基于電磁波檢測的局部放電在線監測技術探討

孫西方,泰 永,梁 英

(1.臨汾供電分公司,山西 臨汾 041000;2.朔州供電分公司,山西 朔州 038000)

基于電磁波檢測的局部放電在線監測技術探討

孫西方1,泰 永2,梁 英1

(1.臨汾供電分公司,山西 臨汾 041000;2.朔州供電分公司,山西 朔州 038000)

高壓開關柜是電力系統中重要的電氣設備。隨著傳感器技術、信號處理技術、計算機技術、人工智能技術的發展,使得對開關柜的運行狀態進行在線監測,及時發現故障隱患并對累計性故障做出預測成為可能。

配電網;高壓開關柜;局部放電;在線監測

高壓開關柜是城市配電網的重要基礎設施,其運行的穩定性直接影響到城市供電的可靠性,因此對高壓開關柜的可靠性提出了更高的要求。

高壓開關柜設備內部絕緣部分的缺陷或劣化、導電連接部分的接觸不良都使其安全運行受到威脅。根據1989～1992全國電力系統6～10kV開關柜事故統計,絕緣和載流引起的故障占總數的40.2%,其中因絕緣部分的閃絡造成的事故占絕緣事故總數的79.0%。而因隔離插頭接觸不良造成的事故占載流事故總數的71.1%。由此可見,迫切需要對電力設備運行狀態進行實時或定時的在線監測,及時反映電力設備運行狀況,如絕緣等的劣化程度,以便采取預防措施,避免停電事故發生。

1 高壓電力設備局部放電現象

電力設備絕緣介質在足夠強的電場作用下局部范圍內發生的放電稱為局部放電。這種放電以僅造成導體間的絕緣局部短接而不形成導電通道為限。局部放電可能發生在固體絕緣的空穴中、液體絕緣的氣泡中、具有不同特性的絕緣層之間,以及金屬(或半導電)電極的尖銳邊緣處。

通常情況下,由于氣體的擊穿場強比固體介質低得多,氣體中的電場又比固體介質中高。因此,往往在氣隙的部位產生局部放電。電力設備中的局部放電雖然僅限于局部范圍,但每一次放電對絕緣介質都會有一些影響,這樣就會造成電介質絕緣強度逐步下降。通常,輕微的局部放電對介質的影響較小,絕緣強度的下降過程較緩慢;而強烈的局部放電對介質的影響較大,絕緣強度很快下降,這是造成高壓絕緣損壞的重要因素。

因此,設計高壓電力設備絕緣時,要考慮在長期工作電壓的作用下,不允許絕緣結構內發生較強烈的局部放電。對運行中的電力設備同樣要加強監測,當局部放電超過一定程度時,應將設備退出運行,進行檢修或更換。

2 在線檢測技術發展概況

人們對局部放電的認識已有200多年的歷史,隨著新技術的開發應用,基于對發生局部放電時產生的各種電光聲熱等現象的研究,局部放電檢測技術中也相應出現了電檢測法和光測法、聲測法、紅外熱測法等非電量檢測方法。

國外許多電力公司從上個世紀70年代就開始研究并推廣應用變電設備在線監測技術,主要目的就是減少停電預防性試驗的時間和次數,提高供電可靠性。但當時的設備簡陋,測試手段簡單,水平較低。隨著計算機技術的飛速發展,在線監測設備產品不斷更新完善,在線監測技術水平不斷提高。到目前為止,許多國家已廣泛使用在線監測技術手段。絕緣在線監測技術的發展大體經歷了三個階段。

(1)帶電測試階段。這一階段起始于70年代左右,當時人們僅僅是為了不停電而對電氣設備的某些絕緣參數(如泄露電流)進行直接測量。設備簡單,測試項目少,靈敏度較差。

(2)從80年代開始,出現各種專用的帶電測試儀器,使在線監測技術從傳統的模擬量測試走向數字化測量,擺脫了將儀器直接接入測試回路的傳統測量模式,取而代之的是使用傳感器將被測量的參數直接轉換成電器信號。

(3)從90年代開始,隨著計算機技術的推廣使用,出現以計算機處理技術為核心的微機多功能絕緣在線監測系統。利用計算機技術、傳感技術和數字波形采集與處理技術,實現更多的絕緣參數在線監測。這種在線監測信息量大、處理速度快,可以對監測參數實時顯示、儲存、打印、遠傳和越線報警,實現了絕緣在線監測的自動化,代表了當今絕緣在線監測的發展方向。

到目前為止,大量的在線監測的技術已經在電力系統設備缺陷檢測中得到廣泛應用,并有了一定的經驗。如變壓器油在線色譜分析、電氣設備的紅外測溫技術等已經非常成熟,并在檢測設備的絕緣性能中發揮了重要的作。

3 開關柜局部放電帶電檢測

開關柜產生局部放電會發生聲、光、電、熱等物理和化學現象,這些特征都可作為局部放電檢測信號的傳感對象。目前,國內外傳統的檢測方法有:

脈沖電流法。它通過檢測阻抗接入到測量回路中來檢測。檢測開關柜接地線由于局放引起的脈沖電流,獲得視在放電量。脈沖電流法是研究最早、應用最廣泛的一種檢測方法,但其自身存在很多問題。如抗干擾能力差、測量頻率低、頻帶窄、包含的信息量少等。

光測法。它利用局部放電產生的光輻射進行檢測。但是由于光測法設備復雜昂貴、靈敏度低,且需要被檢測物質對光是透明的,因而在實際中無法應用。

鑒于以上方法的種種缺陷,在生產實踐中并不能得到廣泛應用。本文提出一種基于電磁波檢測的Transient Earth Voltage暫態對地電壓,簡稱TEV檢測法。

3.1 TEV檢測法

當高壓電氣設備發生局部放電時,放電電量先聚集在與放電點相鄰的接地金屬部分,形成電磁波并向各個方向傳播,對于內部放電,放電電量聚集在接地屏蔽的內表面,因此如果屏蔽層是連續時無法在外部檢測到放電信號。但實際上,屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現破損而導致不連續,這樣,高頻電磁信號就會傳輸到設備外層。

放電產生的電磁波會通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊傳播出去,同時產生一個暫態電壓,通過設備的金屬箱體外表面而傳到地下去。這些電壓脈沖是Dr John Reeves首先發現,并把它命名為Transient Earth Voltage暫態對地電壓,簡稱TEV。TEV檢測法原理如圖1所示。

圖1 TEV檢測原理圖

TEV檢測法的特點如下:1.局部放電的電磁信號傳播過程衰減較小,能夠實現良好的檢測靈敏度;2.根據電磁脈沖信號的衰減和時差,可進行局部放電定位;3.TEV傳感器檢測的有效頻率高、頻帶范圍寬;4.對脈沖的變化速度比較敏感,比較適合介質內部放電,對放電頻譜較低的套管、終端、絕緣子表面放電不敏感;5.能夠精確定位,但分辨率不高,主要是設備精度限制;6.易受外界電磁干擾的影響。

TEV檢測法所面臨的主要問題就是干擾問題。由于開關柜的運行環境千差萬別,因此,在現場測試會面臨多種電磁干擾?，F場的主要干擾源有:無線電發射設備;工業、科學、醫療(1SM)設備;電力設備;汽車、內燃機點火系統;電網干擾;高速數字電子設備。

3.2 定位方法

高壓電氣設備的對地絕緣部分發生局部放電活動時,導電系統對接地金屬殼之間就有少量電容性放電電量。放電電量很小,通常只有幾兆分之一庫侖。放電持續時間一般只有幾個納秒。因為電量等于電流乘以時間,一次放電1000pC,持續10納秒,就產生100mA的電流。對于持續時間那么短的放電脈沖,被測設備就不能看作是個整體,而應看作是傳輸線。它的電氣特性就由其分布電容和電感決定。

這里 L和C是傳輸線單位長度的自感和電容。Z0的數值變化很大,通過研究,單芯10kV電纜約為10Ω,35kV的金屬外殼的母線室則大約70Ω。因此,1000pC的放電可產生對地1～7V持續10 ns的電壓。電壓脈沖在金屬殼的內表面傳播,最終從開口、接頭、蓋板等的縫隙處傳出,然后沿著金屬殼外表傳到大地。這樣,使用電容耦合式傳感器就可檢測到放電信號。

研究發現,局部放電產生的 TEV信號的大小與局部放電的激烈程度及放電點的遠近有直接關系,可以利用專門的探測器進行檢測。為簡單明了,用相對讀數(dB)來描述局部放電活動程度。通過檢測局部放電產生的 TEV信號,不僅可以對運行中的開關柜內的設備局部放電狀況進行定量測試,而且可以通過同一放電源到不同探測器的時間差異對局部放電源進行定位。

3.3 TEV檢測法實例驗證

2008年5月21日,烏魯木齊電業局在對220kV八戶梁變電站開關柜檢測過程中發現10kV開關室八加線1016開關柜后面板上局部放電檢測幅值達31dB,經定位后發現,放電位于該開關柜后面板左下側。

2008年7月10日,烏魯木齊檢修工區對該開關柜局放檢測缺陷在設備停電時進行了核實。核實結果如下:該開關柜后面板左下側C相電纜頭螺絲松動(見圖2),產生了一定的局部放電。檢修時對該螺絲進行了緊固處理,檢修后再次測試,該開關柜放電檢測幅值由31dB降到10dB以下,證明了該檢測定位技術的正確性。

4. TEV檢測法的實踐

2009年10月26日～27日,臨汾供電分公司利用 TEV檢測技術分別對110kV城中、110kV王莊、220kV喬北變電站室內開關柜進行了局放檢測,過程及結果如下。

圖2 螺絲檢動及緊固后設備的狀況

4.1 檢測部位

選擇局部放電容易發生的位置進行檢測,如母排(連接處、穿墻套管、支撐絕緣件),開關刀閘,電纜接頭等位置,特別是開關柜前面板中部及下部,后面板、側面板的上部、中部及下部。如有條件,還應對開關室內母線橋架進行檢測。

4.2 判斷方法

橫向比較法、縱向分析法、判據法。

4.3 判斷依據

采用表1所列項目作為判斷依據。

表1 局部放電檢測數值與現象對照表

4.4 檢測結果

各變電站開關柜的檢測數據見圖3～圖5。

由圖3可以看出,除五一東-Z525開關柜的前中部為23dB外均在20dB以下,所以判斷檢測過程中沒有發現局部放電現象。

從圖4中可以看出,110kV王莊變電站10kV開關柜。V1站用變壓器開關柜及其附近的開關柜的測試值相對大一些,但因為本站環境中的讀數比較大,又因為不是全封閉式,所以測試值會相對大一些,但在后續的檢測中要對V1站用變壓器開關柜加強關注。

從圖5中可以看出,220kV喬北變電站35kV開關柜中除電鍋爐變開關柜的后部為22、23dB外均在20dB以下,所以判斷檢測過程中沒有發現局部放電現象。

圖3 檢測數據城中110kV變電站10kV開關柜

圖4 檢測數據王莊110kV變電站10kV開關柜

圖5 檢測數據喬北220kV變電站35kV開關柜

5 結束語

1)在線檢測開關柜局部放電對于電網的安全運行有著重要的意義,此項技術可在不停電狀態下實現對現場設備的絕緣故障狀況進行檢測(傳統方法需停電),快速檢測開關設備的運行狀況,避免意外停電事故的產生,減少檢修停電時間,提高設備供電可靠性和連續性;

2)一旦確定開關柜內部確實存在局部放電現象,就必須定位局放源的所在位置從而消除故障隱患。局放源的定位準確性關系到檢修工作的效率,可以減少不必要的停電檢修時間,減少電能的損失,提高經濟效益;

3)在檢測過程中要注意干擾的排除問題。

[責任編輯:王 琨]

Research on PD On-line Monitoring Based on Electromagnetic Wave Mansurement

SONG Xi-fang1,TAI Yong2,LIANGYing
(1.Linfen Power Supply Branch Company,Linfen,041000,China; 2.Shuozhou Power Supply Branch Company,Shuozhou,038000,China)

High-voltage switch cabinet is an important electrical equipment of power system.With the developing of the sensor technology,signal processing technology,computer technology and artificial intelligence technology,it is possible to carry out on-line monitor of switchgear status,to detect hidden faults and to predict cumulative failures.The methods of on-line PD detection and the localization of the Switchboard PD position are introduced.

dislribution network;high-voltage switchgear;partial discharge;on-line monitoring

book=2010,ebook=50

TM834

A

1671-5977(2010)02-0134-04

2010-04-17

孫西方(1967-),男,河南三門峽人,山西省臨汾供電分公司,工程師。