高壓開關柜局部放電在線監測系統設計與應用*

劉 勇 趙紅慶 李高峰 慕鵬凱

（1.國網陜西省電力公司西安供電公司 西安 710032）（2.紀年科技股份有限公司 許昌 461000）

1 引言

高壓開關柜是重要的輸配電設備，其運行安全直接影響供電系統可靠性［1］。就近幾年來看，隨著電網規模迅速擴大，由開關柜故障造成的經濟損失也呈逐年上升態勢。國內外運行經驗和研究成果表明，大部分高壓開關柜事故是由絕緣問題引起。局部放電是加速電力設備絕緣劣化的主要原因，同時也是表征絕緣狀態的最有效手段。通過局部放電實時在線監測，可定性或定量分析絕緣劣化程度，對預測開關柜運行壽命、保障其可靠運行具有十分重要的意義。

目前，應用于高壓開關柜局部放電檢測的方法主要有暫態地電壓法［2～4］、特高頻檢測法［5］及超聲波檢測法［6］等。以上方法所測得信號皆為局部放電過程產生的伴生信號，檢測結果與視在放電量之間并無直接聯系，僅可做定性分析而無法定量校準；同時，由于現場運行環境強電磁干擾源多，實際局放信號幅值小，消噪難度大，若濾波器帶寬選擇不當，還易造成采集信號發生畸變。鑒于以上情況，亟待尋找一種局放測量新方法用于開關柜局部放電在線監測。

考慮到脈沖電流法局放檢測技術靈敏度高且易于定量校準，當配合利用高頻檢測阻抗可準確測取局放脈沖量［7］，故提出基于脈沖電流法的高壓開關柜局部放電在線監測系統，實現對開關柜絕緣狀態的實時、準確判斷。

2 脈沖電流法檢測機理

脈沖電流法作為一種傳統的局放測量方法，主要用于設備或系統頻率在400Hz以下的交流電壓試驗過程中產生的局部放電測量［8］，基本原理圖見圖1。試品CX兩端被加以交流高壓后，每產生一次局部放電，其兩端當即產生一瞬變電壓ΔU，該電壓若經電容CK耦合到檢測阻抗Zd上，回路中就會產生一脈沖電流I，將脈沖電流I流經檢測阻抗產生的脈沖電壓通過測量儀器M予以采集、放大、顯示等處理，即可測定局部放電的一些基本參量［9］。

圖1 脈沖電流法基本原理圖

3 系統概述

基于上述檢測機理，設計的高壓開關柜局部放電在線監測系統主要由信號耦合器、監測儀表兩部分組成。與傳統脈沖電流法檢測方式的區別在于，由耦合電容CK、檢測阻抗Zd等構成的信號耦合器固定安裝于柜體內部，柜體通電運行并發生局部放電時，耦合器具備實時傳遞局放信號的特點。系統設計的耦合器輸出端采用同軸線纜傳輸模式，將3路模擬信號傳遞至監測儀表經相應處理后，給出局放基本參量的顯示、報警等提示信息，以便現場運維人員及時掌握設備絕緣狀態。具體系統框圖見圖2。

圖2 開關柜局部放電在線監測系統框圖

3.1 信號耦合器

設計的高壓開關柜局部放電傳感裝置主要由耦合電容、檢測阻抗、隔地噪聲、過壓保護等模塊組成，各模塊之間的具體連接情況見圖3。

圖3 傳感器電路框圖

1）耦合電容。作為傳感裝置的重要組成部分，乃至整個測量系統重要環節，其容值選取具有嚴格條件限制，固定的測量儀器僅能與特定容值的耦合電容相匹配［10］。為提高開關柜局放檢測準確性，本處選用靜電容量為1nF、額定電壓為10kV的高壓陶瓷電容芯棒作為耦合電容Ck。

2）檢測阻抗模塊。通常情況下，用于局放測量的檢測阻抗被分為兩類：RC型及RLC型。當對單位時間內的局放脈沖數進行統計并要求對脈沖波形做相關分析時，通常選用不引發振蕩的RC型檢測阻抗；當出于反干擾要求，測量儀表的放大電路前端連接有帶通或調諧濾波器時，選用振蕩頻率與濾波器諧振頻率相吻合的RLC型檢測阻抗更為恰當［11］。基于后續電路設計要求，本處設計選用RLC型檢測阻抗，通過合理選用電容、電感、電阻等元件，使工頻電壓輸出限定在行業規定的人體安全電壓限值36V以下［12］，同時盡可能不影響局放脈沖信號輸出。

3）過壓保護模塊。系統運行過程中，因天氣影響難免會有雷擊設備的情況發生。相比于常規的壓敏電阻保護、氣體放電管保護或壓敏電阻與氣體放電管并聯保護，兩者串聯具有更小的結電容，對整個傳感裝置靈敏度的影響能降低到最低。盡管串聯間隙的擊穿電壓存在不同操作波形下的離散型，可能導致保護可靠性降低或保護失敗，但此時氣體放電管能起到開關開合作用；當沒有暫態過電壓作用時，能將壓敏電阻與整個系統完全隔離，既沒有泄露電流，也能減緩壓敏電阻的性能惡化［13］。

4）隔地噪聲模塊。模塊采用傳統的電阻并電容的模式，用以避免柜體外殼接地可能帶來的外部干擾侵入。其中的電容能夠降低可能存在的、以大地電平為參考的高頻干擾信號對后續電路的影響，同時也可抑制后續電路和干擾源間瞬態共模壓差。

3.2 儀表硬件系統

設計的高壓開關柜局放監測儀表的硬件系統主要由信號調理單元、CPU系統、電源系統等組成，具體構成見圖4。

圖4 監測儀表終端硬件框圖

1）信號調理單元。監測儀表的信號調理單元主要利用無源及有源濾波技術，程控增益放大技術，絕對值峰值檢波技術等，對局部放電信號進行相關調理變換。選擇合適的檢測頻帶寬度是局放監測系統硬件設計的基礎，當高壓開關柜通電運行并發生局部放電時，為避免無線電干擾，同時期望增加系統對絕緣狀態監測的覆蓋面，系統設計信號檢測頻寬為100kHz～10MHz；同時，因每次放電量大小分布隨機性較強，少則幾pC，多則上萬pC，一般系統測量范圍很難滿足要求。為解決該問題，本系統采用輸入電壓范圍較寬的程控增益放大電路；通過有源、無源濾波技術，提高測量信號的信噪比，從而增加系統局放檢測靈敏度。

2）CPU系統。完成對局放信號的數據采集；完成信息的本地顯示和告警；完成與后臺系統的通訊和信息交互。

3）電源系統。依據儀表硬件系統供電要求，將現場照明用電轉換，電源輸出經紋波處理后分別為信號調理電路、CPU系統及外圍電路供電。

3.3 儀表軟件系統

高壓開關柜局放監測儀表的軟件系統軟件部分具體工作流程及功能實現見圖5。

圖5 儀表軟件功能框圖

1）初始化配置，主要用來初始化系統，讀取預設參數。

2）檢測流程，由以下幾步構成：（1）通過定時器實現ABC三相輪流采樣；（2）對采樣數據進行處理，計算出放電強度（用遞歸濾波算法［14］得出的能重復出現的最大局放值）及放電頻度（單位時間內局放的次數）；（3）根據計算的局放強度調整前置放大電路的放大倍數，提高AD轉換精度；（4）將局放監測數據還原為前置放大電路前的原始值，并用校準系數轉化為局放視在電荷量——pC值；（5）對監測數據進行存儲和顯示；（6）并通過與閾值比較，判定局放特征參量是否超標，如若超標則給出告警提示。

3）485 通訊：與外界進行通訊。

4）校準：通過局放校準器（通用）對試品注入標準局放電荷量，通過調試軟件讀取局放監測儀的監測原始值，將數據擬合，得出校準系數并回傳給局放監測儀。正常監測時，將測得的數據經校準系數計算后即可得出局放的視在電荷量。

4 試驗及結果分析

4.1 典型放電模型設計

一般情況下，引起高壓開關柜發生局部放電的故障缺陷主要包括如下幾個方面：絕緣件表面污穢、受潮和凝露；高壓母線連接處或斷路器觸頭接觸不良；導體表面存在金屬突起或毛刺；柜體內存在可移動金屬微粒；開關絕緣件內部存在雜質或氣泡等。

基于上述常見缺陷的放電特征，本處制作了針板放電、內部放電、懸浮放電和絕緣子沿面放電四種典型放電模型，前三種放電模型如圖6所示。圖6（a）所示為模擬電暈放電的針板電極系統結構，針電極直徑6mm，針尖曲率半徑為0.5mm，針尖到板電極距離d為1.9 cm；圖6（b）為模擬固體絕緣內部氣隙放電的電極系統結構，試品為兩塊厚度為5mm、直徑為50mm的環氧樹脂板，將厚度1mm、中間通孔直徑10mm的環氧樹脂板夾在兩板中間形成扁平空氣隙，絕緣板間用一層非常薄的環氧樹脂膠粘合；圖6（c）為模擬懸浮放電的電極系統結構，懸浮電極采用直徑為10mm、高度為3mm的黃銅材質的圓柱體，高壓電極和地板電極之間用厚度為5mm、直徑為70mm的環氧樹脂板。實驗中，懸浮電極和柱電極間距為15mm。此三種放電模型的電極均采用黃銅加工制造，并消除電極表面尖角或毛刺影響。

圖6 高壓開關柜局部放電典型缺陷模型

為模擬開關柜沿面放電缺陷，本處使用易于采購的12 kV環氧樹脂支持絕緣子，將表面涂上氯化鈉和硅藻土并晾干，作為第四種缺陷模型。

4.2 試驗回路搭建

高壓開關柜局放試驗測量回路見圖7。系統電壓輸入的調節通過控制操作臺進行。試驗過程中，具體操作方法如下：1）每種放電模型均并聯接于柜體內某相（本處選擇C相）通電母排與柜體框架之間。其中的沿面放電模型要求采用手動噴霧方式，使柜體內部環境濕度在60%以下進行試驗；2）將所設計傳感器的高壓端固定安裝于柜體內通電母排上，傳感器接地端與柜體框架緊密連接，傳感器輸出端通過射頻端子與適當長度的同軸線纜連接并接至監測儀表輸入端口；3）每種放電模型試驗過程中加以6.667kV交流電并保持60s，觀察監測儀表上各局放特征參量的顯示結果。

圖7 高壓開關柜局部放電試驗測量系統

為避免試驗回路系統自身產生局放并減少背景噪聲影響，試驗中采取了如下抗干擾措施：1）采用衰減頻帶在15kHz～1MHz的雙屏蔽靜電隔離變壓器、低壓濾波器及高壓濾波器；2）采用波形畸變率＜5%的接觸式調壓裝置；3）采用額定電壓下局放量＜5pC的YDTW-15/150單相絕緣筒式試驗變壓器；4）采用額定電壓下≤2pC的GR150-0.1/10型變壓器保護電阻；5）高壓濾波器輸出端采用防暈導線并采用球形接頭，以避免自身產生局放。

4.3 結果分析

基于文中所設計的局部放電在線監測系統及高壓開關局放試驗測量回路，對上述四種典型開關柜缺陷模型進行試驗論證，儀表監測得到的四種缺陷模型結果見圖8。

由圖8可見，儀表上電后屏幕上A、B、C三相均有監測信息顯示；因試驗回路僅C相系統接入缺陷模型并通有交流電壓，因此四種模型分別對應的截屏上A、B兩相的放電強度及放電頻度分別顯示為0pC及0，且A、B兩相的局放狀態分別顯示“正常”；反之，因C相系統有高壓作用，使缺陷模型局部場強過大而產生局部放電。因此，（a）針板放電（b）內部放電（c）懸浮放電及（d）沿面放電對應的四副截屏上，C相的放電強度及放電頻度分別有大于零的數字顯示，且因超過所設閾值而顯示為“異常”。

圖8 高壓開關柜故障缺陷模型試驗監測結果

同樣試驗條件下，通過國網武漢高壓研究院南澳電氣有限公司所產的NAJFX-201局部放電檢測裝置進行檢測對比，結果表明本在線監測系統能夠有效采集局放信號，且具有較強抗干擾能力及較高靈敏度［15］。

5 系統現場應用

系統研究設計完成并經過大量試驗測試后，選擇在國網西安供電公司韋西開閉所試運行，現場開關柜型號為KYN28系列金屬鎧裝開關柜。經過近半年時間的現場試用，系統性能表現穩定、監測效果良好，現場安裝運行情況如圖9所示。

圖9 監測裝置現場安裝及運行

1）系統的設計為高壓開關柜局部放電監測提供了一種新的嘗試，提高了開關柜局部放電數據獲取的準確性和可靠性，實現了開關柜局部放電全壽命周期監測自動化、智能化；

2）實現了局部放電方位開關柜內部定位；解決了開關柜絕緣狀態分析對數據的在數據“量”和數據全面性方面的需求，為絕緣狀態分析，提供了可靠的數據保障；

3）系統的應用真正減少了巡檢人員的投入，簡化了巡檢方式，緩解了開關柜投運數量增加與巡檢人員投入的矛盾。

6 結語

本系統基于脈沖電流法，可以有效、直觀地反映開關柜內部絕緣狀況，能夠有效降低整個系統的運維成本并有效預防災難性故障的發生。本文通過設計信號耦合器、監測儀表等硬件系統和系統軟件，以及在西安韋西開閉所的實地應用，得到如下結論。

1）通過該裝置可以有效測量高壓開關柜上的局部放電現象，提高了開關柜局部放電數據獲取的準確性和可靠性，實現了開關柜局部放電全壽命周期監測自動化、智能化；

2）本系統可以有效解決開關柜絕緣狀態分析對數據的在數據“量”和數據全面性方面的需求，為絕緣狀態分析提供可靠的數據保障；

3）系統的應用真正減少了巡檢人員的投入，簡化了巡檢方式，緩解了開關柜投運數量增加與巡檢人員投入的矛盾，對于降低整個系統的運維成本并有效預防災難性故障的發生具有重大意義。