开关柜高频脉冲电流局部放电检测方法研究

马飞越，李世昭，陈磊，应东，张灏

（1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏银川750011；2.国网宁夏电力有限公司银川供电公司，宁夏银川750011）

0 引言

高压开关柜作为变电站内最重要的开关类设备之一，对电网供电可靠性起着至关重要的作用，其运行状态直接关乎主网设备及配电网的安全。据统计，近10年来开关柜发生的故障主要由柜内部件绝缘故障引起，绝缘问题引发开关柜故障占比达68%。局部放电是设备出现绝缘故障的前兆，快速、准确地检测局部放电可及时发现开关柜内绝缘缺陷，有效减少设备事故，提高电网的可靠性。

开关柜内产生局部放电时，其脉冲放电过程会在设备内部和周围产生光、声、热、电、振动等化学及物理现象，利用先进传感技术检测以上特征的变化，逐步形成包含暂态地电压法、超声波法、特高频法及脉冲电流法等不同类型的开关柜局部放电检测方法[1-3]。暂态地电压法、超声波法作为开关柜局部放电最常用的巡检方法，其对不同缺陷的敏感度不同，且超声波传感器受限于检测部位容易受信号传输路径的影响。利用特高频法对开关柜局部放电进行巡检易受外部电磁波影响，采用多传感器定位需要多次在横向、纵向及深度方向分别定位，且受开关柜本体密封性能影响较大。脉冲电流法能够定量判断设备内部局放水平，但当开关柜现场检测存在接线复杂且干扰大时，且无法满足现场带电检测需求。因此，本文利用高频传感信号灵敏度高且抗干扰能力强的特点，与脉冲电流法相结合，提出一种开关柜高频脉冲电流局部放电检测方法，将微型高频传感器在带电指示器引线上拾取信号，信号耦合回路与高压设备具有直接的电气联系，能够有效检测开关柜内不同类型的局部放电信号。

1 开关柜局部放电带电检测技术

1.1 暂态地电压局部放电检测技术

当变电站内开关柜发生局部放电时，放电脉冲产生的带电粒子会快速地由带电体向接地的非带电体快速迁移，并在柜体等非带电体上产生高频电流行波，以光速向各个方向快速传播。由于受集肤效应的作用，电流行波仅集中于金属柜体的内表面，而不能直接穿透金属柜体。当电流行波遇到金属柜门缝隙等不连续的金属断开处时，行波会由金属柜体的内表面转移到柜体外表面，并以电磁波形式向空间传播，在柜体外表面产生暂态地电压(transient earth voltage，TEV)，通过柜体外表面暂态地电压传感器可进行局部放电特征检测[4-6]。暂态地电压局部放电信号产生机理如图1所示。

图1 暂态地电压信号的产生机理

暂态地电压法本质上属于外部电容法局部放电检测技术，地电压传感器类似于射频耦合电容器，表面覆盖有聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）材质，起到对传感器保护支撑的同时起到绝缘作用，信号采用同轴屏蔽电缆引出。测量时，暂态地电压传感器紧贴在开关柜金属柜体外表面，形成由金属柜体、PVC材料和暂态地电压传感器构成的平板电容器，柜体表面的电荷变化均会利用形成的电容器感应出对应的电荷变化，形成高频感应电流经引出线输入到检测设备内部，并经检测设备主机检测处理模块得到开关柜局部放电的特征量。耦合电容器的电压-电流关系为

式中：iPD为地电压传感器输出的电流信号；utev为测点处的暂态地电压信号；C为用电容量表征的传感器设计参数。

通过暂态地电压局部放电检测原理及理论可以看出，暂态地电压局部放电检测结果与地电压传感器的设计参数密切相关，不同的传感器设计参数会得到不同的检测结果；暂态地电压局部放电检测与放电类型有关，对同种强度的不同类型放电，暂态地电压检测设备检测结果也会不同。可见，暂态地电压传感器会不可避免地受到边沿效应、涡流效应和邻近效应的影响，严重偏离检测设备设计频带范围的放电类型，暂态地电压法存在失效的可能性。

1.2 非接触式超声波局部放电检测技术

开关柜内存在局部放电时，由于特征为空气绝缘的放电现象，其频谱特性表现为频率较低，一般仅有几十至几百kHz，采用非接触式超声波传感器对检测该类局部放电较为灵敏[7-9]。由于超声波（acoustic emission，AE）传输受路径的影响较大，要求放电源至检测传感器之间需有明晰的空气传输路径，非接触式超声波局部放电检测对密封良好、无空气间隙的开关柜检测效果较差。

非接触式超声波传感器的结构如图2所示，传感器盒体部分对传感器起保护作用，喇叭形谐振器的作用是与对应频率的超声波信号产生谐振，有效耦合特定成分的超声波信号。该型传感器从传感原理来看属于一种窄带的超声波滤波器。

图2 非接触式超声波传感器结构

与接触式压电陶瓷传感器不同，非接触式超声波传感器的信号水平较低，最小可测信号甚至低于1 μV，因此超声波局部放电检测信号调理电路需包含前置放大器、带通滤波器、混频电路等模块，其中前置放大电路将传感器输出的微弱信号放大以提高信号的抗干扰能力；内部带通滤波器对信号进行选频以抑制背景信号干扰；混频电路将信号转换为1 kHz左右的声音信号，供检测人员通过音频判断局部放电活动。

1.3 特高频局部放电检测技术

开关柜特高频（ultra high frequency，UHF）局部放电检测相对于暂态地电压检测、超声波检测被更多应用于诊断定位。局部放电检测的灵敏度取决于局部放电的类型和发生的部位，当局部放电在很小的范围内发生时，柜内绝缘材料绝缘强度和击穿场强很高，快速的击穿过程会产生很陡的脉冲电流，从而激发出频率为几百MHz至GHz的电磁波[10]。UHF法检测是通过特高频传感器对开关柜内局部放电时产生的特高频电磁波信号进行检测，获得并分析局部放电的相关信息，实现局部放电类型及严重程度的判别。由于开关柜属于气体绝缘金属封闭开关设备，开关柜局部放电信号的电磁波仅能从开关柜柜门观察窗、柜门缝隙等部位传出，受设备结构影响对电磁波传输路径影响较大。开关柜特高频、暂态地电压及超声波局部放电综合检测原理如图3所示。

图3 开关柜局部放电测试装置组成

如图3所示，开关柜局部放电测试装置中特高频局部放电检测功能主要由布置于开关柜观察窗的特高频传感器感应设备缺陷的特高频信号，检测仪器主机接收，处理耦合器采集到的特高频局部放电信号，识别放电类型，判断开关柜内放电强度。现在开关柜特高频带电检测普遍采用便携式检测仪器，与暂态地电压局部放电检测、超声波局部放电检测集成，多种检测方法互相补充提高设备局部放电检测效率。

2 开关柜高频脉冲电流局部放电检测方法

2.1 开关柜高频脉冲电流局部放电检测原理

当开关柜内发生局部放电时，会产生一定数量的电荷，使试样两端形成视在放电电荷，该视在放电电荷通过局部放电测试回路形成脉冲电流，通过匹配的检测阻抗就可采集到一个脉冲电压信号，脉冲电压信号的大小在固定的测试回路参数条件下正比于试样的视在放电电荷[11]。脉冲电流法局部放电检测原理如图4所示。

图4 脉冲电流法局部放电检测

脉冲电流法局部放电检测在交流电源的作用下，试品Cx由于内部缺陷产生局部放电，形成的脉冲电流经耦合电容Ck在由Rd和Cd组成的检测阻抗两端形成一个瞬时的电压变量ΔU，该脉冲电压进入局部放电测量仪器D进行处理和分析。其中的测量阻抗是一个四端网络的元件，可以是电阻或电感的单一元件，也可以是电容电阻并联或电阻电感并联的RC和RL电路，图中检测阻抗用电阻、电感并联表示，检测频带的特性与局部放电测试仪的工作频率相匹配。图4中脉冲电流法检测回路将脉冲电流利用检测阻抗转化为脉冲电压信号进入局部放电仪器，采用高频线圈可获取对应回路的高频电流信号，通过选择对应的耦合电容，可实现对应的局部放电检测。以往的方法采用电缆部位提前安装高频电流传感器，该方法利用电缆本体电容形成耦合作用，但不适用于现场检测。本文基于开关柜带电检测显示器结构，设计对应的微型高频电流传感器，可满足现有开关柜现场检测需求，其检测原理如图5所示。

图5中开关柜内高压母线采用在母线绝缘子尾部通过屏蔽电缆引至显示单元，则支柱绝缘子本身具有一定的电容量，且直接与开关柜高压母线电气联系，相当于传感器单元耦合电容，如发生局部放电信号，其高频信号则通过该回路传输至显示单元端子，图中仅用A相表示，设计的穿心式高频电流传感器（HFCT）把回路的信号转化并传至局放测试仪D。

图5 开关柜高频脉冲电流法局部放电检测

2.2 开关柜高频脉冲电流局部放电检测系统

为验证开关柜高频脉冲电流局部放电检测方法的有效性，采用变电站普遍配置的KYN28-12型开关柜，在试验室搭建开关柜局部放电等效检测平台，该检测系统设计如图6所示。

图6 高频脉冲电流法局部放电检测系统

图中采用调压台、隔离滤波器、试验变压器产生高压，模拟运行状态下开关柜内所带电压，被试品为真型开关柜设备，在开关柜内母线内置局部放电缺陷，高频传感器采取如图7所示方式接入带电显示单元回路，捕捉放电过程的脉冲电流信号。同时，比对超声波局部放电检测法、暂态地电压检测方法、特高频检测方法检测的差异性，采用传统脉冲电流局部放电检测仪监视缺陷产生的放电量并进行定量描述。试验平台采用西湖电子微型高频传感器，其实物布置方式如图7所示。

图7 微型高频传感器局部布置方式

3 开关柜局部放电检测方法对比分析

3.1 缺陷模型设计

开关柜内局部放电的产生与本体母线结构、穿柜套管、触头座、电极屏蔽等结构相关联，主要表现为绝缘放电、悬浮定位放电和尖端放电，不同的检测方法对不同类型的缺陷敏感度不同，因此，开关柜局部放电缺陷模型设计主要包括三种类型（见图8），在开关柜内部模拟产生尖端、气隙、悬浮放电信号，同步用高频、特高频、超声波、暂态地电压法检测，比对各种检测方式下的局部放电量值，放电量值用脉冲电流法标定。

图8 开关柜局部放电试验缺陷模拟

图8为开关柜内局部放电检测试验缺陷模型设计，图8(a)左半部分为悬浮放电缺陷模型示意图，右半部分为缺陷模型实物图，带螺纹端与高压电极相连，悬浮电位放电控制模型另一端金属部件与电极的距离形成悬浮电位；图8(b)左半部分为尖端放电缺陷模型，右半部分为尖端缺陷模型实物图，带螺纹端与高压导体相连接，另一端形成尖端放电；图8(c)左半部分为绝缘放电缺陷模型，右半部分为绝缘缺陷模型实物图，实物两端分别为高低压电极，中间绝缘材料内部设置有气隙，形成绝缘缺陷。

3.2 不同检测方法比对分析

升压前分别记录脉冲电流法、AE、TEV、UHF、HF检测的背景值，其中脉冲电流法测试背景局部放电信号为1.2 pC，四种类型图谱如图9所示。

图9 AE、TEV、UHF、HF四种检测背景图谱

在尖端模型下，系统电压从零逐步升压至2.3 kV、4.4 kV、8.6 kV，在8.6 kV下脉冲电流法测得尖端放电量增至194 pC，观测AE、TEV、UHF、HF四种检测方法的放电量值，相关数据如表1所示。

表1 尖端放电局放检测数据比对结果

可以看出放电信号较小时，高频法初始灵敏度明显高于其他3种方法，特高频和超声波法反应较差；放电信号中等和较大（量值55.9 pC，194 pC）时，高频法测得的信号量值和增幅最大，在4种方式中信噪比最高，从信号值增幅数据来看，高频法随信号变化幅度大，对信号的发展变化反应最充分。

在绝缘气隙放电模型下，施加电压升压至2.2 kV，脉冲电流法测得放电量81 pC的气隙放电信号，同时观测AE、TEV、UHF、HF四种检测方式的放电量值，继续升压至7.8 kV，脉冲电流法测得气隙放电量增至492 pC，检测数据如表2所示。

表2 绝缘气隙放电局放检测数据比对结果

可以看出，放电信号较小（量值81 pC）时，高频法初始灵敏度明显高于其他3种方法；放电信号较大（量值240 pC、492 pC）时，高频法测得的信号值和增幅最大，是4种方式中信噪比最高的。

在悬浮电位放电模型下，电压升压至3.5 kV，脉冲电流法测得放电量3 050 pC的悬浮放电信号，同时观测AE、TEV、HF、UHF四种检测方式的放电量值，检测数据如表3所示。可以看出，在放电量3 050 pC的悬浮放电下，高频法测得的信号值在这4种方式中最大，特高频法效果接近，超声波和暂态地电压法效果一般。

表3 悬浮电位放电局放检测数据比对结果

4 结论

利用开关柜带电指示器结构作为耦合电容，结合微型高频传感器可实现开关柜高频脉冲电流法局部放电带电检测。通过实验室建立开关柜局部放电检测方法对比平台进行试验验证，结果表明在开关柜带电指示器引出线上采用高频脉冲电流法检测局部放电比常规的特高频法、暂态地电压法、超声波法在检测灵敏度和表征局部放电发展趋势方面有明显优势，能够有效检测开关柜内不同类型的局部放电信号。该方法灵敏度高、使用便捷，可应用于现场开关柜局部放电检测。