示，提醒用户对开关柜进行停电检修，具有实时智能，安全方便等特点。

4 结论

高压开关柜的稳定运行在电网的安全稳定运行中具有重要的作用，而目前对高压开关柜的实时在线监测手段少之又少，不符合建设智能电网的大潮流。本系统采用基于罗氏线圈的脉冲电流检测仪，用来监测高压开关柜中的局放信号，同时采用小波分析法对检测到的信号进行处理，能取得满意的效果。实验表明，该装置反映迅速，灵敏度高，安全性好，价格低廉，且具有实时在线检测和记录功能，完全可以实现无人值守的智能化监测，在智能电网的建设中具有重要意义。

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