开关柜局部放电检测分析

黎治宇，黄忠康，毛文奇，邓集，齐飞

(1． 湖南省电力公司科学研究院，湖南 长沙410007;2． 华中科技大学，湖北 武汉430074;3． 湖南省电力公司，湖南 长沙410007)

金属铠装式开关柜设计技术成熟，成本低，占地面积小，因而被广泛运用。但受制造工艺或水平的限制，使得其内部往往存在绝缘薄弱的区域。在长期运行中因毛刺、小气隙等影响会产生局部放电现象，并逐渐使绝缘劣化，加速绝缘材料老化，最终导致绝缘击穿，造成设备故障或事故。

现场对开关柜设备按照常规方法进行局部放电测量不仅操作困难且严重影响运行工况，逐台测量更不切实际。为加强10～35 kV 高压开关柜局部放电检测，准确判断设备状态，提高其运行可靠性。文章介绍了在实施人工干扰源模拟开关柜现场运行工况条件下，采用4 种复合干扰模式，对比TEV技术的检测值与脉冲电流法的检测值，从而总结相关规律，使TEV 所测dB 值与视在放电量pC 值相对应，进而分析其绝缘缺陷严重程度的方法。

1 开关柜局部放电检测原理

1.1 脉冲电流法

由于脉冲电流法对于信号的突变反应灵敏，能准确地检测到局部放电现象，因此可以通过脉冲电流的统计特征和实际测量波形来判断局部放电的严重程度。但是对于实验室以外的现场测量，由于受到无线电、其它设备电磁场的干扰，该方法所测值不能准确反映被试品的真实局放值，且操作实行困难不适合现场运用。

1.2 暂态对地电压法

根据电磁感应原理，电磁波在空间传播时，遇到导体时会在导体上产生感应电流，且感应电流的频率与激励电磁波的频率相同。因此局部放电产生的电磁波会在柜体(接地屏蔽)的内表面激发脉冲电流，其幅值大小、频率等参数与所产生的电磁波参数特性相关。根据电磁屏蔽的基本原理，脉冲电流最终会从开关柜的不连续处传出，然后沿着金属柜体外表面传到大地，高频感应脉冲电流在金属外壳上产生瞬时电位波动，从而形成一个暂态对地电压(Transient Earth Voltages，TEV)〔1〕。

当开关柜发生局部放电时，放电电量先聚集在与放电点相邻的接地金属部分形成电流脉冲并向各个方向传播。在集肤效应作用下高频脉冲电流只在导体表面很薄的一层范围内传输。如图1 利用容性传感器便可检测到这些脉冲，从而反映局部放电情况。

图1 TEV 的产生及检测示意图

2 设置不同频段干扰源的目的和方法

2.1 设置干扰源的目的

开关柜设备在运行过程中，用TEV 法检测绝缘缺陷时，现场采集到的局放信号是由绝缘设备内部的缺陷和外界干扰共同产生的。现场可能存在多种干扰，如送电线路的电晕放电，无线电广播的电磁波，开关的开闭，测试区高压线放电，导体接触不良等。这些信号综合后会在被试品周围形成不同频段的干扰，根据现场经验，干扰一般为0～20 dB。当现场TEV 测量出现频段不同的干扰时，所测开关柜TEV 值与实际局放程度的关系如何不得而知，通过设置不同频段的干扰源进行模拟试验，寻找相关规律，总结经验公式，对于现场实际测量判断开关柜局部放电程度有重要意义〔2〕。

2.2 设置干扰源的方法

基于现场存在诸多干扰源的情况，模拟实验时宜采用无屏蔽室进行试验。考虑现场相邻间隔和其它设备运行或放电的干扰来源，设置干扰源为表面放电(棒－板电极)和电晕放电(尖－板电极)组成的复合局放的电极装置。设置模型见图2。

图2 干扰源电路原理图

绝缘缺陷检测的实验装置如图3 所示，该装置由干扰源和脉冲电流法测PD 的基本回路组成。其中Cx代表钢体盒中试品电容，钢体盒为小容积不锈钢可密封盒体(尺寸为9 cm×6.5 cm×10 cm);Ck代表耦合电容;Zm代表检测阻抗;Z 代表低通滤波器;Ut代表无晕高压试验变压器供给的交流高电压〔3〕;TEV 检测采用的是手持巡检仪。

测量装置采用的是脉冲电流法并联测试回路，并联回路中通过试品的工频电流不经过检测阻抗，因此在试品容量大或者容易发生击穿或闪络时，用并联回路较为安全。试验的基本原理是:在一定电压作用下的试品Cx中产生的局部放电电流脉冲流过检测阻抗Zm，然后把Zm上的电压加以放大后送至仪器pD 进行测量。同时通过TEV 技术检测试品Cx的局部放电。

图3 脉冲电流法与TEV 综合测试电路原理图

3 放电幅值与pC 值的关系

局部放电检测都是测量放电时高压导体产生的视在放电量(即转移电荷)，放电幅值一般都是以皮库(pC)来表示，而且通常是在几纳秒内完成的。在传统的局部放电检测的检测频率(一般为10～300 kHz)上，各种高压仪器(除长电缆外)都可等效为集中电容。传统方法只能检测出电压的变化与放电量大小。TEV 是基于电磁波技术的一种检测手段，也是一种非接触式的方法，因受外界干扰影响较大，无法直接定量，其读数通过换算后采用“dB”表示，且实际中很难把dB 读数与pC值进行直接换算〔4〕，因此针对TEV 方法的特点在不同干扰频段下进行比较性检测，建立TEV 在不同频段下所测值和实际pC 值的数据库，总结出相关规律，从而在实际的运用中，可以利用不同频段下的经验公式将实测的TEV 值转换至数据库中的pC 值，进而确定局部放电的严重程度。

4 实验结果与分析

受现场环境影响，干扰源所产生的背景值存在波动，无法固定在具体数值频段。多次试验的数据分析计算表明，在1～5 dB，6～10 dB，11～15 dB，16～20 dB 的数值范围内的背景值下，所测pC值与dB 值的关系都基本相似，故采用的是背景值范围而非某一固定背景值，这样选取更能便于现场测量运用。

在不同背景范围值下，通过多组实验数据比较，将测得的数据拟合成相关经验公式:

在背景值范围为0～5 dB 时，经验公式为y =297.6e0.1087x;在背景值范围为6～10 dB 时，经验公式为y=75.531e0.1331x;在背景值范围为11～15 dB 时，经验公式为y = 37.145e0.148x;在背景值范围为16～20 dB 时，经验公式为y=10.376e0.1652x，不同背景值下典型数据曲线如图4。

从经验公式可以看出，在4 个频段下对应关系均为指数形式，且随着干扰增大，相同局部放电量时对应的dB 值也会增大，只是增大的形式是非线性的。在现场检测中，可以通过采用以上经验公式把实际测量中的dB 值转换成pC 值，通过pC 值大小判断开关柜绝缘缺陷的严重程度。

图4 不同背景值范围典型数据曲线

5 结论

1)通过模拟干扰源试验数据分析选定了1～5 dB，6～10 dB，11～15 dB，16～20 dB 4 种背景干扰值，并在此基础上进行了脉冲电流法与TEV 检测技术的对比实验。

2)将脉冲电流法与TEV 检测技术进行综合检测，不仅可以反映TEV 检测结果的准确性，同时也有利于建立dB-pC 数据库，从而将TEV 所检测的结果转化为视在放电量pC 值。通过不同频段下的经验公式换算pC 值可以直接反映局部放电活动的强弱。

3)下一步将对不同地点和不同类型的开关柜实地普测收集相关数据，并通过典型开关柜局部放电检测结果对比，进一步验证公式的可执行性。

〔1〕王国利，郝艳捧，等． 电力变压器超高频局部放电测量系统〔J〕． 高电压技术，2001，27(4):23-25.

〔2〕任明，彭华东，陈晓清，等． 采用暂态对地电压法综合检测开关柜局部放电〔J〕． 高电压技术，2010，36(10):2460-2466.

〔3〕Davies Neil，Tian Yuan，Yin Tang Joe Chenung． Non-intrusive partial discharge measurements of MV switchgears 〔C〕． IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis．Beijing，China． 2008:385-388.

〔4〕乔进朝，王进锁，樊毅． 开关柜非嵌入式局部放电在线检测定位研究〔J〕. 山西电力，2008(5):24-26.