高壓開關(guān)柜內(nèi)部缺陷的局部放電信號特征研究

鄭瑩瑩 ，呂俊濤 ，黃 銳 ，周大洲 ，任敬國

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

高壓開關(guān)柜廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的所有電壓等級變電站中，是站內(nèi)電氣設(shè)備的重要組成部分。隨著狀態(tài)檢修工作的推進，開關(guān)柜運行檢修工作重點將逐步從停電例行試驗轉(zhuǎn)移到設(shè)備狀態(tài)檢測［1-3］。通過紅外成像、暫態(tài)地電壓、超聲波局部放電和特高頻局部放電檢測4種帶電檢測手段，實現(xiàn)對開關(guān)柜狀態(tài)的全面診斷。其中，紅外成像技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而局部放電檢測技術(shù)研究，尤其是內(nèi)部缺陷的局部放電信號特征研究，直接影響基于不停電檢測的開關(guān)柜狀態(tài)檢修工作開展，對內(nèi)部缺陷檢測的現(xiàn)場實用化技術(shù)和診斷判據(jù)有重要意義［4-7］。

1 高壓開關(guān)柜局部放電信號模擬試驗平臺

為實現(xiàn)高壓開關(guān)柜內(nèi)部缺陷的局部放電信號識別和分析，搭建試驗平臺，物理模擬金屬尖端、懸浮電極、自由金屬顆粒和絕緣氣隙4種缺陷，并對每種缺陷的暫態(tài)地電壓、超聲波和特高頻局部放電信號進行分析。

高壓開關(guān)柜內(nèi)部缺陷的局部放電信號試驗平臺包括無局部放電高壓電源、開關(guān)柜、數(shù)字式局部放電檢測系統(tǒng)、暫態(tài)地電壓、超聲波和特高頻檢測裝置及變電站局部放電檢測與定位系統(tǒng)PDS-G1500等，系統(tǒng)接線見圖1。

無局部放電電源由隔離變壓器T1和升壓變壓器T2組成，輸入采用380 V交流電源，輸出電壓最大為50 kV。隔離變壓器用于實現(xiàn)供電電源與試驗回路的隔離；升壓變壓器用于進行電壓調(diào)整，其高壓端串接一個1 MΩ的限流電阻，防止試品擊穿時回路電流過大而損壞變壓器。

數(shù)字式局部放電檢測系統(tǒng)包括耦合電容、測量阻抗和數(shù)字式局部放電儀。耦合電容與測量阻抗串聯(lián)，測量阻抗連接數(shù)字式局部放電儀，用于試驗回路局部放電量的定量觀測。整個電源設(shè)備連接處和設(shè)備內(nèi)部均做了防電暈處理，高壓端為表面光滑的圓形鋁制均壓環(huán)且中間可引出高壓導(dǎo)線，試驗回路放電量小于2 pC。

變電站局部放電檢測與定位系統(tǒng)PDS-G1500用于實現(xiàn)暫態(tài)地電壓、超聲波和特高頻局部放電信號的檢測以及幅值分析、頻譜分析等功能。

開關(guān)柜模擬裝置從結(jié)構(gòu)上分為4個部分，包括負荷開關(guān)、母線、電纜和控制保護等。負荷開關(guān)采用三工位開關(guān)，SF6氣體絕緣，環(huán)氧樹脂外殼結(jié)構(gòu)，具有合閘、分閘和接地3種位置。

送電前需先確認負荷開關(guān)的狀態(tài)為接地，然后分開接地開關(guān)，再合負荷開關(guān)。停電時需先確認負荷開關(guān)的狀態(tài)為合閘，然后分開負荷開關(guān)，再轉(zhuǎn)至接地位置，然后再開門更換模型試品。某一相在進行加壓試驗時，需要確認另兩相及外殼可靠接地。

2 局部放電缺陷模型

目前，開關(guān)柜中最常見的內(nèi)部缺陷模型包括金屬尖端、懸浮電極、自由金屬顆粒和絕緣件內(nèi)部氣隙4種。其中，金屬尖端放電包括導(dǎo)體或柜體表面的毛刺、內(nèi)部非移動金屬異物等；懸浮電極放電主要是松動部件的懸浮電位放電；自由金屬顆粒放電主要是金屬顆粒和開關(guān)柜部件之間的放電；絕緣件內(nèi)部氣隙放電包括絕緣件內(nèi)部空隙、裂縫等。4種缺陷的物理模擬模型如圖2所示。

圖2 缺陷物理模型

4種缺陷模型采用同樣的圓筒狀結(jié)構(gòu)，上端為高壓電極，下端為接地端，中間采用有機絕緣玻璃作為支撐件，內(nèi)部設(shè)置相應(yīng)的缺陷模型。為提高絕緣性能，模型內(nèi)部可充絕緣油。

金屬尖端模型采用高壓端向下延伸的金屬尖端結(jié)構(gòu)。懸浮電極模型高壓端和接地端向內(nèi)部延伸，形成小段距離的平板電極，電極間采用環(huán)氧樹脂澆注并內(nèi)置小塊金屬片。自由金屬顆粒模型高壓端向下延伸形成較大的平板電極，在接地端上放入金屬顆粒。絕緣氣隙模型高壓端和接地端向內(nèi)部延伸，形成小段距離的平板電極。高壓電極內(nèi)置小塊金屬件與接地電極的環(huán)氧樹脂澆注件，兩者間形成氣隙。

按照以上設(shè)計原則，在試驗平臺10 kV開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置了4種缺陷模型如圖3所示。

圖3 缺陷實物模型

3 局部放電信號特征分析

采用數(shù)字式局部放電儀進行局部放電量標定，利用變電站局部放電檢測與定位系統(tǒng)PDS-G1500對4種缺陷的暫態(tài)地電壓、超聲波和特高頻信號進行幅值和頻譜分析。

3.1 金屬尖端局部放電信號分析

金屬尖端模型的起始放電電壓為5 kV，放電量為54.72 pC，放電幅值較穩(wěn)定、次數(shù)較多，且分布在負半周的第三、四象限內(nèi)，如圖4（a）所示。

金屬尖端放電的暫態(tài)地電壓信號幅值最大值約270 mV，頻率分布在 0～30 MHz范圍內(nèi)，其中在4～10 MHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，且在5 MHz和8 MHz處有信號尖峰，如圖 4（b）和圖 4（c）所示。

金屬尖端放電的特高頻信號幅值最大值約75 mV，這是由于特高頻傳感器所適用的頻率高于300 MHz，針對低頻率的信號幅值響應(yīng)略低。特高頻信號頻率主要分布在300 MHz以下，在150～250 MHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，如圖 4（d）和圖 4（e）所示。

金屬尖端放電的超聲波信號幅值最大值約250 mV，頻率分布在 10～120 kHz范圍內(nèi)，在15～70 kHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，如圖4（f）和圖4（g）所示。由于超聲波信號時間跨度較長，且金屬尖端放電次數(shù)多，所以信號圖譜會存在混疊。

圖4 金屬尖端放電信號

3.2 懸浮電極局部放電信號分析

懸浮電極模型的起始放電電壓為3.5 kV，放電量為318.45 pC，放電次數(shù)少，且對稱分布在第一、三象限，如圖 5（a）所示。

懸浮電極放電的暫態(tài)地電壓信號幅值最大值約800 mV，頻率分布在50 MHz以下，在4～22 MHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，且在6.0 MHz、7.4 MHz、18.4 MHz和20.4 MHz處有信號尖峰，如圖5（b）和圖5（c）所示。

懸浮電極放電的特高頻信號幅值最大值約1.3 V，信號頻率主要分布在1.5 GHz以下，在200～400 MHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，如圖 5（d）和圖 5（e）所示。

懸浮電極放電的超聲波信號幅值最大值約270 mV，頻率分布在10～160 kHz范圍內(nèi)，在75～90 kHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，如圖5（f）和圖5（g）所示。

圖5 懸浮電極放電信號

3.3 自由金屬顆粒局部放電信號分析

自由金屬顆粒模型的起始放電電壓為5 kV，放電量為14.25 pC，放電次數(shù)和幅值無規(guī)律，如圖6（a）所示。

自由金屬顆粒放電的暫態(tài)地電壓信號幅值最大值約60 mV，且與其他類型放電相比衰減時間較長。信號頻率分布在22MHz以下，在16～19 MHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，如圖6（b）和圖6（c）所示。

自由金屬顆粒放電的特高頻信號幅值最大值約320 mV，信號頻率主要分布在200 MHz～2 GHz范圍內(nèi)，其中在300～400 MHz、0.5～1 GHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，且在350 MHz、900 MHz處有信號尖峰，如圖 6（d）和圖 6（e）所示。

自由金屬顆粒放電的超聲波信號幅值最大值約1.1 V，頻率分布在～120 kHz范圍內(nèi)，在90～105 kHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，如圖 6（f）和圖 6（g）所示。

圖6 自由金屬顆粒放電信號

3.4 絕緣氣隙局部放電信號分析

自由金屬顆粒模型的起始放電電壓為2 kV，放電量為102.99 pC，放電信號呈正負半周對稱，如圖7（a）所示。

絕緣氣隙放電的暫態(tài)地電壓信號幅值最大值約600 mV，頻率分布在 3～30 MHz，在 3～10 MHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，且在8.5 MHz、4.5 MHz處有信號峰值，如圖 7（b）和圖 7（c）所示。

絕緣氣隙放電的特高頻信號幅值最大值約1.3 V，信號頻率主要分布在1.5GHz以下，在200～370 MHz、550～750 MHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，如圖7（d）和圖 7（e）所示。

絕緣氣隙放電的超聲波信號幅值最大值約8mV，信號幅值非常小。頻率分布在20～110 kHz范圍內(nèi)，在20～40 kHz頻率范圍內(nèi)信號較為豐富，且存在信號混疊，如圖 7（f）和圖 7（g）所示。

圖7 絕緣氣隙放電信號

4 結(jié)語

搭建高壓開關(guān)柜內(nèi)部缺陷和局部放電信號模擬的試驗平臺，在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)了金屬尖端、懸浮電極、自由金屬顆粒和絕緣氣隙等缺陷的模擬，并詳細地對各缺陷暫態(tài)地電壓、超聲波和特高頻信號進行放電量、幅值和頻譜分析，為開關(guān)柜的局部放電信號檢測、模式識別和診斷等提供了重要參考。