高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)分析

【摘要】高壓開(kāi)關(guān)柜的安全可靠運(yùn)行直接影響整個(gè)變電站的供電可靠性，對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行局放檢測(cè)顯得尤為重要。本文主要分析了檢測(cè)高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電的TEV方法與超聲波方法的原理及檢測(cè)方法。利用TEV與超聲波相結(jié)合的方法進(jìn)行了局部放電源的定位，經(jīng)驗(yàn)證該方法精確度較高，對(duì)局放檢測(cè)有一定的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】高壓開(kāi)關(guān)柜；局部放電；TEV檢測(cè)；超聲波檢測(cè)

1.引言

目前，對(duì)開(kāi)關(guān)柜設(shè)備局部放電（PD）的檢測(cè)方法主要有脈沖電流法（ERA）、射頻法（RF）、超聲法、超高頻法（UHF）、暫態(tài)對(duì)地電壓法（TEV）等。脈沖電流法可以測(cè)定出局部放電的一些基本量（如：視在放電量q、局部放電脈沖大小、數(shù)量與相位），該技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但缺點(diǎn)是抗干擾能力差。射頻法和超高頻法可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜局部放電的帶電檢測(cè)，但是不能給出局部放電量。超聲波法抗干擾能力強(qiáng)且可以很好的實(shí)現(xiàn)放電源的定位。暫態(tài)對(duì)地電壓（TEV）法作為一種帶電檢測(cè)技術(shù)，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此逐步在國(guó)內(nèi)變電站推廣使用[1]。本文分析了TEV及超聲檢測(cè)的原理，并自制TEV傳感器，在實(shí)驗(yàn)室，搭建基于TEV與超聲波檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)示波器利用時(shí)間差法實(shí)現(xiàn)了局部放電源的精確定位。

2.TEV檢測(cè)法的原理

2.1 暫態(tài)對(duì)地電壓（TEV）

高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，放電量往往先聚集在與接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位，形成對(duì)地電流在設(shè)備表面金屬上傳播。對(duì)于內(nèi)部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，屏蔽連續(xù)時(shí)在設(shè)備外部無(wú)法檢測(cè)到放電信號(hào)，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續(xù)，局部放電的高頻信號(hào)會(huì)由此傳輸?shù)皆O(shè)備屏蔽外殼[2]。因此，局部放電產(chǎn)生的電磁波通過(guò)金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開(kāi)關(guān)的襯墊傳出，并沿著設(shè)備金屬箱體外表面繼續(xù)傳播，同時(shí)對(duì)地產(chǎn)生一定的暫態(tài)電壓脈沖信號(hào)，該現(xiàn)象由Dr.John Reeves在1974年首先發(fā)現(xiàn)，并將其命名為暫態(tài)對(duì)地電壓。

2.2 TEV技術(shù)基本原理

一般來(lái)說(shuō)單芯10kV電纜的阻抗約為10Ω，35kV的金屬外殼母線室的阻抗則約為70Ω，電纜或母線室發(fā)生局部放電產(chǎn)生持續(xù)10us的約100mA的弱電脈沖電流時(shí)，在金屬外殼上會(huì)出現(xiàn)1～7V的對(duì)地電壓。電壓、電流脈沖沿開(kāi)關(guān)柜金屬外殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑ィ鲩_(kāi)口、接頭、蓋板等處的縫隙傳出設(shè)備，再沿著金屬外殼的外表面?zhèn)鞑ブ链蟮亍Ｄ壳癟EV法檢測(cè)設(shè)備大都采用電容性探測(cè)器來(lái)檢測(cè)放電脈沖，其工作原理如圖1所示。現(xiàn)有的局部放電檢測(cè)方法常以脈沖電流法的視在放電量來(lái)表征局部放電活動(dòng)的嚴(yán)重程度，但對(duì)TEV法來(lái)說(shuō)，由于影響局部放電測(cè)量及放電量表征的因素較多，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在該方法中測(cè)試結(jié)果采用相對(duì)讀數(shù)來(lái)表示。在局部放電過(guò)程中，局部放電信號(hào)在設(shè)備的金屬封閉殼體上產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)對(duì)地電壓，可通過(guò)電容耦合傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，得出局部放電的幅值和放電脈沖頻率等參數(shù)。

3.超聲波檢測(cè)原理

發(fā)生局部放電時(shí)，在放電的區(qū)域中，分子產(chǎn)生劇烈的撞擊，宏觀上產(chǎn)生了聲音，我們把頻率大于20KHz的稱為超聲波。開(kāi)關(guān)柜發(fā)生局部放電等缺陷時(shí)，其超聲波發(fā)射頻譜集中在20～100KHz。局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)通過(guò)安裝在柜體外壁的傳感器接收，即超聲波要從放電源傳播到測(cè)量點(diǎn)才能被檢測(cè)到，聲波在傳播中要衰減，頻率越大，衰減越嚴(yán)重。超聲波傳感器的檢測(cè)范圍在很大程度上取決于其使用的波長(zhǎng)和頻率[3]。結(jié)合聲波和周圍環(huán)境中噪聲的特點(diǎn)，我們選擇的傳感器為中心頻率約為40KHz的接觸式傳感器，其具有較寬的檢測(cè)帶寬，使用超聲耦合劑，增設(shè)60dB前置放大器，配合數(shù)字濾波器組成超聲波檢測(cè)電路具有較高的靈敏度，圖2為放電源距離傳感器30cm時(shí)超聲波傳感器接收到的針板放電局部放電的超聲波信號(hào)圖。

4.開(kāi)關(guān)柜局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及局部放電信號(hào)檢測(cè)

為了系統(tǒng)的研究開(kāi)關(guān)柜中的局部放電，本文在開(kāi)關(guān)柜試驗(yàn)平臺(tái)上建立了一套基于TEV與超聲波相結(jié)合的局部放電檢測(cè)系統(tǒng)。

4.1 試驗(yàn)原理圖

如圖2所示，工頻高壓由YDTW15/150KV無(wú)暈工頻高壓試驗(yàn)變壓器提供，高壓的輸出端串聯(lián)一個(gè)10kΩ的保護(hù)電阻，以免試品擊穿后電流過(guò)大損害變壓器。C0為試驗(yàn)用的耦合電容器，Cx為裝有針板放電模型的開(kāi)關(guān)柜試品如圖5，TEV傳感器接示波器的CH1通道，超聲傳感器通過(guò)前置放大器之后在接示波器。其中TEV傳感器為自己研制的傳感器，其原理近似于耦合電容傳感器，超聲傳感器為接觸式超聲傳感器，傳感器中心頻率為40KHZ，檢測(cè)頻帶比較寬，可以在寬頻帶范圍內(nèi)研究局部放電超聲波信號(hào)，前置放大器其增益最大可調(diào)為60dB。經(jīng)前置放大器處理的信號(hào)被傳輸?shù)绞静ㄆ鳌Ｊ静ㄆ鞑捎肶OKOGAWA的DL1540L型8位數(shù)字示波器。試驗(yàn)時(shí)，單次采樣時(shí)間長(zhǎng)度為一個(gè)工頻周期，即20ms；采樣率為5MS/s。示波器的4個(gè)通道分別采集超聲信號(hào)與TEV信號(hào)。其中TEV信號(hào)作為觸發(fā)用以控制信號(hào)采集起始時(shí)刻，還可以方便觀察TEV信號(hào)與超聲信號(hào)的時(shí)間差，便于局部放電源的定位。

4.2 局放TEV及超聲波信號(hào)檢測(cè)

在局部放電超聲波檢測(cè)和定位中，超聲波信號(hào)的識(shí)別和聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度、衰減情況對(duì)提高檢測(cè)的精度有非常重要的作用。我們?cè)陂_(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)置針板放電模型如圖3所示，模擬接近真實(shí)的放電環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論更有實(shí)用性和參考價(jià)值。將TEV傳感器吸附在開(kāi)關(guān)柜體外壁上，超聲波傳感器用耦合硅膠貼在柜外壁，并用膠帶固定保持一定的壓力，接好檢測(cè)電路，當(dāng)所加電壓達(dá)到5kV時(shí)，有局部放電產(chǎn)生，隨著電壓的升高，當(dāng)所加電壓達(dá)到約6kV時(shí)，放電較為明顯并伴隨有明顯的“滋滋”聲，移動(dòng)傳感器位置，并用四通道示波器觀察輸出脈沖信號(hào)。由于超聲波在空氣中衰減較小（50KHz的超聲波常溫衰減為0.98dB/m），空氣中得到的檢波脈沖信噪比較好。如圖3所示，分別為TEV傳感器（通道1）和超聲傳感器（通道2）接收到的信號(hào)，其中TEV傳感器接收到的信號(hào)為觸發(fā)信號(hào)。通道2顯示的最左端較平滑的超聲波脈沖與TEV傳感器接收到的電信號(hào)之間有一定的時(shí)間差。移動(dòng)超聲波傳感器位置，改變放電源和超聲波傳感器之間的距離，觀察隨著放電源和傳感器之間距離的縮小，輸出超聲波脈沖會(huì)左移而靠近電脈沖信號(hào)，隨距離的增大，超聲脈沖右移而遠(yuǎn)離電脈沖。

由于聲音反射以及通過(guò)不同介質(zhì)傳播，各種介質(zhì)中的衰減強(qiáng)度和傳播速度不一樣，所以觀察到的超聲波脈沖沒(méi)有電脈沖信號(hào)平滑。觀察到的脈沖，還與傳感器和放電源的位置角度有關(guān)，在一定的角度時(shí)，超聲波發(fā)生全反射而接收不到。如圖4所示，局部放電產(chǎn)生的超聲波在空氣中會(huì)沿不同方向傳播，遇到柜體內(nèi)壁會(huì)發(fā)生反射和吸收，傳播過(guò)程中也會(huì)有不同程度的衰減。我們?cè)诓煌恢迷O(shè)置超聲傳感器，分別觀察示波器輸出脈沖。路徑1，即超聲信號(hào)以在空氣中最短的路徑傳播到鐵柜內(nèi)壁，再穿過(guò)鐵皮到傳感器。路徑2為超聲波從放電源通過(guò)空氣直接到傳感器位置，穿過(guò)鐵皮進(jìn)入傳感器。由于超聲波在空氣和鐵中的衰減情況和傳播速度不一樣，接收到的信號(hào)也有差異。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，鐵中大約為6000m/s，空氣中衰減為0.98dB/m （50Hz），鐵中21.5dB/（10MHz），衰減隨頻率的增加而增大。經(jīng)試驗(yàn)獲得的路徑1與路徑2的超聲波波形圖如圖5、圖6所示。由于空氣比鐵中衰減小速度小，所以有試驗(yàn)結(jié)果圖可見(jiàn)路徑2接收到的脈沖幅值比路徑1大，距離TEV脈沖的時(shí)間差也比路徑1大。由此可見(jiàn)我們?cè)诙ㄎ粫r(shí)取超聲在介質(zhì)中的傳播速度時(shí)，應(yīng)該考慮傳播速度的衰減[4-5]，盡可能減少定位的誤差。

5.結(jié)論

通過(guò)模擬基本真實(shí)的高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)環(huán)境，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，獲得了放電的TEV及超聲波檢波輸出脈沖。通過(guò)對(duì)超聲波傳播路徑及超聲傳播衰減的分析，得出傳播速度的衰減對(duì)精確定位有一定的影響，對(duì)局部放電檢測(cè)有一定的實(shí)踐意義和參考價(jià)值。實(shí)驗(yàn)中觀察到，超聲傳感器距離放電源較遠(yuǎn)時(shí)，信噪比還比較好，若選用靈敏度更高、接受面積大的超聲波傳感器，還可以提高檢波電路的性能及定位的精度。

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