高压开关柜局部放电暂态地电压与放电源特性的关系研究

2018-01-12吴少雷俞飞凌松许家益尹轶珂

电气自动化 2017年5期

吴少雷，俞飞，凌松，许家益，尹轶珂

(1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽合肥，230061;2.国网安徽省电力公司，安徽合肥，230061;3.国网安徽省电力公司黄山供电公司，安徽黄山，245000;4.上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

0 引言

高压电力设备绝缘结构运行过程中可能会产生故障和缺陷，在长期运行后会导致绝缘击穿和整个电力设备的故障，从而影响整个电力系统的可靠性，因此，对高压电力设备绝缘缺陷需要进行识别与评估。局部放电(Partial Discharge, PD)检测被证明是揭示高压设备缺陷和评估其严重程度的有效手段[1-4]。局部放电带电检测与在线监测的主要目的是对绝缘缺陷的性质进行判断，缺陷位置进行确定以及缺陷的严重程度进行评估，从而为维修决策提供依据[5]。

高压开关柜在运行过程中，母排(连接处、穿墙套管、支撑绝缘件)、开关刀闸、电缆接头等处易于产生局部放电，且这些局部放电源均在开关柜的柜体内部。开关柜内部局部放电产生的电磁波一方面可以通过柜体接地金属外壳的缝隙或衬垫处向柜体外部传播，因此，可以直接检测缝隙出来的电磁波来获得柜体内部局部放电的特性参数，如特高频(Ultra High Frequency, UHF)检测法；另一方面，柜体内部电磁波在柜体金属外壳上将感应出沿外壳流动的高频感应电流，从而产生一个暂态电压[6]，通过检测该暂态电压同样也可获得柜体内绝缘局部放电特性，如暂态地电压(Transient Earth Voltage, TEV)检测法[7-8]。

然而现代的开关柜系统中常常采用全屏蔽的接头方式，UHF信号不能通过屏蔽层传到外面，此时只能通过测量该信号在开关柜内部传播时在外部感应出来的暂态地电压升高来测量局放信号。TEV法是通过检测开关柜局部放电在电气设备接地金属外壳上感应的暂态电压来实现的。测试过程中选择局部放电容易发生的位置进行检测，一般主要位置如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。

本文在分析开关柜内部绝缘缺陷局部放电电磁波引起金属柜体表面感应脉冲电流以及暂态脉冲电压原理的基础上，采用CST(Computer Simulation Technology)电磁软件建立高压开关柜模型，在柜体内部设置固定的局部放电源(激励源)，以及在金属柜体表面设置不同位置的测量点，通过改变放电源脉冲的宽度和幅值(放电强度)，仿真研究了各个测点处的TEV幅值与放电源脉冲宽度和强度的关系，从而为开关柜带电检测和在线监测领域更好地应用TEV局部放电测量方法提供参考。

1 开关柜局部放电暂态地电压检测原理

当开关柜内部的高压电气设备发生局部放电时，在金属外壳上产生一个暂态电压，故可在设备外壳表面设置TEV传感器，检测因局部放电引起的沿外壳流动的高频感应电流在金属外壳上产生的瞬时电位波动，从而实现开关柜局部放电暂态对地电压检测。

根据电磁感应原理，电磁波在空间传播时遇到导体，会使导体中产生感应电流且感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。因此，开关柜柜体表面激发的脉冲电流，其幅值大小、频率等参数与电磁波的参数相关。

U(t)=I(t)·jωC

(1)

式中jωC为放电模型的阻抗。

在放电源处所产生的电场强度为:

(2)

设开关柜内部空气与接地金属柜壁分界面处的入射电场和反射电场分别为E+(x,t)、E-(x,t)，入射磁场和反射磁场分别为H+(x,t)、H-(x,t)，接地金属柜体的合成磁场为H(x,t)，则有:

(3)

(4)

H(x,t)=H+(x,t)+H-(x,t)

(5)

其中Z是金属柜体的波阻抗。

设H(x,t)沿分界面方向的分量为Hy(x,t)，故金属柜壁的面电流密度K为:

K=n×Hy(x,t)

(6)

其中n为金属柜体在分界面上的外法线方向的单位向量。

设TEV探测器与开关柜接触的区域为S，则探测器表面的电流为:

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(7)

式中dS为区域S中无限小的面积。

金属柜体的波阻抗取决于柜体的介电常数和磁导率，即:

(8)

(9)

根据分布参数理论，电磁波在开关柜外表面产生的TEV信号为:

u=i·Z

(10)

2 开关柜建模以及电场分布研究

图1 开关柜模型以及放电源的位置

根据SM6型开关柜的几何尺寸建立1：1的仿真模型，如图1所示。开关柜尺寸为850 mm×500 mm×1 600 mm，沿着1 600 mm的高在1 250 mm处被分割成A：850 mm×500 mm×1 250 mm和B：850 mm×500 mm×350 mm两个空间。A、B两部分之间密闭良好，模型中没有缝隙。空间A和B的侧面上距离每条边30 mm处均有细小缝隙，缝隙宽度为2 mm，其他面和边角间没有明显缝隙，在仿真模型中作为无缝处理。为了获取开关柜内部局部放电引起金属柜体表面的电场分布情况，于开关柜内部一位置设置一放电源。

局部放电源用高斯脉冲激励线电流来模拟，线电流源相当于多个元电流的串联。高斯脉冲信号的时域形式为：

i(t)=I0e-(t-t0)/2σ2

(11)

其中σ为常数，决定了高斯脉冲的宽度；I0为脉冲峰值。设线电流源施加高斯电流脉冲激励，幅值1 A，脉冲宽度20 ns。

建模与电磁场计算采用CST软件，放电源局部放电脉冲波形如图2所示，开关柜体表面电场分布如图3所示。可见，开关柜柜体表面上各点之间存在不同强度的电场；靠近激励源处的电场强度较高，远离激励远处电场强度较低，这为利用暂态地电压方法进行局部放电检测的可行性提供了有力的支持。

图2 放电源局部放电脉冲波形

图3 开关柜表面电场分布

3 开关柜局部放电TEV检测特性仿真研究

3.1 局部放电激励源以及测点布置

局部放电源位于开关柜内部，其位置如图1所示，坐标为(450,250,200)。仿真计算中，在开关柜表面设置四个测量点，测点坐标如表1所示，测点布置图如图4所示。CST仿真研究中通过在测量点获取表面电流从而计算获得暂态电压的方式，来代替实际测量中的TEV暂态地电压耦合器，检测频率范围设为3 MHz～100 MHz。

表1 开关柜外表面测量点坐标(x,y,z)

图4 开关柜外表面测点布置

3.2 放电源脉冲宽度对TEV幅值的影响

将幅值为1 A，脉冲宽度分别为5 ns、10 ns、15 ns、20 ns、25 ns和30 ns的高斯电流脉冲作为激励源，测得测点1～4的暂态地电压波形幅值如图5所示。

图5 TEV幅值与放电源脉冲宽度的关系

从图5可以看出，监测点1～4电压幅值随激励脉冲宽度的增加而迅速减小；脉冲宽度越窄，检测到的TEV幅值越强，即TEV检测法对于相同幅值下激励电流波频率高的局部放电，其检测能力强；激励源脉冲宽度很小时，测量点距离激励源越远，TEV幅值越小，如测点1距离放电源最远，测点4最近，在脉冲宽度5 ns时，测点1幅值最小，为30 mV，而测点4最大，为65 mV。

另外，不同测点的TEV幅值之间的差别在不同的激励源脉冲宽度时并非遵循不变的规律，如当激励源脉冲宽度大于10ns时，测点3的幅值迅速下降，并一直小于测点2。尽管测点幅值的选取仅仅是选取脉冲波形的最大值，由于波形的振荡使得幅值并不等于放电传到测点处的实际能量，但这一特征还是能说明借助于检测开关柜金属柜体外表面的暂态脉冲电流(暂态地电压)来进行缺陷定位的局限性。

3.3 放电源脉冲幅值对TEV幅值的影响

图6 TEV幅值与放电源脉冲幅值的关系

将幅值分别为0.2 A、0.3 A、0.4 A、0.5 A，脉冲宽度为10 ns的高斯脉冲作为放电源，测点1～4处的TEV电压波形幅值仿真结果如图6所示。

由图6可知，TEV电压波形的强度正比于激励源脉冲电流的幅值；激励源脉冲幅值越高，检测到的TEV幅值越强。即TEV检测法对于放电强烈的局部放电，检测能力越强；另外，不管在何处检测，均有TEV幅值随放电源幅值近似线性增大的特征，这也就充分说明TEV用于检测开关柜内部缺陷局部放电并判断缺陷严重程度的可行性。