高压开关柜局部放电在线监测技术研究与应用策略

陈庆荣

高压开关柜局部放电在线监测技术研究与应用策略

陈庆荣

（厦门斯玛特思智能电气有限公司，福建 厦门 361000）

电力系统供电高可靠性对于供电具有重要的现实意义，做好中高压开关设备的状态检修工作是提高电力系统的供电可靠性的重点工作。绝缘与载流故障是开关柜常见的故障类型，在开关柜故障中占比高达30%～50%，通过局部放电在线监测实现设备运行绝缘性能状态实时反馈，可以及时发现故障及隐患，及时解决问题，保证开关柜平稳运行，保证供电可靠性。从开关柜典型放电故障类型与特征分析入手，叙述了开关柜局放监测原理及测试方法，分析各主要检测方法的优缺点，根据开关柜在线监测要求及开关设备重要性，提出了不同局部放电在线监测技术在不同中压开关设备的应用策略建议。

高压开关柜；局部放电；在线监测技术；应用策略

高压开关柜内部的导电件和绝缘件之间有可能出现局部放电，导致电气绝缘性能下降，如不及时处理可能导致严重的后果。充分利用在线监测技术，对高压开关柜进行状态在线监测是必要的。高压开关柜与高压变压器、GIS设备故障检测具有显著差距，由于高压开关柜数量较多、造价较低，很难实现停电改造，无法采取GIS在线监测技术路线。所以选择小型化、智能化、经济型、免停电或少停电的监测技术是开关设备在线监测的发展趋势。

1 开关柜主要缺陷及放电类型

开关柜主要的故障类型有机构等机械原因引起的拒动故障、开断与关合故障、二次控制回路原因引起的误动故障、接触不良或插件偏心原因引起的载流故障、制造设计缺陷或爬电闪络等引起的绝缘故障以及外力或其他故障。

局部放电现象是指在开关柜绝缘系统中，由于电场强度差异造成开关柜电某一区域电场强度达到击穿场强时，该区域发生放电现象，同时在放电过程中，施加电压的两个导体没有贯穿整个放电过程，也就是说放电现象并未击穿开关柜绝缘系统，就被称为局部放电现象。局部放电的类型和产生原因具有多样性，常见的类型和主要产生原因有：①尖端放电。金属部件加工的毛刺，壳体内部的金属异物。②悬浮放电。主要包括松动部件的悬浮电位放电，非移动金属颗粒和设备部件之间的放电。③内部放电。绝缘件内部空隙、异物和裂缝等。④沿面放电。绝缘件表面污秽、受潮和凝露引起的放电等[1]。

2 开关柜常用局部放电在线监测方法的分析比较

2.1 常用检测方法

局部放电检测方法有电测法和非电测法。根据局部放电过程中所产生各种放电现象，高压开关柜常用局放检测方法有ERA法（脉冲电流法）、超声波（AE）检测法、光测法、化学检测法、红外检测法、射频检测法等。

2.2 脉冲电流法

脉冲电流法抗干扰能力较差，不具备现场在线检测条件，但作为现阶段应用最广泛的离线检测方法，可以有效检测局部放电产生的脉冲电流，其操作原理是将测量阻抗接入到测量回路对脉冲单留进行检测，可以有效反应局部放电中的基本量，例如局部放电脉冲大小、数量与相位等[2]。

2.3 超声波（AE）检测法

超声波检测法主要运用传感器对局部放电产生的超声波信号进行测量，进而判断局部放电的大小以及位置，抗电磁信号干扰能力较差，所以在具体应用中具有一定局限性，通过在线测量和定位，避开铁芯的铁磁和变压器的机械振动等原因产生的噪声干扰，以保证检测效果。

2.4 超高频（UHF）检测法

超高频检测法通过超高频天线传感器接收超高频电磁波信号，通过开关柜超高频电磁波信号对局部放电进行检测和识别，作为非接触式检测方法，超高频检测法具有灵敏度高、抗干扰能力强等诸多优势。

2.5 暂态对地电压（TEV，也称地电波）检测法

局部放电产生的电磁波，通过屏蔽层不连续部分在设备表面产生感应电流，设备表面存在波阻抗进而在设备外层形成一个暂态对地电压（TEV）。暂态对地电压检测法就是充分利用这一原理，采用电容耦合探测器对局部放电的幅值和放电脉冲频率进行检测。

3 开关柜常用在线检测法的试验对比及使用经验

3.1 研究试验回路

模拟典型放电类型如图1所示。图1（a）是模拟针板放电结构示意图，采用直径为6 mm的模拟针电极以及半径为0.5 mm的模拟针尖曲率，实验中锥角呈30°，模拟针尖长 15 mm，针板距离设计为20 mm；（b）为模拟绝缘内部气隙放电的电极结构，试品采用两块厚度和直径分别为5 mm、 50 mm的环氧树脂板，利用厚度1 mm、直径为10 mm中间通孔的环氧树脂板进行粘合，在两块环氧树脂板中间形成扁平空气隙；（c）为模拟悬浮放电的电极系统结构，悬浮电极采用直径和高度分别为10 mm和3 mm的铜材质圆柱体，高压电极和地板电极之间用厚度和直径分别为5 mm和70 mm环氧树脂板。试验中悬浮电极和柱电极间距为15 mm。

试验回路示意图如图2所示。图2的试验中将试品置于开关柜内部断路器室，试验变压器输出的高压引线经套管引至柜体内高压电极端，AE/ TEV/UHF传感器分别并排布置于断路器室或电缆室。回路中=10 kΩ为保护电阻，Ck为试验用耦合电容器，Zm为DDX7000局部放电检测仪配套用检测阻抗。

图2 试验回路示意图

3.2 试验结果分析

开关柜局部放电的产生的原因具有一定的随机性，并且局部放电中每种放电类型的统计特征都各有不同，所以进行实验的过程中，可以采取逐步升高电压至出现微弱局部放电的方式，通过局部放电测量仪进行数据采集，或通过传感器采集数据信号。每升压一次采集一次信号，并反复做两三次，以检验试验的可重复性。因以上3种传感器以定性判断局放是否存在，并根据算法判别局放严重程度和定位，故在线检测传感器检验数据主要以对数dB形式，同时与局部放电测量仪显示的测量值进行简单匹配。

3.2.1 AE检测结果

试验结果显示超声波幅值（dB）特征在3种典型放电模型下会随着缺陷放电量变大而增加趋势明显。超声波幅值对内部放电反应敏感。但对于其他几种放电模型，当缺陷放电量高于1 000 pC后检测幅值趋于平稳，稳定于25 dB左右。

3.2.2 TEV检测结果

实验结果表明，在悬浮和气隙模型试验中，只要有局部放电，不管量多大，地电波幅值会维持在25 dB左右不变；针板模型试验中，局部放电量越大，地电波幅值也会随着放电量增加而增加，但最终幅值也在25 dB左右；三种模型下每周波放电次数特征随着缺陷放电量变大而增加趋势明显。

3.2.3 UHF检测结果

TEV法和UHF法对脉冲的变化速度比较敏感，在检测介质内部放电方面具有明显优势；TEV法和UHF法在检测放电频谱较低的套管、终端、绝缘子表面放电时，十分不敏感，有较大的局限性，容易受到外界电磁干扰，对检测结果具有较大影响，与此同时，虽然TEV法和UHF法能够精确定位，但TEV法和UHF法受到设备精度限制分辨率不高。

4 开关柜局放在线监测应用策略

开关柜局部放电采用任何单一的检测方法都存在着局限性，只有将不同的检测方法进行综合运用，融合多种检测技术，才能保证软件测试结果的专业性和准确性，保障开关柜设备监测运行结果的客观性，根据科学结果做出合理决策。地电波（TEV）和超高频（UHF）检测技术在局部放电在线检测中具有不可替代的重要地位，主要是由于地电波（TEV）和超高频（UHF）检测技术通过检测电磁信号判断局部放电情况，充分利用了高压开关设备电磁波以波导的方式传播的结构特点，增强了检测的灵敏度，所以受到广泛应用。但是局部放电具有一定的复杂性，不同运行环境、不同绝缘介质、不同类型条件下会产生不同的局部放电现象，所以产生的电磁波范围也会相应有所不同，地电波频带范围为3～100 MHz，超高频频带范围为0.3～3 GHz，所以如果开关柜局部放电现象产生的电磁信号频率超出地电波（TEV）和超高频（UHF）检测技术检测范围，则局部放电现象无法被检测到，这时就要通过超声传感器等其他传感行弥补地电波（TEV）和超高频（UHF）检测技术的不足；除此之外移动通讯信号，广播信号、电子围栏、照明灯、SF6测漏装置、轨道交通、电表柜、空调、二次回路等产生的电磁信号也会对地电波（TEV）和超高频（UHF）检测技术检测结果造成影响和干扰，此时干扰来源的判断，直接影响局部放电是否存在。

［1］柯鸿飞.高压开关柜局部放电检测技术应用浅析［J］.通讯世界，2017（19）：222-223.

［2］刘云鹏，王会斌，王娟，等.高压开关柜局部放电UHF在线监测系统的研究［J］.高压电器，2009（1）：15-17.

［3］钱勇，黄成军，江秀臣，等.基于超高频法的GIS局部放电在线监测研究现状及展望［J］.电网技术，2005，29（1）：43-46，58.

U224

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.074

2095－6835（2019）23－0158－02

陈庆荣（1976—），男，福建人，本科，工程师，主要研究方向为智能化电器。

〔编辑：张思楠〕