高壓開關柜局部放電TEV與超聲波檢測方法

陳大興

（杭州電力設備制造有限公司蕭山欣美成套電氣制造分公司，浙江杭州 311200）

0 引言

電力系統配電結構中，高壓開關柜屬于關鍵的一類電氣設備，決定著配電系統的安全性能。高壓開關柜從設計、制造、安裝到使用的過程中均會遇到絕緣性問題，主要是絕緣缺陷、絕緣老化的問題，降低了高壓開關柜在配電系統中的安全性，高壓開關柜在運行過程中容易出現閃絡、擊穿、局部放電等問題，其中局部放電的問題最為嚴重，可在高壓開關柜中引發更大的安全事故。由此高壓開關柜局部放電檢測中專門采用了TEV（Transiment Earth Voltage，暫態對地電壓）與超聲波2種方法，反應出高壓開關柜的絕緣效果，保護高壓開關柜的運行安全。

1 TEV與超聲波檢測技術分析

1.1 TEV檢測

高壓開關柜局部放電中產生了交變電場、磁場，導致高壓開關柜由內向外產生了電磁波，在高壓開關柜表面集中了大量的放電電荷，分布在了接地屏蔽層的內部表層，高壓開關柜內屏蔽層連續時不會出現局部放電的情況，如果內屏蔽層有絕緣缺陷，就會在外部檢測出放電電荷。高壓開關柜的內部連續層在電纜終端、墊圈部分以及絕緣位置經常會出現不連續或破損的情況，為局部放電提供了條件，當高壓開關柜發生局部放電時，在不連續的縫隙位置會傳出很多電磁波，電磁波聚集在開關柜的表面，圍繞高壓開關柜的表面產生較大的感應電流，再加上高壓開關柜設備的阻抗作用，會在開關柜外部出現暫態對地電壓，局部放電時的電壓可以達到107 V，此時通過電容耦合器傳感器，就可以感應到TEV信號，進而利用TEV信號檢測分析高壓開關柜的局部放電問題。

1.2 超聲波檢測

高壓開關柜有局部放電情況時，電荷分子之間會產生強烈的撞擊，撞擊作用下會形成聲波，因為局部放電的聲波頻率寬，頻率超過20 kHz的就可以規劃到超聲波范圍中。超聲波檢測高壓開關柜局部放電時主要就是檢測電荷中的超聲波信號，判斷高壓開關柜局部放電的位置。超聲波檢測高壓開關柜局部放電時，如高壓開關柜位于正常的狀態，此時超聲波檢測到的噪聲能量出現在低頻段，頻段＜20 kHz，使用超聲波檢測高壓開關柜的局部放電情況時，應該避開聲波干擾后再檢查高頻聲波，高壓開關柜聲波頻率越高越容易衰減，超聲波檢測時就要規定好頻段，超聲波傳感器的諧振頻率范圍是（30～40）kHz。例如，高壓開關柜表面可以固定超聲波耦合劑，聲電轉化元件使用壓電陶瓷，高壓開關柜內部出現放電時，聲波會聚集在開關柜的表面，超聲波傳感器負責把振動信號轉為電信號，經過放大器處理后進入到超聲波檢測系統內。

2 檢測方法在高壓開關柜中的試驗研究

2.1 試驗檢測

（1）根據高壓開關柜的局部放電形式設計出放電模式，匯總開關柜中誘發局部放電的原因，如高壓開關柜組件受潮并且伴隨著凝露現象、絕緣部件破損或附著污穢、高壓開關柜母線與斷路器連接時出現了接觸不良的問題、高壓開關柜表面的金屬凸起嚴重影響了功能、高壓開關柜中存有大量移動狀態的金屬微粒，積累了大量的電荷，誘發了局部放電。高壓開關柜局部放電的模型研究中，提出4種放電類型：①針板放電，試驗模式中選用半徑是0.5 mm的高壓針尖曲率半徑，錐角是30°，針尖的長度是15 mm，模型中2個針板之間的最佳間距是8 mm；②內部放電，該模型中的上下結構均使用了環氧樹脂板，厚度均是5 mm，2個環氧樹脂板之間的絕緣介質是1層1 mm的環氧樹脂，絕緣板上需要打開10 mm的圓形孔洞，所有絕緣板之間采用環氧樹脂膠固定到一塊；③懸浮放電模型，在模型的接地電極上設置環境樹脂板，直徑是70 mm，厚度是5 mm，環氧樹脂板的上方接近高壓電極的位置設計銅柱，直徑是10 mm，高度是10 mm，銅柱電極到懸浮電極之間的間距是5 mm；④沿面放電模型，相鄰2個電極空隙位置設置縱向的環氧樹脂棒，直徑是10 mm，長度是10 mm。

（2）檢測試驗中的裝置與接線設計，試驗中的試驗變壓器為工頻高壓條件，保護電阻是10 kΩ，耦合電容是Ck，采用脈沖電流法檢測高壓開關柜局部放電時產生的阻抗，檢測的阻抗可以反饋出局部放電信號機兩側電壓的相位信號，以此來標定高壓開關柜的局部放電量。TEV傳感器在試驗中專門利用耦合電容檢測高壓開關柜表層聚集的暫態電壓，超聲波檢測中使用的傳感器為空氣傳導傳感器與諧振傳感器，向高壓開關柜局部放電中提供寬幅的檢測頻帶，正好在寬幅范圍中分析局部放電引起的超聲波信號。在超聲波檢測中，空氣傳導傳感器頻率為40 kHz，配置了前置放大器，增益是60 dB，諧振傳感器的頻率有3種，分別是30 kHz，150 kHz和300 kHz，不需要配置前置放大器即可。試驗模型安裝到高壓開關柜的內部，試驗中檢測高壓開關柜局部放電的實際電荷。

（3）高壓開關柜局部放電中TEV與超聲波檢測試驗模型中的分析結果：①試驗中明確了高壓開關柜局部檢測時的超聲波頻率及傳感器的型號，超聲波檢測中，如選擇諧振傳感器就要把傳感器緊貼到開關柜的外表，兩者之間使用耦合劑固定，空氣傳導傳感器用于測量高壓開關柜泄漏到空氣中的超聲波，超聲波檢測的頻率范圍比較大，其可全面反映出高壓開關柜的超聲波頻率，TEV傳感器信號專門輔助超聲波檢測獲取開關柜局部放電電荷的頻帶分布區域，而且局部放電電荷進入到空氣中也會出現反射或折射的情況，此時也要利用TEV傳感器進行檢測，提高局部放電檢測的靈敏度；②試驗中除了使用TEV與超聲波檢測的方法外，還使用了脈沖電流法，綜合檢測高壓開關柜局部放電的狀態，即使高壓開關柜局部放電強度大，也能完成檢測工作，掌握局部放電在高壓開關柜中的狀態，進而觀察高壓開關柜局部放電的變化狀態，試驗中比較注重TEV信號的應用，利用示波器采集局部放電中的阻抗信號、超聲波信號、電壓信號和TEV信號，在此基礎上完成多次測量，解決局部放電不穩定的問題。

2.2 識別模式

高壓開關柜局部放電TEV與超聲波檢測過程中的識別模式，專門用于識別不同區域的放電模式，避免局部放電差異過大，對所有的信號幅值實行歸一化的處理，區別高壓開關柜不同區域的信號特征。

3 檢測方法在高壓開關柜中的定位應用

TEV與超聲波檢測方法對高壓開關局部放電的定位研究中，主要是明確高壓開關柜的局部放電信號，以便在后期提出有效的治理措施，保護好高壓開關柜的運行。TEV與超聲波檢測定位高壓開關柜局部放電時需分析出信號的變化趨勢，檢查信號是否超過正常的數值標準，高壓開關柜沒有局部放電時各類信號的變化趨勢正常，正常狀態下的信號不會出現工頻周期作用，也沒有明顯的變化規律，此時也要深入檢測，避免遺漏局部放電的問題。TEV與超聲波檢測方法中發現了局部放電的工頻周期性時，首先要判斷為高壓開關柜內部局部放電，接下來繼續判斷出局部放電的類型，根據信號的狀態區別放電的區域、類型，識別高壓開關柜的局部放電模式。

4 結束語

高壓開關柜局部放電的危害性強，采用TEV與超聲波檢測的方法及時發現局部放電在高壓開關柜中的位置，以便安排有效的解決措施，防止高壓開關柜長期處于絕緣缺陷的狀態。在研究高壓開關柜局部放電時組織了TEV與超聲波檢測技術的聯合實驗，準確定位高壓開關柜的局部放電位置。