基于声电联合定位法的开关柜局部放电定位分析

任堂正，孙 俊，沈晓峰，徐 琳，孟 莹

(1.国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799；2.国网上海市电力公司奉贤供电公司，上海 201400)

在变电站的建设过程中，基于城市建设用地及操作便捷性等方面的考虑，高压开关柜在新建变电站中被广泛应用。高压开关柜虽然具有操作便捷及安全稳定等优点，但由于其采用全封闭结构设计，在运行中存在故障发现不及时、故障点定位不准确等问题，严重影响了开关柜运行的可靠性。

开关柜的电气故障尤其是主回路故障通常会以局部放电(以下简称局放)的形式表示出来，因此局放测试是对其进行故障检测和定位的重要手段。现有局放通常单独采用暂态地电压、超声波、特高频等手段，存在定位精度差、放电类型不准确等问题，极大地影响了开关柜局放的定位效率，不利于开关柜检修的快速开展[1-3]。

本文介绍了一种基于声电联合定位的局放定位方法，此方法利用特高频确定局放的大体方位，利用特高频与超声波在介质中传播的时间差确定局放的精确位置，并通过一个实例介绍应用方法及注意事项。本文对开关柜局放定位工作的开展具有一定的现场指导作用。

1 开关柜局放检测原理分析

开关柜中的设备在运行中因运行条件及设备结构等方面的因素，柜中某些位置的电场强度会发生畸变，如果此处的绝缘水平不合格则有可能发生放电。由于在局部放电发生的过程中会产生一些机械波以及电磁波，同时会有声、光、电以及化学方面的变化，因此只要对局放发生时产生的声、光、电、化学等信号进行检测，即可对局放发生的类型、位置、严重程度等信息进行判断。

2 开关柜局放检测及定位方法分析

2.1 局放检测方法分析

常见的局放检测方法可以分为电测法和声测法两种类型，其中电测法主要包括暂态地电压测量、特高频测量和高频电流测量，声测法主要是指超声波测量。

暂态地电压的测量原理为当开关柜中的设备发生放电后，产生的电流波仅在开关柜箱体表面传播而无法辐射到开关柜外部，当该电流波传播到开关柜接缝处时，会在接缝处以电磁波的形式辐射到开关柜外部。因此，当使用局放测试仪对暂态地电压进行测量时，必须将探头放置在开关柜接缝处。同时，由于开关柜中的暂态地电波会在相连的金属中传播而无法穿透金属，因此可能会出现拼在一起的一排开关柜中出现一个放电点导致整排开关柜暂态地电压都超标的情况。此种测量方法通常用在开关柜局放是否超标的定性测量中。

特高频检测技术[4]的原理在于通过专用的特高频天线对电力设备的局放水平进行测量。对于低电压等级的开关柜、敞开式设备及110 kV的GIS设备而言，基于装设成本等方面的考虑，一般不在这些设备上装设传感器，通常采用便携式局放设备进行测量。对于220 kV及以上的GIS设备，由于其供电半径较大，设备发生放电后影响范围较广，因此国网公司规定对于该种设备在每个间隔中至少装设一个特高频传感器，从而为该类GIS设备的后期维护及在线监测提供便利。特高频监测由于监测的频率较高，具有较好地抗干扰能力和灵敏度，不仅可以用于开关柜局放的定性测量，同时可以用于局放点的定位分析。

高频电流测量的原理是局放发生后，其产生的高频电流会通过接地点传入接地网，因此将一个带有高频磁芯的电流互感器安装在开关柜的接地线上，流经接地线的高频电流会在该电流互感器中耦合出脉冲电流，通过对该电流进行检测即可判断出开关柜是否带电。由于此种方法的监测点布置在接地线上，因此可以使用一个传感器对多台开关柜的局放情况进行检测，非常适合作为开关柜局放在线检测系统的检测手段。

超声波测量法的原理在于局放发生时会伴有一定程度的放电声，该声音在空气及金属等介质中传播，与暂态地电压所不同的是超声波能够穿透金属向外传播，故此种方法不仅可以用于开关柜局放的定性测量，同时可以用于放电点的定位。超声波传感器可以分为接触式超声波传感器和空气式超声波传感器两种，受开关柜全封闭设计的限制，通常采用接触式超声波传感器贴在开关柜箱体上进行测量。

2.2 局放定位方法分析

开关柜放电点的定位常采用的方法为时延估计法。时延估计法包括：声声时延估计法和声电时延估计法[5]。

声声时延估计法的原理为在空间中布置四个及以上的超声波传感器节点。假设放电点的空间坐标为(X，Y，Z)，任取布置的4个超声波传感器节点中的一个作为参考节点，其坐标为(X0，Y0，Z0)，假设放电点发出的超声波到达参考节点的时间为T0。

由于超声波在空气中的传播速度V约为340 m/s，以参考节点收到超声波信号的时刻作为参考时刻，则另外三个超声波测量节点从参考节点被触发至收到超声波的时间为Ti，则该节点到放电点的距离为V(T0+Ti)，故对四个节点联立方程有：

(X0—X)2+(Y0—Y)2+(Z0—Z)2=V2T02

(X1—X)2+(Y1—Y)2+(Z1—Z)2=V2(T0+T1)2

(X2—X)2+(Y2—Y)2+(Z2—Z)2=V2(T0+T2)2

(X3—X)2+(Y3—Y)2+(Z3—Z)2=V2(T0+T3)2

通过对四个方程式求解即可求出放电点的位置(X，Y，Z)。

声电时延估计法的原理与声声时延估计法相似，区别在于将其中一个超声波传感器节点替换为特高频传感器节点并将其作为参考触发节点。由于特高频接收到的是电磁波信号，因此可以认为特高频传感器被触发的时刻即为放电点的放电时刻，即声声时延估计法中的T0可以近似认为0，则联立的方程式可以由四个简化成三个，通过对三个方程式求解即可得到放电点的位置(X，Y，Z)。

2.3 局放现场检测及定位方法分析

通过对局放测量方法进行分析可知，暂态地电压测量和高频电流测量比较适合应用于局放的定性测试，特高频测量和超声波测量不仅适用于局放的定性测试，同样适用于局放位置的定位。

通过对两种定位方式的原理进行分析可知，其共同点在于均是在空间中建立一个三维坐标系，设置多个检测节点，通过联列方程求解得出其精确位置。这种方式理论上可以对局放放电点的位置进行精确定位，但是在实际使用中由于局放超声传播路径上可能存在多种材质，超声在不同材质中的传播速率有所不同，因此在大空间中采用这两种方法确定的局放点的位置有一定误差，但当开关柜中的放电点确定位置后若需要对其深度进行测试可以考虑使用声电时延估计法。

表1 开关柜局放值测定

综上，在分析常见局放检测和定位方法的基础上，结合开关柜工作实际，在工作中根据现场情况对测量方法进行改进。具体做法为：使用暂态地电压对开关室内的局放情况进行测量，确定其局放是否属于正常水平，若局放水平超标则首先利用两个特高频传感器通过比较的方式确定放电点的大体方位，之后采用特高频传感器和超声波传感器相配合的方式确定放电点的精确位置。下面以某变电站局放定位实例对该方法进行说明。

3 局放现场测试分析

3.1 开关柜检测环境说明

某35 kV变电站配电室内的开关柜在进行例行检测时发现其局放水平较高，通过连续多次检测后确定其存在局放，欲对该开关室中的开关柜进行进一步测试，从而确定放电点位置并消除缺陷。

3.2 开关柜局放水平测试

在对35 kV开关室进行检测时，发现现场工况比较复杂，除了开关柜、直流屏、通信屏等设备外，开关室内还有空调、照明灯、安防系统等设备同步运行。测量发现该开关室内的背景值较大，金属背景为51 dB，空气背景37 dB。在关闭了空调、日光灯、安防系统等辅助设施后局放背景值没有明显变化，可以排除现场干扰信号的影响。采用暂态地电压对开关室内各开关柜的局放值进行测量，测量值如表1所示。由表1中测试结果可以看出，该开关室内的局放水平整体较高，并且35 kV分段引线柜和35 kV分段开关柜的局放水平明显高于其他开关柜，故初步断定放电点位于35 kV分段引线柜和35 kV分段开关柜附近。

3.3 放电点方位测试

为了确认放电点具体方位，需要使用特高频来进一步确认。采用的方法是对35 kV引线柜和35 kV分段开关柜以及与之相邻的开关柜进行特高频测试，使用示波器观察信号到达两个传感器的先后顺序，距离放电点更近的传感器收到的信号会超前。开关室内部分开关柜的排布图如图1所示。

利用特高频分别对35 kV二段压变/避雷器柜、35 kV分段引线柜、35 kV一段压变/避雷器柜、35 kV分段开关柜进行了测量。在二段母线处局放信号率先到达35 kV分段引线柜处，说明放电点靠近35 kV分段引线柜；在一段母线处局放信号率先到达35 kV分段开关柜处，说明放电点靠近35 kV分段开关柜。由于35 kV分段引线柜和35 kV分段开关柜由母线桥架相连，通过对这两个开关柜进行特高频测试，发现35 kV分段开关柜率先接收到局放信号，由此确定局放位置基本位于35 kV分段开关柜。

图1 部分开关柜排布图

3.4 放电点精确位置分析

为了确定放电点的精确位置，再次利用特高频确定放电点位于开关柜的哪一侧，之后利用声电时延估计法的原理对其精确位置进行定位。通过对35 kV分段开关柜的前中、前下、后上、后中、后下、侧上、侧中、侧下8个位置进行对比测试，最终发现局放点位置位于开关柜后仓靠近桥架的位置。利用声电时延估计法的原理布置一个特高频传感器和两个超声波传感器，对确定的方位点进行复核，同时通过测量特高频与超声波信号的时间差，确定放电点距离开关柜后仓板的距离约为0.3 m。开关柜局放位置精准定位图如图2所示。

图2 开关柜局放位置精准定位图

4 消缺及原因分析

为了消除局放带来的不良影响，对该35 kV分段开关柜进行了解体检修。检修发现35 kV开关柜分段开关柜靠近母线桥架的出线套管中由于安装工艺缺陷以及运行条件等原因导致套管屏蔽环与套管均压环接触不牢固，从而产生了放电。开关柜局放实物图如图3所示。由图3可知，由于长时间放电致使套管均压环出现了严重的烧蚀，出现了凹陷的烧蚀点，周围还有金属粉末，此外套管均压环的接触点位置由于烧蚀导致了金属被烧穿的情况。从解体情况分析，采用本文介绍的声电联合定位法能够有效确定放电点的具体位置，并具有操作方便、准确度高的特点。

图3 开关柜局放实物图

5 结语

本文通过对常见局放检测手段以及局放定位方法的原理及优缺点进行分析，在开关柜局放定位中可以使用暂态地电压确定其局放是否属于正常水平，若局放水平超标则首先利用两个特高频传感器通过比较的方式确定放电点的大体方位，之后采用特高频传感器和超声波传感器相配合的方式确定放电点的精确位置。通过一个现场实例说明了该种方法的应用过程以及注意事项，对开关柜局放位置的现场定位具有一定的参考意义。

参考文献：

[1] 延谦. 高压开关柜局部放电在线监测系统应用与研究[D].北京：华北电力大学,2016.

[2]许超. 基于UHF的10 kV高压开关柜局部放电在线监测研究[D]. 泉州：华侨大学,2017.

[3]王谢燕,李迅,艾芊.GIS局部放电在线检测技术的应用[J].电力与能源,2012,33(1):21-23.

WANG Xieyan, LI Xun, AI Qian. The application of GIS partial discharge online monitoring system[J].Power & Energy,2012,33(1):21-23.

[4]曲永政,孙世勇,赵耀.35 kV高压开关柜异常放电原因分析[J].电气制造,2014(10):38-39+46.

[5]孙焱. 开关柜声电联合局部放电检测在晋中电网的应用[D].北京：华北电力大学,2016.