高壓開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)的思考

黃梓亮，許滋奇，肖發(fā)福

（單南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511493）

0 引 言

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，但在實際應(yīng)用中由于各種因素的影響，常常會發(fā)生局部放電的現(xiàn)象。如果不能及時發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，就會對電力系統(tǒng)的正常運行帶來嚴(yán)重威脅。從當(dāng)前高壓開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)的應(yīng)用情況來看，主要采用TEV局部放電檢測技術(shù)和超聲波局部放電檢測技術(shù)進行檢測。為了提升檢測技術(shù)的應(yīng)用水平，對這一課題的探究十分必要。

1 高壓開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)的重要性

1.1 高壓開關(guān)柜局部放電現(xiàn)象簡述

高壓開關(guān)柜在電力系統(tǒng)中的主要作用是對系統(tǒng)輸配電的過程進行控制和保護。為了提高其功能性和安全性，采用交流金屬封閉開關(guān)。但是，實際應(yīng)用中仍然會發(fā)生局部放電的現(xiàn)象。導(dǎo)致高壓開關(guān)柜發(fā)生局部發(fā)電現(xiàn)象的主要原因，在于某一絕緣結(jié)構(gòu)發(fā)生故障。因此，發(fā)生故障的區(qū)域內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)會失效，經(jīng)歷長時間的放電如果不能夠及時制止這種現(xiàn)象，就會導(dǎo)致內(nèi)部主絕緣被電流擊穿，從而對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成極大破壞。高壓開關(guān)柜局部放電現(xiàn)象主要有兩種表現(xiàn)形式，一種是內(nèi)部放電，一種是表面放電。內(nèi)部放電主要體現(xiàn)為光、熱、化學(xué)氣體、電磁波等現(xiàn)象，而外部放電主要體現(xiàn)在聲、光和熱現(xiàn)象。

1.2 高壓開關(guān)柜局部放電現(xiàn)象危害

一旦高壓開關(guān)柜出現(xiàn)局部放電的現(xiàn)象，就會對電力系統(tǒng)造成兩種危害。第一，局部放電現(xiàn)象會破壞電力系統(tǒng)的絕緣結(jié)構(gòu)，加劇電力設(shè)備的老化程度。高壓開關(guān)柜具有很強的電壓，在運行過程中會對設(shè)備內(nèi)的絕緣結(jié)構(gòu)造成不利影響。尤其是在長期強烈的擊穿作用下，絕緣結(jié)構(gòu)的外皮會加速老化并受到破壞，而局部放電的現(xiàn)象越嚴(yán)重，設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)的老化也就越嚴(yán)重。第二，局部放電現(xiàn)象會造成電能浪費。根據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，同樣的高壓開關(guān)柜，存在局部放電現(xiàn)象的電能比正常電能多出12%左右的消耗。如果對這一現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)不及時，將會造成極大損失。

2 高壓開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)的理論及應(yīng)用分析

2.1 超聲波局部放電檢測技術(shù)

在發(fā)生局部放電現(xiàn)象時，分子會在放電部分產(chǎn)生激烈的撞擊運用。因此，放電部位的氣體會發(fā)生變化，突出表現(xiàn)為劇烈的收縮和膨脹，而這一現(xiàn)象會通過聲波的形式進行傳播。超聲波局部放電檢測技術(shù)是對這一現(xiàn)象進行檢測，根據(jù)局部放電現(xiàn)象對氣體體積造成的影響，檢測聲波頻率。一般局部放電的聲波頻率會達到20 kHz以上，符合超聲波的定義。因此，可以使用超聲波傳感器接收到檢測信號，從而準(zhǔn)確判斷局部放電的情況。但是，超聲波局部放電檢測技術(shù)具有一定的局限性，因為局部放電現(xiàn)象發(fā)生時不僅會產(chǎn)生氣體聲波，還會混雜噪音聲波，影響檢測的效果。

2.2 脈沖電流局部放電檢測技術(shù)

脈沖電流局部放電檢測技術(shù)是當(dāng)前得到普遍使用的檢測方法。它主要利用平衡和直接兩種方法對檢測回路中的脈沖電流進行測試。在局部放電過程中，高壓開關(guān)柜的電壓和電流都會發(fā)生相應(yīng)變化。脈沖電流檢測技術(shù)可以檢測這一變化，計算局部放電的具體放電量，從而精準(zhǔn)評估高壓開關(guān)柜的放電水平。脈沖電流檢測技術(shù)主要利用小于10 MHz的高頻線圈采集局部放電信號，由于頻率較低，因此檢測成本也相對較低，且能夠有效解決背景噪音的干擾。但是，脈沖電流檢測技術(shù)也具有一定的局限性，即無法屏蔽電磁波的干擾。因此，實際應(yīng)用中需要對環(huán)境進行針對性選擇。

2.3 TEV局部放電檢測技術(shù)

高壓開關(guān)柜在發(fā)生局部放電情況時會產(chǎn)生電磁波，這種現(xiàn)象主要體現(xiàn)在內(nèi)部放電的情況下。電磁波在內(nèi)部傳播過程中，一般檢測技術(shù)下，檢測信號會遭到屏蔽，很難對局部放電現(xiàn)象進行準(zhǔn)確檢測。大量研究發(fā)現(xiàn)，如果能夠?qū)⑿盘柶帘螌拥奈恢眠M行轉(zhuǎn)移或者對電磁波進行干擾，就能夠降低電磁波對檢測信號的屏蔽作用。例如，將電磁波的位置轉(zhuǎn)移到絕緣部分、墊圈連接處或電纜絕緣終端等。另外，如果能夠加大電壓和電流，提高電磁信號的頻率，就有可能使檢測信號接收電磁波獲得檢測數(shù)據(jù)。TEV局部放電檢測技術(shù)正是利用這一原理，在應(yīng)用時將絕緣部分、墊圈連接處或電纜絕緣終端等部位作為檢測信號傳播的介質(zhì)，然后對泄露的電磁波進行感應(yīng)，檢測出內(nèi)部局部放電的實際情況[1]。

2.4 超高頻局部放電檢測技術(shù)

超高頻局部放電檢測技術(shù)的原理與TEV局部放電檢測技術(shù)具有一定的相似性。在局部放電過程中，電源附近會產(chǎn)生電磁波，且以球面波的形式進行傳播。由于高壓開關(guān)柜中具有金屬結(jié)構(gòu)，因此電磁波會在內(nèi)部產(chǎn)生發(fā)射作用。這一過程中，部分超高頻的電磁波會以反射的形式從絕緣部分、墊圈連接處或電纜絕緣終端等部分泄露，從而被信號傳感器感應(yīng)到。因此，利用超高頻傳感器可以采集反射出的電磁波信號。在高壓開關(guān)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，具有性能較強的傳播導(dǎo)體。電磁波可以通過這些導(dǎo)體實現(xiàn)大范圍傳播，減少超高頻傳感器檢測信號受到的干擾，保證檢測結(jié)果的精確性。由此來看，超高頻局部放電檢測技術(shù)與其他檢測技術(shù)相比較有著明顯的抗干擾優(yōu)勢，但是其不能對局部放電現(xiàn)象進行定量分析。因此，它需要與TEV局部放電檢測技術(shù)綜合使用。高壓開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)對比表，如表1所示。

3 高壓開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)的設(shè)計

3.1 TEV局部放電檢測技術(shù)的具體設(shè)計

TEV傳感器的設(shè)計原理是電容耦合效應(yīng)。傳感器在高壓開關(guān)柜表面會形成平板電容器，為了檢測結(jié)果的精準(zhǔn)性，利用貼片的形式設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu)；利用0.5 mm厚度的電容板板材作為設(shè)計材料，頻段設(shè)計為3 ～ 200 MHz[2]。

電容可用式（1）表示，其中C為電容，S為傳感器與外表面的接觸面積，d為電容器間距：

為了對高頻信號起到抑制反射作用，將容抗與后段信號調(diào)理電路的阻抗設(shè)計一致。下面用式（2）對其進行表示，其中f為原始信號的頻率：

3.2 超聲波局部放電檢測技術(shù)的具體設(shè)計

應(yīng)用超聲波局部放電檢測技術(shù)時，選擇中心諧振頻率為30 kHz、150 kHz和300 kHz的傳感器與放大倍數(shù)為63 dB的寬頻放大器，分別利用頻率不同的傳感器進行測量。對測量結(jié)果進行頻譜分析，從而確認局部放電信號的范圍。同時，利用寬頻放大器增強電壓和電流，觀察頻譜上局部信號的變化情況，用LDS-6儀器檢測局部放電量。

根據(jù)實驗設(shè)計可以發(fā)現(xiàn)，超聲波傳感器的中心頻率為40 kHz，最小靈敏度為-68 dB，而靈敏度與傳感器距離的大小具有反向關(guān)系，即傳感器距離越遠，靈敏度相應(yīng)下降。靈敏度與傳感器角度之間也有關(guān)聯(lián)，當(dāng)角度為0°時，傳感器探頭的靈敏度最高為-25 dB；當(dāng)傳感器角度為極限的-90°或90°時，傳感器的靈敏度會下降到最低值-38 dB。因此，根據(jù)超聲波傳感器感應(yīng)放電模型的不同，采集檢測信號的靈敏度也不同。其中，空氣傳導(dǎo)式超聲波傳感器的靈敏度高于諧振式超聲波傳感器。由此可得，在利用超聲波局部放電檢測技術(shù)時，可以根據(jù)超聲波靈敏度不同，判斷高壓開關(guān)柜局部放電的類型[3]。

4 結(jié) 論

綜上所述，對高壓開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)的探究十分必要。高壓開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)對維護電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義，而TEV局部放電檢測技術(shù)和超聲波局部放電檢測技術(shù)都能夠精確測量局部放電的情況。實際應(yīng)用中，檢測人員要對故障進行詳細判斷，加強對數(shù)據(jù)的檢驗和分析。

表1 高壓開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)對比表