一種改進型脈沖電流法的開關柜局部放電監測裝置

國網上海市電力公司市南供電公司 吳振躍 喬亞興 高億文 倪靜雯 趙皓明

上海四量電子科技有限公司 賀潤平 王哲斐

1 裝置工作原理

1.1 改進型脈沖電流法

在開關柜絕緣系統中，由于受到過電壓、過電流、機械震動、溫濕度等因素的影響，導致絕緣系統中電場強度分布不均使得部分區域發生放電，這種放電會在絕緣部分形成不固定的放電通道，但不足以形成導電通道，即未擊穿絕緣系統，這種現象稱為局部放電。當發生局部放電時會有一定數量的電荷通過電介質，這一放電時間很短，表征出來就是一次陡峭的電流脈沖，測量這個脈沖的方法就是脈沖電流法。基于脈沖電流法的局部放電測試通常用于電氣設備的型式試驗、出廠試驗和其他離線測試中，通過無局部放電的可控升壓測量系統實現測試。而實際運行設備現場由于存在各種形式的電磁干擾，并不具備相比于離線測試時的無局部放電升壓測試條件，所以基于脈沖電流法的帶電或在線局部放電測試應用較少。

改進型脈沖電流法是一種直接測量脈沖電流的方法，同時兼顧提高抗干擾能力和可帶電安裝的要求。高壓開關柜普遍配置了帶電顯示器，通過一個母線支撐絕緣子等效成的電容器和發光氖燈泡串聯實現對三相母線帶電情況進行指示[1]。該等效電容器可作為脈沖電流法局部放電測試的耦合電容器，并與帶電顯示裝置一起構建了局放脈沖電流檢測回路。如圖1所示，母線支撐絕緣子等效成的耦合電容器代表Ck，帶電顯示裝置的等效阻抗代表Zm天然形成了并聯脈沖電流法的檢測回路。由于運行中的開關柜的Ck和Zm的值不統一，同時不希望對帶電顯示器工作造成影響，且為了提高在線監測裝置的抗干擾能力，我們設計了采用專用的固體磁芯材料的開口式高頻寬帶電流傳感器，卡接在耦合電容Ck所在回路上。

圖中Cx表示被檢測設備，當其內部存在絕緣缺陷并在電壓作用下產生局部放電時會產脈沖電流Ij，從圖1看出Ij有I1和I2兩個分量，但由于脈沖電流中含有頻率高達數10kHz 以上的分量，該高頻電流沿I2方向上受到低通濾波器Zch的阻擋，所以I2分量很小、I1分量大。當I1流過時開口式高頻寬帶電流傳感器就會產生一個脈沖電壓被傳送到局放檢測儀器進行分析。脈沖電流法對于突變信號反應靈敏，易于準確及時地發現故障，同時脈沖電流法以pC 作為反映局部放電嚴重程度的度量指標，具有嚴格的判斷依據[2]。相較于脈沖電流法，改進型脈沖電流法采用高頻寬帶開口式Rogowski 線圈制作的高頻電流傳感器，檢測頻帶更寬，抗干擾能力更強。

圖1 改進型脈沖電流法檢測原理圖

圖2 安裝位置圖

1.2 局部放電信號獲取位置

進行局部放電檢測首先要獲取局部放電信號。結合開關柜自帶帶電顯示回路的特點，改進型脈沖電流局放傳感器在開關柜儀表室中找到了可免斷電安裝得信號接入點[3]。如圖2所示，在開關柜的儀表室中有絕緣子式電容傳感器和帶電指示燈串聯回路，該回路具有耦合高頻局放信號的作用。將高頻電流傳感器卡在絕緣子式電容傳感器和帶電指示燈之間的導線上可獲取局放脈沖信號，同時不影響帶電指示器的正常工作，再將高頻電流傳感器輸出端子接到局部放電采集單元輸入端就可采集到開關柜局部放電信號。改進型脈沖電流法能夠帶電安裝，尤其適合安裝于已運行中的開關柜中。

2 高頻電流傳感器及在線監測裝置系統組建

圖3 開口式高頻寬帶電流傳感器

圖4 開口式高頻寬帶電流傳感器幅頻特性曲線

圖5 在線監測裝置系統圖

高頻電流傳感器作為改進型脈沖電流局部放電檢測法的傳感器部件，使用Rogowski 線圈方法，即在環狀的磁芯材料上圍繞多匝導電線圈，高頻交變電流穿過磁芯中心引起的高頻交變磁場會在線圈中產生感應電流[4]。我們設計了開口式高頻寬帶電流傳感器（圖3），開口式高頻寬帶電流傳感器的檢測頻段為1～30MHz，在此頻段上的幅頻特性曲線如圖4所示。該傳感器具有抑制低頻和高頻干擾的能力，為整個監測裝置提供降噪的能力。此外該傳感器還具有轉移阻抗高、易于安裝的特性。

變電站內的高壓開關柜總是按照一次主接線圖成組布置的，柜與柜并排排列。考慮到外部干擾的無差別性，將在線監測裝置設計成對一組開關柜的同時監測通過橫向比較降低外部干擾。如圖5所示，在開關柜前部儀表室，將三個高頻電流傳感器分別卡在開關柜三相絕緣子式電容傳感器和帶電指示燈之間的導線上，輸出接到固定在儀表倉中的帶有三個輸入通道的局部放電采集單元上[5]。通過CAN 總線連接8臺局部放電采集單元和一臺開關柜局部放電監測裝置。局部放電監測裝置對8臺開關柜的采集數據進行分析診斷，診斷結果可通過以太網和或485總線將發送給智能變電站綜合在線監測系統或遠程終端單元，遠程監測系統實現顯示、故障報警等功能。

3 結語

本文通過共用開關柜內絕緣子式電容傳感器和帶電指示器構建的串聯回路實現了對局部放電信號的獲取；同時設計了專用的開口式高頻寬帶電流傳感器降低低頻和高頻干擾提高了抗干擾能力；三相輸入提高了對局放采集單元環境噪聲的抑制力并提高了故障定位的準確性；局部放電監測裝置通過多臺開關柜采集數據的橫向比較進一步提高了整個系統的檢測可靠性。