高压开关柜局部放电声电联合定位检测技术

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(广东电网有限责任公司佛山供电局，佛山 528000)

20世纪50年代，美国GE公司提出了预知检修(Predictive Maintenance)的概念，后来其被演变为“状态检修”(Condition-Based Maintenance)。“状态检修”就是指在电气设备运行过程中，采用各种测量、分析和判断的方法，根据电气设备自身的运行环境和历史状况，实时诊断电气设备的运行状态，其具有避免不必要停电的优点。国内外对高压开关柜局部放电的超高频、暂态地电波、超声波、紫外成像等检测技术开展了较多的研究，但是对局部放电精确定位技术的研究并不多见。

高压开关柜是电力系统非常重要的电气设备，其运行状态对配网的可靠性具有重大影响。有资料表明，我国电力系统配电电压等级开关事故有如下统计规律：机械故障占33.3%，绝缘故障占37.3%，温升故障占8.9%，其他故障占20.5%。由此可看出，绝缘故障占有很大的比重，其中在绝缘故障潜伏期可能产生放电现象，故可以通过对局部放电的监测得到相关的信息。佛山供电局针对高压开关柜绝缘故障占所有故障中比重较高的问题，引入了高压开关柜的带电检测技术，对高压开关柜的监测水平及推进带电检测技术的应用起到了非常重要的作用[1-4]。

1 检测原理

1.1 超声波检测原理(声测法)

局部放电是一种快速的电荷释放或迁移过程，在其发生之前，放电点周围的电场应力、介质机械应力、粒子力处于相对平衡状态。产生局部放电时，放电点周围的电场应力、介质机械应力与粒子力之间的平衡状态被打破，从而产生振荡变化，机械应力与粒子力的快速振荡会导致放电点周围介质振动，从而产生超声波信号。放电强度的大小决定了电场应力、机械应力和粒子力的振荡幅度，从而决定了超声波的强度；对于同种程度的放电，振动幅度与介质的弹性系数有关，固体与液体的振动幅度小，气体的振动幅度大；振动和声波的传播过程是有损耗的，传播途径的差异导致超声波幅值大小与放电强度之间存在着复杂的比例关系。利用由压电元件、前置放大器、滤波器、屏蔽壳等部分组成的超声波传感器便可以实现超声波信号的检测[5-8]。

1.2 超高频电磁波检测原理(电测法)

电气设备绝缘介质中局部放电的持续时间一般在10-9～10-7s，脉冲宽度为纳秒级，其频率分量可达1 GHz。因此，可以通过频率范围为500 MHz～1 GHz的超高频电磁波信号来检测局部放电的强烈程度。在300 MHz～3 000 MHz频率范围内的电磁波信号可以很好地避开电晕等外界干扰信号，检测系统的可靠性和灵敏度可以得到很大提高。超高频电磁波检测传感器通常为各种超高频天线，如阿基米德平面螺旋天线，其能实现带宽为500 MHz～1 500 MHz频率的局部放电信号检测，是一种非频变天线，该天线的电性能与频率无关，具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高及可嵌装等优点以及良好的工程应用价值[9-12]。

1.3 声电联合定位检测原理

声电联合定位检测是基于电磁波在各种介质中的传播速度远远大于超声波的传播速度的原理来实现的。与超声波信号相比，超高频电磁波信号的传播时间几乎是可以忽略的，故可作为参考基准。测试中以超高频信号作为参考基准，不断移动超声波传感器的位置，使获得的超声波信号时延最短，此时放电源离超声波传感器最近。然后根据放电信号到达超声波传感器和超高频传感器的时间差t和超声声速v，即可计算出放电点至传感器的距离。同时，采集超高频电磁波(电)和超声波(声)信号，两个信号间的时间差就是超声波信号的传播时间t，超声波信号时延示意如图1所示。

图1 超声波信号时延示意

局部放电点距离超声波传感器的距离为

s=t(1/v2-1/v1)(1)

式中：v1为电磁波的速度；v2为声速。

2 检测系统

2.1 TDS3034C示波器

示波器采用泰克公司生产的TDS3034C型高精度示波器，其具有4通道测量功能，能提供300 MHz带宽,采样速率为每秒采集2.5×106个点，通道输入阻抗有50 Ω和1 MΩ两个档位可供选择，测试中要求传感器连接示波器的同轴电缆的长度和波阻抗都相同，各通道横纵坐标的设置要相同。

2.2 UTP1便携式开关柜局部放电检测仪

UTP1便携式开关柜局部放电检测仪是英国AE公司生产的用于开关柜局部放电检测的便携式仪器，该仪器采用非接触式检测方式，具有超声波测试和暂态地电波测试两种模式，在声电联合定位检测系统中采用超声波测试模式。超声波传感器采用内置式、非接触式传感器，以分贝(dB)数值显示给测试者，并且具有音频输出功能，可以通过示波器分析信号时域特征或者通过频谱仪分析信号频域特征。

2.3 M600超高频传感器

清华M600超高频传感器是利用电容耦合原理获取超高频电磁波信号的，该传感器具有两个输出端口，分别是RO输出端口和HO输出端口，其中RO端口输出信号是经过一系列检波处理后的信号，信号属毫秒级；而HO端口输出的是局部放电原始信号，信号属纳秒级。在需要观察放电类型的时候采用RO端口输出信号，在需要观察放电原始波形或者用于时差法定位时采用HO端口输出信号。

3 典型案例

2017年4月20日，佛山供电局在某10 kV开关房进行高压开关柜局部放电检测过程中，发现10 kV高压室内10 kV沙窖线701开关柜至10 kV沙边线706开关柜共6面开关柜暂态地电波检测数值明显偏大，于是对其进行了诊断性试验。

3.1 超声波检测

采用非接触式超声波检测仪在10 kV沙窖线701开关柜至10 kV沙边线706开关柜柜后缝隙处进行检测，检测结果如图2所示。由图2可发现，10 kV水丝线703开关柜柜后超声波信号最强，可以判断局部放电源来自703开关柜。

图2 某10 kV高压开关柜柜后缝隙处超声检测结果

3.2 超高频电磁波检测

使用超高频检测仪在703开关柜柜后进行检测，可以检测到微弱的超高频信号，检测结果如图3所示。由图3可以看出，每隔20 ms放电，且放电时幅值变化，次数也不固定，判断为绝缘类放电。

图3 703开关柜柜后超高频电磁波检测结果

3.3 声电联合定位检测

声电联合定位检测波形如图4所示，声电信号时差最小位置示意如图5所示。通过时域波形时差确定放电位置，按照放电位置应该靠近时差最小检测点的原则，最终确定放电点靠近图4中时差为1.70 ns的位置，深度为靠近柜后60 cm处，根据开关柜结构判断局部放电点位于真空断路器底部的位置。

图4 声电联合定位检测波形

图5 声电信号时差最小位置示意

3.4 停电外观检查

对703开关柜停电后进行外观检查，检查结果发现真空断路器A、B、C三相底部绝缘表面均出现不同程度的裂纹，肉眼可见清晰的放电痕迹，如图6所示，检查结果与定位检测结果吻合。

图6 703开关柜停电后外观检查结果

4 结语

利用超高频电磁波、超声波两种检测原理相结合的声电联合定位检测技术，进行了开关柜局部放电定位检测，大大提高了检测定位能力，实现了局部放电点的精确定位，并能高效指导检修工作的开展。

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