开关柜局部放电检测技术应用及研究现状

2022-09-20张林元叶海峰宋树平

科技创新与应用 2022年26期

张力，李军，张林元，叶海峰，宋树平

（1.江苏常熟发电有限公司，江苏苏州 215500；2.常熟理工学院，江苏苏州 215500）

开关柜是配网系统的核心设备，其可靠性直接决定了终端用户的供电质量。局部放电是设备绝缘劣化的征兆，对其检测可有效预警设备的突发性绝缘故障[1]。开关柜在长期运行过程中，内部绝缘不可避免地会出现劣化，导致电气绝缘强度降低，甚至失效。通过局部放电的检测，可有效诊断开关柜的运行状态和绝缘水平，提高开关配电柜运行的可靠性[2-3]。

随着电力系统数字化转型的持续深入，状态检修已成为电力设备的运维的重要手段。开关柜的局部放电检测已经成为工程和研究领域的热点。基于局部放电不同现象表征的检测方法也得到了应用和研究，其中以暂态对地电压（Transient Earth Voltage，TEV）、超声波（Ultrasonic，AE）和特高频（Ultra High Frequency，UHF）3种方法应用较为广泛。

本文介绍了上述3种局部放电检测方法的技术原理，分析了3种方法的技术特点，简述各方法的研究现状。最后介绍了局部放电声电联合检测法及其应用效果。

1 暂态对地电压（TEV）检测技术

1.1 暂态对地电压（TEV）检测技术

开关柜内部的局部放电主要包括绝缘沿面放电、气隙放电、尖端放电及金属颗粒放电等。一般而言，在放电过程中，放电脉冲会激发频率高达几GHz的电磁波。电磁波传输通过金属盒的关节或气体绝缘开关的垫片，并继续传播以及设备的金属盒的外表面，而产生一定的暂态对地电压脉冲信号，即为暂态对地电压[4]。

通过在设备的外表面安装专用的电容式传感器，可以检测到TEV信号，并获得开关柜内部的局部放电。TEV的检测原理如图1所示。

图1为开关柜局部放电TEV检测技术原理。由图1可知，检测中传感器必须紧贴开关柜金属臂，以形成电容结构。实际检测中应用的某型号的TEV传感器如图1（b）所示。根据上述原理对TEV技术优缺点分析如下。

图1 开关柜局部放电TEV检测原理

1.1.1 技术优点

①适用性强。暂态对地电压检测技术是一种检测电力设备内部绝缘缺陷的技术，广泛应用于开关柜、环网柜和电缆分支箱等配电设备的内部绝缘缺陷检测。②操作简单。该方法技术原理简单，仪器使用方便。③该方法对尖端放电、电晕放电和绝缘子内部放电比较敏感，检测效果较好。

1.1.2 技术缺点

①检测条件受限，该方法不适用于金属外壳完全密封的电力设备。②该方法对沿面放电、绝缘子表面放电不敏感。

1.2 TEV研究现状

TEV检测法由于具有高灵敏度、应用方便等特点，是开关柜的绝缘状态检测领域研究的一个热点。南昌大学研究了TEV信号的幅值与放电源的幅频关系，得出TEV信号强度正比于放电源幅值的结论[5]。

广东电网公司吴吉等[6]通过标准局部放电源来模拟TEV信号在实体开关柜中进行实验研究，分析了TEV信号在开关柜内部及不同开关柜之间的传播特性。深圳供电局余英等[7]通过有限元仿真，建立了1∶1的开关柜计算模型，对TEV的传播过程进行仿真计算。上述研究均得到检测点的TEV信号强度随传输距离的增加而减小，测量点靠近开关柜表面的缝隙处时可以获得较大的TEV幅值的结论。

上海交通大学研究了TEV信号的频率特性，发现其与开关柜本身的谐振频率密切相关；开关柜的间隙大小和局部放电电流的方向都会影响到TEV信号频谱的强度[8]。

2 超声波（AE）检测技术

2.1 超声波（AE）技术原理

电力设备局部放电是一个能量瞬时爆发的过程。空气间隙发生放电时，电能瞬时转化为热能并导致放电中心气体的膨胀，从而产生声波，就是早期的声源。随着声波传播，传播区域内的气体被加热，形成一个等温区，其温度高于环境温度。当等温区气体冷却时，气体收缩产生较低频率和强度的后续波，其可以是可闻声波或超声波[9]。

超声波法通过在设备腔体外壁上安装接触式超声波传感器或采用开放式超声波传感器来测量局部放电信号。超声检测原理图和某超声传感器分别如图2（a）和图2（b）所示。该方法的特点是传感器与电气设备的电路无连接，不受现场电磁环境干扰，但在现场使用时容易受到环境噪声或设备的机械振动的影响。

图2 开关柜局部放电AE检测原理

由图2可知，由于AE检测的为机械波，相比于TEV技术，无需待测设备有信号外泄缺口，能较好适用于全封闭金属外壳的设备内部放电的检测。依据超声信号特点，对局部放电AE技术的优缺点分析如下。

2.1.1 技术优点

①抗电磁干扰能力强。超声波检测技术是非电检测方法，抗电磁干扰能力强。②可对放电源进行定位。超声波信号在传播过程中具有很强的方向性，能量集中，因此在检测过程中易于得到定向而集中的波束，从而方便进行定位。③超声波检测技术检测效率高。对于开关柜类设备而言，由于其体积较小，利用超声波可对开关室、开闭站等进行快速的巡检，具有较高的检测效率。④对沿面放电、电晕放电、尖端放电和绝缘子表面放电比较敏感，检测效果较好。

2.1.2 技术缺点

①受机械振动干扰较大，在机械振动较多场合，易造成误判。②检测范围小。因超声波在介质中衰减较快，故传感器必须靠近放电源以实现有效检测。③对绝缘内部放电不敏感。

2.2 局部放电AE技术

局部放电AE技术超声方法在现场应用中也积累了大量成功的经验。华北电力大学结合光纤传输技术、数字信号处理技术和超声波检测技术，设计了一种GIS局部放电超声波检测系统，能够有效检测GIS局部放电[10]。上海电机学院开展了基于超声波时间差（TDOA）定位算法的开关柜放电源定位研究，并利用时间反演（Time Reversal，TR）技术优化了定位精度[11]。国网重庆市电力公司易鹏飞等[12]研究了基于测量开关柜表面超声波信号的局部放电故障预警方法。

3 特高频检测方法

3.1 特高频基本原理

特高频法的基本原理是通过特高频传感器检测电力设备局部放电时产生的特高频电磁波（300 MHz~3 GHz）信号，从而获取局部放电的相关信息，以实现局部放电的检测。

图3为开关柜局部放电UHF检测原理及传感器。从图中可见，该方法主要利用电磁波检测的方法，检测中需要待测设备有电磁波外泄通道，且可以实现非接触式检测。根据电磁波空间传播特点，对开关柜局部放电UHF技术优缺点分析如下[13-14]。

图3 开关柜局部放电UHF检测原理

3.1.1 技术优点

①检测灵敏度高。②抗低频电晕干扰能力较强。UHF法的检测频段通常为300～3 000 MHz，有效避开了现场电晕等干扰（主要在200 MHz以下），具有较强的抗干扰能力。③可实现局部放电源定位。④利于绝缘缺陷类型识别。不同类型绝缘缺陷的局部放电所产生的UHF信号具有不同的谱图特征，可根据这些特点判断绝缘缺陷类型。

3.1.2 技术缺点

①容易受到环境中UHF电磁干扰的影响。②外置式传感器对全金属封闭的电力设备无法实施检测。③尚未实现缺陷劣化程度的量化描述。

3.2 特高频研究现状

特高频法由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点，在工程上获得广泛的应用，并积累了较为成功的检测经验。目前国家电网公司、南方电网公司等均将电力设备的UHF局部放电检测作为设备状态评估的重要手段。

上海交通大学设计了一种新型的多波段全向UHF传感器，能够很好地检测各种类型的放电信号，满足变电站局部放电检测和定位的要求[13]。重庆大学对UHF信号能量与放电电容之间数量关系开展了研究。同时，还基于油纸绝缘局部放电模型，研究了UHF电磁波信号与脉冲电流的对应关系，以及UHF电磁波信号与传播距离的关系[14-15]。