开关柜局部放电特高频法与脉冲电流法联合检测分析

2016-03-28唐民富

湖南电力 2016年5期

关键词：脉冲电流相电流开关柜

唐民富

(国网湖南省电力公司湘西供电分公司，湖南吉首416000)

开关柜局部放电特高频法与脉冲电流法联合检测分析

唐民富

(国网湖南省电力公司湘西供电分公司，湖南吉首416000)

Switchgear partial discharge detection based on combination of UHF and current pulse method

研究特高频法与脉冲电流法联合应用于开关柜局部放电诊断，通过实际案例分析了两种方法的区别与联系，为开关柜局部放电检测工作提供实践参考意义。

特高频法；脉冲电流法；开关柜；局部放电

局部放电是运行中开关柜内电气设备绝缘劣化的主要原因之一，对开关柜进行局部放电检测和度量对正确评价其状态和进行风险评估具有重要意义。当前，根据检测对象的不同，局部放电检测主要有电测法和非电测法，其中电测法又可分为脉冲电流法、暂态地电压法和特高频法等，而非电测法主要有光测法、声测法和化学检测法等。根据测试条件的不同又可分为带电检测和停电检测〔1〕。当前对于开关柜而言，带电检测工作中应用较多的是暂态地电压(TEV)和超声波检测法。经验表明，暂态地电压能检测出绝缘内部放电，但其灵敏度不高，往往绝缘内部放电较严重时，暂态地电压才能检测到局部放电〔2〕，此外由于暂态电压检测频段较低(3～100 MHz)，而变配电设备电晕放电激发的电磁波频率多集中在100 MHz以下，对暂态低电压检测干扰较大。根据笔者的经验，现场测试中经常出现整个高压开关室的暂态地电压幅值在60 dB以上的情况，达到检测仪器的满刻度量程，使暂态地电压检测失效。而虽然超声波对尖端放电、悬浮放电和沿面放电等类型具有较高灵敏度，但对绝缘内部放电检测不灵敏。

近年来许多电力企业开始引入特高频检测技术对开关柜进行带电检测，特高频法以局部放电激发的电磁波为检测对象，检测频率范围可达300～ 3 000 MHz，具有对绝缘内部缺陷引起的局部放电灵敏度较高、抗干扰能力强、能进行局部放电定位等优点，但该方法当前还存在一些难题亟需解决，如其幅值和放电程度没有明确关系，难于定量描述放电的严重程度，这增加了合理做出检修决策的难度〔3〕。因此，特高频法结合其他能定量描述局部放电严重程度的方法进行综合诊断就很有意义。而脉冲电流法就是一种成熟的局部放电检测方法，虽然其仅能在停电情况下测量的局限性且测量频率低(一般不超过1 MHz)、频带窄和抗干扰能力较差，但它以局部放电产生的脉冲电流为检测对象，电流脉冲信息含量丰富，物理意义明确。脉冲电流法对于突变信号反应灵敏，易于准确及时地发现故障〔4〕，同时脉冲电流法以pC作为反映局部放电严重程度的度量指标，获得GB/T 7354、IEC60270等规程支持，具有严格的判断依据，是当前唯一有国家和国际标准依据的局部放电检测方法〔5〕。用特高频法与脉冲电流法联合诊断开关柜局部放电缺陷将具有很大的现实意义。

1 脉冲电流法检测原理

局部放电发生时必然有正负电荷中和，并伴随着产生一个陡脉冲电流，以该脉冲电流为测量对象的局部放电检测方法称为脉冲电流法。脉冲电流法将绝缘体等效为一个集总参数对地电容元件，局部放电会在电容上产生一个瞬时的脉冲电流和电压变化，可利用电容耦合作用在检测阻抗中产生一个脉冲电压，通过该脉冲电压可获得视在放电量、放电相位等局部放电信息〔6－7〕。

检测脉冲电流的方式有2种，第1种方式通过测量阻抗在耦合电容侧测量脉冲电流，其原理图如图1所示。图中Cx表示被检测设备，当其内部存在绝缘缺陷并在电压作用下产生局部放电时，会产生脉冲电流Ij。从图1中看出，Ij有I1和I22个分量，但是由于脉冲电流频率通常达数10 kHz，该高频电流沿I2方向上的阻抗较大，所以I2分量很小，I1分量大。当I1流过检测阻抗Zm时就会产生一个脉冲电压被传送到局放检测仪器进行分析。

图1 基于测量阻抗的脉冲电流法检测原理图

第2种方式则是通过采用罗氏线圈从被侧设备的中性线或接地引下线对脉冲电流进行测量，如图2所示。图中耦合电容Ck一般由空气杂散电容实现，也可以通过专用的耦合电容实现。此方法最早用于停电诊断，近年来也用于带电检测的装置〔5〕。

图2 基于罗氏线圈的脉冲电流法检测原理图

2 特高频法检测原理

局部放电发生时，电荷会在放电点迅速转移，形成上升时间极短的陡电流脉冲，这种陡电流脉冲会激发出频率达数GHz的高频电磁波信号〔3〕，特高频法正是基于局部放电的这一特性，把特高频传感器设计成接受电磁波信号的天线，通过对电磁波信号进行检测来分析局部放电信息。有关研究表明:局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局部放电源的几何形状及放电间隙的绝缘强度有关〔4〕。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的信号比较强；而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强〔4〕。

特高频法通过对放电脉冲激发法的电磁波进行检测，经过采集、滤波、调理与放大、检波等途径对局部放电特征进行提取，从而实现局部放电分析功能，特高频局部放电检测系统如图3所示〔3〕。

图3 特高频局部放电检测系统

3 特高频法与脉冲电流法联合检测

脉冲电流法在现场抗干扰能力差、信噪比低，多用于离线检测或实验室研究〔8－11〕，而特高频法检测频率带远高于一般电晕干扰，灵敏度高，较适用于电力设备的带电检测〔12〕。实际工作中可将2种方法综合起来应用，对诊断局部放电缺陷具有很大帮助。

3.1 案例简介

2015年11月19日，某公司用特高频检测技术发现110 kV雅溪变雅吉联线302开关柜存在局部放电异常信号，但用暂态地电压和超声波检测技术未能检测到局放信号，初步判断放电源在柜内电流互感器位置，专业人员将此列为重点跟踪检测对象。12月19日，对302开关柜进行停电检查，发现C相电流互感器环氧树脂外绝缘存在一处外部裂隙，经仔细检查未发现裂隙处有明显放电痕迹，同时结合缝隙所处部位及其与柜板的空气距离情况，判断其引发局部放电的可能性较小，局部放电可能另有原因。

3.2 现场放电部位检查

检修现场采用外施工频电压并同步开展特高频法测量的方式进行诊断，当时环境温度为13℃，相对湿度为57%。对A相和B相(B相无电流互感器)施加运行电压(5.77 kV)时，未检测到特高频信号，而对C相加压到4 kV就能检测到特高频信号，说明放电源在C相上，且C相的特高频放电呈现随电压升高而不断加剧的趋势，如图4—5所示。当电压升到16 kV时，特高频信号已布满PDPR和PDPS界面，如图6所示。

图4 4 kV时C相电流互感器特高频放电图谱

图5 10 kV时C相电流互感器特高频放电图谱

图6 16 kV时C相电流互感器特高频放电图谱

对照文献〔11〕国家电网公司企业标准Q/ GDW11059.2—2013《气体绝缘金属封闭开关设备局部放电带电测试技术现场应用导则第2部分—特高频法》，图4具有明显的悬浮放电特征，PRPD图谱呈明显的双极性，PRPS图谱呈“外八字”特征；图5具有悬浮放电并夹杂着呈现一定的气隙放电特征；图6中因施加电压较高，放电量较大，不适合辨别放电类型。

3.3 试验室检查

将互感器运回试验室开展进一步检查，分别进行绝缘电阻测量和脉冲电流法局部放电检测，试验室环境温度11℃，相对湿度53%。绝缘电阻测量结果如表1所示。

表1 绝缘电阻测量结果GΩ

从表1可以看出，虽然C相电流互感器的绝缘良好，但与A相比较，其绝缘下降较明显，说明C相绝缘存在缺陷。

为进一步验证，对2台电流互感器开展脉冲电流法局部放电检测，并同步用特高频法进行综合分析，试验室内脉冲电流背景放电量为13 pC，特高频背景放电为0。

试验结果表明A相电流互感器未检测出局部放电信号；而C相在2.8 kV开始出现脉冲放电信号，脉冲相位图谱呈双极性，分布在1，3象限，且放电量随电压升高而稳定增长，在8.3 kV测量电压下放电量为840 pC，远大于文献〔12〕国家电网公司企业标准Q/GDW 1168—2013《输变电设备状态检修试验规程》规定的50 pC(注意值)，当电压降低到2.6 kV时放电消失。脉冲电流法局部放电图谱如图7所示，对照文献〔13〕DL/T 417—2006《电力设备局部放电现场测量导则》进行分析，图7较符合“浇注型绝缘结构内含有多种不同尺寸气隙情况下的典型放电图谱”特征。

图7 C相电流互感器脉冲电流法放电图谱

在进行脉冲电流检测时同步对被试品开展了特高频法检测，2.8 kV时未检测到特高频信号，电压达4.5 kV时开始出现特高频信号，这说明特高频法的灵敏度比脉冲电流法低。当外施电压为8.3 kV时特高频放电图谱如图8所示，放电图谱呈明显双极性，参照文献〔11〕，图8表现出一定的气隙放电特征。

图8 试验室内C相电流互感器特高频放电图谱

结合脉冲电流法和特高频法测量结果，判断C相电流互感器内部存在一定量的气隙，产生局部放电而导致绝缘劣化。在确定302 C相电流互感器存在内部缺陷后，从备用间隔拆下2台互感器换到302间隔上，安装完毕后外施交流电压同步测量局部放电，电压加到10 kV时未检测到放电信号，安装合格。

4 结论与建议

1)特高频法和脉冲电流法对环氧树脂绝缘内部气隙放电较灵敏，在绝缘电阻较高的情况下亦能有效检测出气隙放电缺陷，两者联合检测对判断设备缺陷效果明显。

2)对环氧树脂绝缘内气隙放电，用脉冲电流法检测时的起始放电电压比特高频法的起始放电电压低，说明对局部放电的反应能力而言，脉冲电流法的灵敏度更高。

3)局部放电是绝缘劣化的主要原因之一，局部放电超标虽不至于立即引发设备故障，但必然导致设备的生命周期缩短，埋下严重隐患。因此，对于开关柜内新安装的环氧树脂绝缘电流互感器，应在交接试验中严格开展局部放电测量，杜绝局放超标的产品投入运行，对于运行中的设备，当用特高频检测出来的放电缺陷时，应提高警惕，必要时停电处理。

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〔11〕国家电网公司.气体绝缘金属封闭开关设备局部放电带电测试技术现场应用导则第2部分特高频法:Q/GDW11059.2—2013〔S〕.北京:中国电力出版社，2013.

〔12〕国家电网公司.输变电设备状态检修试验规程:Q/GDW 1168—2013〔S〕.北京:中国电力出版社，2013.