開關(guān)柜局部放電綜合在線檢測裝置的研究與應(yīng)用

王 戈，王 強(qiáng)，田志剛，周文樂，李建明

(1.四川省電力公司，四川 成都 610041;2.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039;3.沙灣供電局，四川樂山 614900;4.四川電力科學(xué)研究院，四川成都 610072)

0 引言

開關(guān)柜是電力配電系統(tǒng)非常重要的電氣設(shè)備，由于種種原因引起的開關(guān)柜運行狀態(tài)惡化甚至燒毀，常使安全運行受到嚴(yán)重威脅，如果處理不當(dāng)將可能會擴(kuò)大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。而高壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)部絕緣部分的缺陷或劣化、導(dǎo)電連接部分的接觸不良是高壓故障率最高的一類故障。根據(jù)1989—1992年間全國電力系統(tǒng)6～10 kV開關(guān)柜事故統(tǒng)計，絕緣和載流引起的故障占總數(shù)的40.2%，其中由于絕緣部分的閃絡(luò)造成的事故占絕緣事故總數(shù)的79.0%［1］。由于在事故潛伏期可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，故可以通過對放電的監(jiān)測得到相關(guān)的信息。

目前在線檢測局部放電的方法很多。主要有紅外成像法、紫外成像法、脈沖電流法、超聲法以及超高頻法等［2］。這些檢測方法在不同的方面都有各自的優(yōu)點，在實踐中也都得到了一定程度的應(yīng)用，但同時也都存在各自的不足［3－5］。文獻(xiàn)［6］采用紫外成像法對絕緣子放電進(jìn)行測量，通過用紫外成像儀觀察線路絕緣子的紫外成像特點來分析其沿面放電特點，從而判斷絕緣子的運行狀態(tài)，達(dá)到了一定的效果，并具有良好的放電定位精度，但檢測儀器價格昂貴，難以對放電進(jìn)行定量化的分析。文獻(xiàn)［7］研制了一種紫外脈沖檢測儀，能實現(xiàn)在線監(jiān)測，抗干擾能力強(qiáng)，動作反應(yīng)迅速，取得了一定的成果。但是開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備密集，光又是沿直線傳播的，一旦遇到遮光將無法檢測到放電，且對內(nèi)部絕緣的局部放電不敏感，可靠性得不到保障。文獻(xiàn)［8］使用超高頻天線來檢測局部放電，取得了很好的效果。超高頻的特點是能夠探測內(nèi)部絕緣的局部放電，以及信號在傳遞過程中不易遮擋，因此，超高頻檢測法在電氣設(shè)備的局部放電檢測中得到廣泛應(yīng)用。然而，超高頻信號極容易受到其他高頻干擾，如附近局部放電、無線通信、廣電信號、遙測遙控信號等，虛警率高，為局部放電的判定帶來一定的難度。基于此，則提出采用紫外光技術(shù)和超高頻技術(shù)共同來檢測電氣設(shè)備局部放電的有無，發(fā)揚兩種方法各自的優(yōu)點，同時彌補紫外法容易被遮光和超高頻法容易受干擾的缺陷，研制了一種開關(guān)柜局部放電綜合在線檢測裝置，并通過現(xiàn)場模擬棒－板電暈放電對裝置作了驗證，該裝置具有抗干擾能力強(qiáng)、虛警率低、靈敏度高、性能穩(wěn)定、費用低等優(yōu)點。

1 檢測原理

1.1 紫外脈沖法

在開關(guān)柜電力設(shè)備中，由于電極和絕緣表面存在的缺陷，以及導(dǎo)電粒子的存在，會發(fā)生不同程度的放電。根據(jù)電場強(qiáng)度的不同，會產(chǎn)生電暈、閃絡(luò)或電弧，一般情況下，電離的主要形式還是電暈，只有當(dāng)情況惡化時才會發(fā)生閃絡(luò)或者電弧，此時可以將其看作更為嚴(yán)重的放電。電離過程中，空氣中的電子不斷獲得和釋放能量，當(dāng)電子釋放能量時，伴隨有發(fā)光輻射現(xiàn)象，其輻射光譜包括可見光、紅外線、紫外線。其中，紫外輻射在大氣中傳播時衰減較小，而且日盲區(qū)的紫外線不易受到環(huán)境因素的干擾，較為穩(wěn)定，所以選擇紫外輻射作為局部放電檢測的特征量是一種極其有效的手段。

1.2 超高頻法

當(dāng)開關(guān)柜絕緣結(jié)構(gòu)中發(fā)生局部放電時，沿放電通道將會有過程極短的脈沖電流產(chǎn)生，并激發(fā)瞬態(tài)電磁波輻射。當(dāng)放電間隙比較小時，放電過程的時間比較短，電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強(qiáng);而放電間隙的絕緣強(qiáng)度比較高時，擊穿過程比較快，此時電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強(qiáng)。通常開關(guān)柜絕緣結(jié)構(gòu)中發(fā)生的局部放電信號可以看成是由一個點源所發(fā)出的，當(dāng)電介質(zhì)某處發(fā)生局部放電時，由放電產(chǎn)生的電磁擾動隨時間變化，將會產(chǎn)生電磁波，它們遵循麥克斯韋的電磁場基本方程。

根據(jù)現(xiàn)場運行的開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)特點，采用紫外檢測法與超高頻法聯(lián)合測試法來檢測開關(guān)柜局部放電，可以充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點和避免兩種方式各自的缺點，揚長補短，綜合檢測，從而綜合判定開關(guān)柜內(nèi)局部放電的產(chǎn)生。

2 檢測裝置整體設(shè)計

如圖1所示，整體框圖由紫外傳感器組件、超高頻傳感器組件、微處理器、電源部分、液晶顯示單元、報警單元及通信模塊組成。

圖1 檢測裝置整體框圖

紫外傳感器接收局部放電輻射出的紫外光脈沖，將其轉(zhuǎn)換為電脈沖，然后進(jìn)行放大、濾波、AD采樣后，將信號送至微處理器，通過程序設(shè)計，把超過一定電平值的信號記錄為一次脈沖，在規(guī)定的時間內(nèi)(這里規(guī)定為10 s)，若總脈沖數(shù)超過了預(yù)設(shè)的閥值n，則判定為有局部放電的產(chǎn)生，報警器報警，并將記錄的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。同樣，超高頻天線接收局部放電輻射的超高頻信號，經(jīng)過放大、混頻、檢波、濾波以及AD采樣后，交由微處理器判定控制，最后將結(jié)果送至報警器和顯示器，也可由通信模塊將信號送到PC機(jī)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。電源部分包括紫外高壓驅(qū)動模塊和信號處理電路的電源。處理器單元包括單片機(jī)及外圍電路，采用美國silicon公司高性能微處理器C8051F120，具有獨立工作的片上系統(tǒng)的混合信號系統(tǒng)芯片，系統(tǒng)時鐘設(shè)定在100 MHz。液晶顯示模塊采用內(nèi)藏KS0107控制器YXD－12864A－02圖形液晶顯示模塊(如圖2)，顯示屏自帶背光，還有4個按鍵及蜂鳴器等，操作方便。

圖2 顯示器

由于開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備復(fù)雜，空間狹小，所以該檢測裝置要便于安裝，其大小和形狀都要進(jìn)行合理的設(shè)計，裝置實物如圖3所示，使用封閉的金屬殼，起到很好的屏蔽作用，有益于抗干擾。

圖3 裝置實物圖

3 信號處理模塊設(shè)計

3.1 紫外部分

高壓設(shè)備局部放電產(chǎn)生的紫外線大部分波長在280～400 nm的區(qū)域內(nèi)，也有小部分波長在160～280 nm，太陽光中也含有紫外線，但是波長小于280 nm的部分幾乎全部被臭氧吸收，稱為太陽盲區(qū)。為了去除可見光源的干擾，采用高靈敏度的日盲區(qū)紫外光敏管R2868來檢測局部放電產(chǎn)生的紫外光輻射。

由于紫外傳感器的工作原理是外界游離因素引起的自持放電，所以必須設(shè)計具有滅弧功能的紫外驅(qū)動電路。當(dāng)紫外線射入光陰極的表面產(chǎn)生光電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為負(fù)向的電流脈沖信號，經(jīng)前置反向比例放大電路，得到正向電壓信號。再進(jìn)行濾波處理，使之通過二階巴特沃斯高通濾波器，濾除低頻干擾。為了能滿足AD采樣電路的輸入要求，還需進(jìn)行正向放大調(diào)整，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將信號送MCU處理器作進(jìn)一步的處理。紫外光電信號處理框圖如圖4所示。

圖4 紫外光電信號處理框圖

3.2 超高頻部分

超高頻天線用于接收局部放電產(chǎn)生的超高頻信號，它性能的好壞至關(guān)重要，考慮到適用于開關(guān)柜的體積及成本因素，本裝置選擇鞭狀天線來進(jìn)行設(shè)計。

圖5 超高頻電信號處理框圖

超高頻電信號處理框圖如圖5所示。從天線接收到的信號輸入電路后為超高頻電壓信號，經(jīng)過傳播途中的繞射及反射，信號強(qiáng)度十分微弱，無法直接處理，所以在提取有用信息前先通過一個放大器，以保證放電信號到達(dá)信號調(diào)理單元時信號的功率幅值符合其輸入范圍。本部分采用高集成度放大器ADL5521，它的工作頻率范圍為 400～4 000 MHz，能夠提供低噪聲和高增益。

超高頻信號在處理過程中極易受到干擾，而且頻率很高，一般的A/D采集卡的采集頻率很難達(dá)到要求，但是局部放電測量通常只關(guān)心信號的峰值及其出現(xiàn)的相位，將超高頻信號無失真地采集下來也意義不大，且數(shù)據(jù)量極大，數(shù)據(jù)處理難度高，所以采用混頻電路降低局部放電超高頻信號的頻率。本裝置選用的混頻器為雙差分對平衡混頻器(AD831)，并采用了切比雪夫逼近設(shè)計了20 MHz帶寬的5階切比雪夫I型LC低通濾波器，將混頻后的和頻分量濾除，輸出差頻分量。

檢波電路的作用是將低通濾波器的輸出信號進(jìn)行檢波(包絡(luò)提取)和放大。由于局部放電超高頻信號電平的動態(tài)范圍較寬，對數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)要求較高，增加了數(shù)據(jù)采集卡的選用難度。因此在設(shè)計檢波電路提取信號包絡(luò)的基礎(chǔ)上，將輸入電平幅度作對數(shù)運算，以此來壓縮信號電平范圍。用ADI公司的一款解調(diào)對數(shù)放大器ADL5513，能夠精確地將射頻(radio frequeniy，RF)輸入信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的分貝標(biāo)度輸出。

4 試驗數(shù)據(jù)與分析

4.1 試驗方法

為了驗證該檢測裝置的局部放電檢測能力，用剛出廠未投入使用的開關(guān)柜進(jìn)行模擬試驗，打開斷路器開關(guān)，使母線形成了對地的電容，用銅絲從A相引出，構(gòu)成棒極，B、C兩相用導(dǎo)線相連，構(gòu)成板極，銅絲尖端與B相留有間距，形成局部放電間隙，與BC相母線對地電容串聯(lián)，并與A相母線對地電容并聯(lián)，這樣就構(gòu)成了經(jīng)典的電容局部放電回路，模擬棒－板電暈放電。該方法在棒－板間隙被擊穿時，不至于使電源短路損壞，并通過對地電容的充、放電，使放電過程不斷循環(huán)。把檢測裝置安裝在開關(guān)柜橫梁上，人為給A相加壓，從1 kV緩慢升壓，直到產(chǎn)生明顯電弧擊穿，記錄該裝置不同電壓等級下的紫外脈沖數(shù)和超高頻脈沖數(shù)，這些脈沖數(shù)是裝置每10 s鐘內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)。棒－板間距可調(diào)，每組按棒－板間距為1 cm、0.5 cm進(jìn)行試驗檢測，每點測量5次。

4.2 數(shù)據(jù)及分析

試驗數(shù)據(jù)如表1所示，分別列出了電容型放電間隙間距為1 cm和0.5 cm的紫外、超高頻脈沖數(shù)，實驗時開關(guān)柜柜門是打開的，且現(xiàn)場通風(fēng)條件較好，熱傳遞迅速，因此在測試過程中，溫度基本維持在28℃～29℃。

由表1可以看出，隨著所加電壓的上升，測得的紫外脈沖和超高頻脈沖數(shù)都有明顯升高，符合電場強(qiáng)度越強(qiáng)，放電越明顯的規(guī)律。因此，可以通過分析脈沖數(shù)目的多少來判斷設(shè)備的放電程度。對比不同電壓等級下的兩組數(shù)據(jù)可知，相對0.5 cm棒－板間距，1 cm時放電強(qiáng)度更強(qiáng)，這也符合放電的規(guī)律，因為隨著間距的增大，電場分布越不均勻，越容易產(chǎn)生放電。此外，當(dāng)產(chǎn)生放電現(xiàn)象并不嚴(yán)重，還未衍生至可見電弧光時，系統(tǒng)依然能夠可靠報警，從而可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)潛在的故障點，確保現(xiàn)場設(shè)備持續(xù)、安全、有效地運行，提高供電可靠性，為開關(guān)柜的運行狀態(tài)提供診斷數(shù)據(jù)，為狀態(tài)檢修提供依據(jù)。

表1 開關(guān)柜局部放電測量10 s內(nèi)的脈沖數(shù)

5 結(jié)論

研究了紫外光技術(shù)和超高頻技術(shù)綜合檢測局部放電的聯(lián)合測量法，進(jìn)行了開關(guān)柜局部放電綜合檢測裝置的設(shè)計，并進(jìn)行了模擬棒－板電暈放電檢測試驗。試驗結(jié)果表明如下。

1)該裝置能夠準(zhǔn)確檢測不同強(qiáng)度的放電，并能相對反應(yīng)放電強(qiáng)度的大小。在開關(guān)柜中，可以通過設(shè)置不同強(qiáng)度的電弧檢測閥值，提高繼電保護(hù)的靈活性。

2)當(dāng)有局部放電發(fā)生時，裝置能夠反映出較大強(qiáng)度的放電信號，不同電壓等級下和棒板間距體現(xiàn)出來的放電強(qiáng)弱符合放電規(guī)律。

3)該裝置具有動作時間快、抗干擾能力強(qiáng)、虛警率低、靈敏度高、費用低等優(yōu)點，在檢測過程中不必提供高壓測試電源、不必停電，也無需消耗較多的人力物力，安裝方便。

根據(jù)獲取的紫外和超高頻數(shù)據(jù)，再結(jié)合每相電壓、電流情況，對開關(guān)柜的運行狀態(tài)進(jìn)行綜合的分析評判，從而及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)潛在的安全隱患，確保現(xiàn)場設(shè)備持續(xù)、安全、有效地運行，提高供電可靠性。

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