空氣濕度對開關柜局部放電影響的試驗研究

孟凡生，金觀華，程光強，茅東華

（紹興電力局，浙江 紹興 312000）

0 引言

10 kV金屬封閉式開關柜在變電站廣泛使用，其運行安全將直接影響變電站的供電可靠性。對開關柜運行狀態的監測及對故障的正確診斷是保證開關設備安全可靠運行的關鍵。根據實際運行經驗，開關柜在長期運行中，其內部的空氣濕度、溫度、壓力等環境因素會發生改變，這種改變會影響絕緣子的絕緣水平。當開關柜發生局部放電（partial discharge，PD）時，空氣濕度、溫度、壓力等因素的改變會進一步加劇PD，進而加速設備絕緣劣化，最終導致開關柜發生絕緣故障。因此有必要研究開關柜的PD檢測及各種環境因素對PD的影響規律，以便有針對性地采取措施，改善環境因素，抑制PD的發展。

目前，開關柜的PD檢測方法主要有脈沖電流法、超聲波法、超高頻法等，其中脈沖電流法和超聲波檢測法應用最為廣泛。但脈沖電流法的抗干擾能力差，無法有效應用于現場在線監測。而超聲波在開關柜內的傳播過程復雜，遇到障礙可能會有多次反射和折射，所以檢測靈敏度不高，定量測量比較困難。暫態對地電壓（transient earth voltages，TEV）法是一種新發展起來的帶電檢測技術，具有靈敏度高、抗干擾能力強、故障定位準確等優點，在國內外部分電力公司得到了應用。本文提出將TEV法應用于10 kV開關柜的PD檢測，并在該檢測法下研究開關柜內部空氣濕度對開關柜PD的影響規律，針對空氣濕度的影響提出改進措施，以抑制PD的發展。

1 暫態對地電壓法測量原理

高壓電氣設備發生PD時，放電量往往先聚集在與接地點相鄰的接地金屬部位，形成對地電流，并在設備金屬表面傳播。對于內部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內表面。屏蔽連續時，在設備外部無法檢測到PD信號，但屏蔽層通常在某些絕緣部位不連續，如墊圈連接、電纜絕緣終端等，PD的高頻信號就會由此傳輸到設備屏蔽外殼。因此，PD產生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊傳出，并沿著設備金屬箱體外表面繼續傳播，同時對地產生一定的暫態電壓脈沖信號。該現象由Dr.John Reeves于1974年首先發現，并將其命名為暫態對地電壓。TEV法工作原理如圖1示，PD信號在設備的金屬封閉殼體上產生TEV信號，可通過電容耦合傳感器對其進行測量，從而得到PD的幅值和放電脈沖頻率等參數。TEV法采用相對讀數來表示PD相關參數，TEV信號（mV）與信號輸出（dB）的關系如下式所示：

測量值=20log（局部放電量峰值mV/1 mV）

圖1 TEV法檢測原理

2 試驗裝置及步驟

本試驗選取70%，80%和90%3個空氣濕度點對實際運行的開關柜進行試驗，在斷路器高壓觸頭的正前方開關柜表面選取a，b，c 3個檢測點，檢測點之間的水平距離為30 cm，同時在水平監測點的右下方距離a，b，c直線垂直距離50 cm處設置檢測點d。PD測量如圖2所示。

實驗步驟如下：

（1）將TEV探頭放在a，b，c任一檢測點，采集未加壓時的背景TEV信號幅值。

（2）設置開關柜的空氣濕度，當濕度穩定在70%時，分別在A，B，C相加壓9 kV，觀察示波器并記錄TEV的信號幅值。逐次提高空氣濕度至80%和90%，分別記錄TEV的信號幅值。

（3）對 B，C 相重復步驟（2）。

圖2 局部放電測量系統

3 試驗結果與分析

將TEV探頭分別置于4個測試點，未加壓時各檢測點獲取的TEV值如表1所示。

表1 背景TEV信號幅值

從表1可以看出，斷路器三相觸頭加壓前，隨著空氣濕度的增大，在4個檢測點得到的TEV信號幅值幾乎沒有變化，且幅值比較小，最大為8 dB。因為沒有PD產生，檢測到的TEV信號只是背景噪聲，空氣濕度對PD無影響。

表2給出了A相加壓9 kV時斷路器A，B，C三相在70%，80%和90%空氣濕度下，4個檢測點上得到的TEV信號幅值?？諝鉂穸葹?0%時，A，B，C相在4個檢測點上的TEV信號幅值范圍分別為 19～23 dB，25～32 dB 和 21～27 dB，根據表3中的經驗判據，A，C相有一定程度的PD產生，而B相有較強的PD，說明B相的絕緣缺陷比A，C相嚴重。保持9 kV電壓不變，提高空氣濕度至80%，A，B，C相在4個檢測點的TEV信號幅值均增大，增幅約為10 dB，且幅值均超過30 dB，說明空氣濕度增加后加劇了PD。B相4個檢測點上的TEV信號幅值高于對應的A，C相，說明濕度對B相的PD影響最嚴重，原因是B相絕緣子可能存在裂縫，或者表面污穢程度較嚴重，使其內部或表面受潮嚴重。保持9 kV電壓不變，繼續提高空氣濕度至90%，A，B，C相在4個檢測點上的TEV信號幅值繼續增大，幅值均超過40 dB。由表3經驗判據，開關柜內PD強烈，說明空氣濕度的增加進一步加劇了PD。從表2看出，A相幅值增量約為10 dB，B相約為12 dB，C相約為10.3 dB。相對于空氣濕度由70%增加到80%時的幅值增量，A，C相幅值增量略有增加，而B相幅度增加2 dB，說明開關柜內缺陷越大，空氣濕度對局部放電的影響越大。

表2 A，B，C相在不同空氣濕度下的PD TEV信號幅值

表3 TEV法經驗判據

從表2數據可以看出，在相同的電壓下，隨著濕度的增加，TEV的幅值也隨之增加，B相的TEV幅值和增量均大于A和C相，說明開關柜內B相絕緣缺陷最嚴重。從表中還可以發現，距離放電源較遠的d檢測點，TEV信號幅值較小，說明TEV法在PD定位上有一定優勢。

為減小空氣濕度對開關柜PD的影響，在開關柜底部安裝2個65 W的風扇再次試驗，試驗條件和未裝風扇時一樣。為方便分析結果，僅以絕緣缺陷最嚴重的B相為研究對象。加壓至9 kV保持不變，空氣濕度依次從70%增加至90%，分別得到在3種濕度條件下的PD TEV信號幅值，如表4所示。

從表4可以看出，隨著濕度的增加，PD的TEV信號幅值也隨之增加，在濕度為70%～80%時的增量小于80%～90%的增量，但相對于裝風扇之前，此時的幅值明顯減小，且對應的增量減小，說明安裝風扇后大大改善了開關柜內的空氣濕度，一定程度上限制了局部放電的發展。

表4 安裝風扇后的B相TEV信號幅值

4 結論

根據TEV法檢測10 kV開關柜局部放電的原理，結合該方法下空氣濕度對開關柜局部放電影響的試驗研究，可以得出以下結論：

（1）TEV法能夠檢測到開關柜內的局部放電，檢測點距離放電源越近，TEV信號幅值越大，反之越小。放電越強，TEV幅值越大。因此TEV不僅可以實現定位，也可以實現定量檢測。

（2）在不同的空氣濕度條件下，PD的TEV信號幅值也不同。隨著濕度的增加，TEV的幅值隨之增加，且增量越來越大。

（3）開關柜內缺陷嚴重的絕緣子，受空氣濕度對PD的影響比缺陷小的絕緣子明顯，隨著濕度的增加，PD劇烈，并有可能導致絕緣擊穿。

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