高压开关柜局部放电检测技术的思考

2018-10-15黄梓亮许滋奇肖发福

通信电源技术 2018年8期

黄梓亮，许滋奇，肖发福

（单南方电网调峰调频发电有限公司检修试验中心，广东广州 511493）

0 引言

高压开关柜是电力系统中的重要设备，但在实际应用中由于各种因素的影响，常常会发生局部放电的现象。如果不能及时发现这种现象，就会对电力系统的正常运行带来严重威胁。从当前高压开关柜局部放电检测技术的应用情况来看，主要采用TEV局部放电检测技术和超声波局部放电检测技术进行检测。为了提升检测技术的应用水平，对这一课题的探究十分必要。

1 高压开关柜局部放电检测技术的重要性

1.1 高压开关柜局部放电现象简述

高压开关柜在电力系统中的主要作用是对系统输配电的过程进行控制和保护。为了提高其功能性和安全性，采用交流金属封闭开关。但是，实际应用中仍然会发生局部放电的现象。导致高压开关柜发生局部发电现象的主要原因，在于某一绝缘结构发生故障。因此，发生故障的区域内绝缘结构会失效，经历长时间的放电如果不能够及时制止这种现象，就会导致内部主绝缘被电流击穿，从而对电力系统的安全稳定运行造成极大破坏。高压开关柜局部放电现象主要有两种表现形式，一种是内部放电，一种是表面放电。内部放电主要体现为光、热、化学气体、电磁波等现象，而外部放电主要体现在声、光和热现象。

1.2 高压开关柜局部放电现象危害

一旦高压开关柜出现局部放电的现象，就会对电力系统造成两种危害。第一，局部放电现象会破坏电力系统的绝缘结构，加剧电力设备的老化程度。高压开关柜具有很强的电压，在运行过程中会对设备内的绝缘结构造成不利影响。尤其是在长期强烈的击穿作用下，绝缘结构的外皮会加速老化并受到破坏，而局部放电的现象越严重，设备绝缘结构的老化也就越严重。第二，局部放电现象会造成电能浪费。根据对比分析发现，同样的高压开关柜，存在局部放电现象的电能比正常电能多出12%左右的消耗。如果对这一现象发现不及时，将会造成极大损失。

2 高压开关柜局部放电检测技术的理论及应用分析

2.1 超声波局部放电检测技术

在发生局部放电现象时，分子会在放电部分产生激烈的撞击运用。因此，放电部位的气体会发生变化，突出表现为剧烈的收缩和膨胀，而这一现象会通过声波的形式进行传播。超声波局部放电检测技术是对这一现象进行检测，根据局部放电现象对气体体积造成的影响，检测声波频率。一般局部放电的声波频率会达到20 kHz以上，符合超声波的定义。因此，可以使用超声波传感器接收到检测信号，从而准确判断局部放电的情况。但是，超声波局部放电检测技术具有一定的局限性，因为局部放电现象发生时不仅会产生气体声波，还会混杂噪音声波，影响检测的效果。

2.2 脉冲电流局部放电检测技术

脉冲电流局部放电检测技术是当前得到普遍使用的检测方法。它主要利用平衡和直接两种方法对检测回路中的脉冲电流进行测试。在局部放电过程中，高压开关柜的电压和电流都会发生相应变化。脉冲电流检测技术可以检测这一变化，计算局部放电的具体放电量，从而精准评估高压开关柜的放电水平。脉冲电流检测技术主要利用小于10 MHz的高频线圈采集局部放电信号，由于频率较低，因此检测成本也相对较低，且能够有效解决背景噪音的干扰。但是，脉冲电流检测技术也具有一定的局限性，即无法屏蔽电磁波的干扰。因此，实际应用中需要对环境进行针对性选择。

2.3 TEV局部放电检测技术

高压开关柜在发生局部放电情况时会产生电磁波，这种现象主要体现在内部放电的情况下。电磁波在内部传播过程中，一般检测技术下，检测信号会遭到屏蔽，很难对局部放电现象进行准确检测。大量研究发现，如果能够将信号屏蔽层的位置进行转移或者对电磁波进行干扰，就能够降低电磁波对检测信号的屏蔽作用。例如，将电磁波的位置转移到绝缘部分、垫圈连接处或电缆绝缘终端等。另外，如果能够加大电压和电流，提高电磁信号的频率，就有可能使检测信号接收电磁波获得检测数据。TEV局部放电检测技术正是利用这一原理，在应用时将绝缘部分、垫圈连接处或电缆绝缘终端等部位作为检测信号传播的介质，然后对泄露的电磁波进行感应，检测出内部局部放电的实际情况[1]。

2.4 超高频局部放电检测技术

超高频局部放电检测技术的原理与TEV局部放电检测技术具有一定的相似性。在局部放电过程中，电源附近会产生电磁波，且以球面波的形式进行传播。由于高压开关柜中具有金属结构，因此电磁波会在内部产生发射作用。这一过程中，部分超高频的电磁波会以反射的形式从绝缘部分、垫圈连接处或电缆绝缘终端等部分泄露，从而被信号传感器感应到。因此，利用超高频传感器可以采集反射出的电磁波信号。在高压开关柜的内部结构中，具有性能较强的传播导体。电磁波可以通过这些导体实现大范围传播，减少超高频传感器检测信号受到的干扰，保证检测结果的精确性。由此来看，超高频局部放电检测技术与其他检测技术相比较有着明显的抗干扰优势，但是其不能对局部放电现象进行定量分析。因此，它需要与TEV局部放电检测技术综合使用。高压开关柜局部放电检测技术对比表，如表1所示。

3 高压开关柜局部放电检测技术的设计

3.1 TEV局部放电检测技术的具体设计

TEV传感器的设计原理是电容耦合效应。传感器在高压开关柜表面会形成平板电容器，为了检测结果的精准性，利用贴片的形式设计传感器的结构；利用0.5 mm厚度的电容板板材作为设计材料，频段设计为3 ～ 200 MHz[2]。

电容可用式（1）表示，其中C为电容，S为传感器与外表面的接触面积，d为电容器间距：

为了对高频信号起到抑制反射作用，将容抗与后段信号调理电路的阻抗设计一致。下面用式（2）对其进行表示，其中f为原始信号的频率：

3.2 超声波局部放电检测技术的具体设计

应用超声波局部放电检测技术时，选择中心谐振频率为30 kHz、150 kHz和300 kHz的传感器与放大倍数为63 dB的宽频放大器，分别利用频率不同的传感器进行测量。对测量结果进行频谱分析，从而确认局部放电信号的范围。同时，利用宽频放大器增强电压和电流，观察频谱上局部信号的变化情况，用LDS-6仪器检测局部放电量。

根据实验设计可以发现，超声波传感器的中心频率为40 kHz，最小灵敏度为-68 dB，而灵敏度与传感器距离的大小具有反向关系，即传感器距离越远，灵敏度相应下降。灵敏度与传感器角度之间也有关联，当角度为0°时，传感器探头的灵敏度最高为-25 dB；当传感器角度为极限的-90°或90°时，传感器的灵敏度会下降到最低值-38 dB。因此，根据超声波传感器感应放电模型的不同，采集检测信号的灵敏度也不同。其中，空气传导式超声波传感器的灵敏度高于谐振式超声波传感器。由此可得，在利用超声波局部放电检测技术时，可以根据超声波灵敏度不同，判断高压开关柜局部放电的类型[3]。