地電波法在開關柜局部放電檢測中的現場應用

任 重

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001）

金屬封閉式開關柜的絕緣狀態影響著變電站的安全穩定運行，通過局部放電檢測能夠及時有效發現設備的絕緣隱患，防止放電發展造成的絕緣劣化甚至設備故障，保障供電可靠性[1-3]。采用暫態對地電壓（Transient Earth Voltage，TEV），又稱地電波法檢測開關柜局部放電具有靈敏度高、抗干擾性強、易于定位以及可帶電測試等優點，近年來在國內發展較快，取得了大量的研究成果[4-7]。

然而，由于地電波法檢測局部放電在國內電網應用時間較短，實際運行經驗較為缺乏，變電站依然存在難以充分挖掘儀器功能，快速準確診斷開關柜絕緣狀態的情況。本文就開關柜局部放電帶電檢測的原理和方法、放電源的精細定位、現場干擾的排除等方面，結合現場測試出現的幾個常見問題加以討論，為開關柜的狀態評估和故障診斷提供幫助。

1 地電波法原理

金屬封閉式開關柜內部導體表面金屬毛刺、柜體內自由移動金屬顆粒、斷路器觸頭接觸不良以及絕緣件破損或表面污穢等隱患都可能造成局部放電，由于集膚效應的影響，放電電量優先聚集在與放電點相鄰的接地金屬部分，形成電流脈沖向各個接地體傳播，如果開關柜接地屏蔽連續，則電流脈沖只出現在屏蔽層內表面，但實際上屏蔽層通常在墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現縫隙，使得電流脈沖流向屏蔽層外表面，形成暫態對地電壓，地電波法就是通過測量開關柜外表面的暫態對地電壓，檢測柜內的局部放電，對設備進行故障診斷，如圖1所示。

圖1 地電波法檢測原理

當開關柜內發生局部放電時，產生的高頻電磁波還會通過氣體絕緣介質向四周傳播，采用超高頻天線也可以在柜內或柜外檢測到放電信號，但其檢測原理與地電波法不同，如果現場試驗人員不能準確加以區分，常常會出現沒有將地電波傳感器緊貼接地柜體的情況，此時若繼續檢測依然可以測到放電信號，但只是空間電磁波信號在傳感器內耦合電容上產生的微弱感應電壓，這就容易給相關工作人員準確評估開關柜內的放電嚴重程度，合理制定試驗和檢修策略帶來誤導。圖2為傳感器正確使用方法與錯誤使用方法的比較。

圖2 傳感器正確使用方法與錯誤使用方法

2 放電源的定位

采用地電波法可以對開關柜內局部放電的放電源進行定位，但現場測試時此功能常常不能得到合理充分運用。

在粗略判斷放電源位置時，可根據單一的信號檢測強度進行多點移動測量，也可比較不同探頭的信號檢測強度，所測得放電幅值大的探頭一般距離放電源較近，但由于信號衰減和折反射的影響，這種方法誤差較大，不能用于精細定位。如果需要對放電源的空間位置準確獲取，則要采用四個檢測探頭，根據不同探頭檢測信號的響應時間差，計算放電源的空間位置，為故障源排查和設備檢修提供參考。如圖3所示，分別定義四個檢測探頭和放電源的空間坐標為（x1,y1,z1），（x2,y2,z2），（x3,y3,z3），（x4,y4,z4），（x0,y0,z0），探頭1和探頭2的信號響應時間差為Δt1，探頭2和探頭3的信號響應時間差為Δt2，探頭3和探頭4信號響應時間差為Δt3，電流脈沖的傳播速度為 v，則可列方程組如式（1），通過該方程組可以計算得到放電源的空間坐標。值得注意的是，傳播速度v并不是光速c，而是為導體的介電常數。

圖3 放電源定位示意

3 現場干擾排除

3.1 現場干擾及簡單處理措施

現場檢測金屬封閉式開關柜內的局部放電信號時，干擾常常會影響測試效果，進而影響工作人員的分析和判斷，因此需要對干擾進行排除。然而在不同地區開關柜的運行環境可能千差萬別，現場干擾也會有所差異，這就給干擾的抑制和甄別帶來了困難。

根據電網實際運行經驗和理論研究可知[8-10]，局部放電檢測的干擾源，主要可以分為連續性干擾、脈沖性干擾和白噪聲（背景噪聲）。而地電波為高頻電磁信號，主要干擾源為其他放電信號的高頻分量及高頻波，例如無線基站、軌道交通、飛機噪聲、照明燈具、氖泡有電顯示器、陰雨天架空線產生的電暈、在電纜頭上安裝的耦合器等，如圖4所示。

圖4 現場產生干擾的設備

這些干擾會造成數據超標，儀器報警，給試驗人員的判斷帶來誤導，因此，在現場測試前要盡量規避這些干擾源，具體的規避措施下面加以簡要介紹。

1）無線電干擾

防止無線電干擾對檢測儀器的影響，可以將檢測儀器放入特質的電磁屏蔽盒中，數據傳輸線路盡量短，或采用光纖傳輸線等。

2）大功率電力設備

電動機、電鉆、繼電器、電梯等設備通斷產生的電流劇變及伴隨的電火花產生的干擾，不屬于連續干擾，可以通過地電波探頭和跟蹤示波器提取有效特征進行甄別，如果是上述干擾（在開關柜內部無局放產生的情況下），得到的信號相位必然是隨機的。

對于電力系統中的非線性負載（如電弧爐等）、不間斷電源（UPS）等同態電源轉換設備產生的干擾，主要是由于負載切換纏上大量諧波涌入電網所造成，這可以通過對電網運行狀態的同期監測予以去除。

3）電暈干擾

如果發現有較為固定的電暈干擾情況，應該對測量環境周圍的設備金屬連接處，高壓線路端頭、桿塔以及其他一些可能引起強烈電暈的地方予以檢查，保證其緊密連接，減少電暈，也可采取加裝屏蔽盒、采用較短測量傳輸線或采用光纖傳輸手段抑制電暈干擾的傳輸途徑。

4）天氣濕度的影響

根據長期檢測的歷史數據可以建立放電強度與大氣濕度等關系的數據庫，如果是在陰雨或潮濕天氣下測得的數據，可以對當前測量值與歷史數據進行比對，分析出現的異常數據。如果沒有大量的歷史數據，就必須在相近大氣濕度或確定在晴天進行測量，保證條件一致性。

3.2 干擾信號消減策略

干擾信號進入檢測系統的途徑有空間耦合、地線、電源以及通過測量點四種。前三種主要通過增強屏蔽、電源濾波、單獨接地等方法可以將干擾抑制到足夠小的水平。干擾及其進入試驗回路的途徑如圖 5所示，M 為鄰近試驗回路的金屬物件；UA為電源干擾；UB為接地干擾；UC為經試驗回路雜散電容C耦合產生的干擾；UD為懸浮電位放電產生的干擾；UE為高壓各端部電暈放電的干擾；UF為試驗變壓器的放電干擾；IB為經試驗回路雜散電感M耦合產生的輻射；IC為耦合電容器放電的干擾。

圖5 干擾及其進入試驗回路的途徑

對于干擾信號的消除，主要從干擾源、干擾途徑、信號后處理三個方面來考慮。直接消除干擾源和切斷干擾路徑是最有效最根本的方法，例如改進結構，合理設計電路，增強屏蔽，保證連接處緊密穩定和清除現場孤立導體，而對于各種耦合進入監測系統的干擾，除了加裝濾波器等硬件外，數字處理方面則可通過信號處理的辦法解決，可以建立一個分層式綜合模型，如圖6所示。

圖6 四層數字處理系統

3.3 干擾甄別技術

1）現場測試前，先評估周圍環境的噪聲水平，多次檢測背景噪聲波形，然后檢測開關柜局部放電信號，兩次檢測相隔時間不能太長，在后期的數據分析中再將放電信號與噪聲信號進行比較。

2）采用局部放電檢測對開關柜絕緣狀態進行監測和診斷，可根據測量數據的歷史變化來推測絕緣狀態的發展趨勢（縱向比較）。另外，同一變電站的高壓室內通常都安裝有多面開關柜，有的甚至為同一型號，在短期內可對一個變電站普測完畢后通過比較多面開關柜的測量結果可有效揭示異常情況（橫向比較），如圖7所示。

圖7 多面開關柜的地電波測量結果比較

3）在電磁噪聲比較強的環境中，充分運用地電波儀器的雙通道響應功能，第一個通道Ch1測量薄鋼板上的噪聲水平，另外一個通道Ch2測量開關柜上信號，若Ch1先于Ch2觸發，則可以認為是干擾。

4）結合其他檢測手段綜合測量，比如超聲波檢測法和超高頻檢測法。超聲探頭的檢測頻段在幾十kHz到幾百 kHz之間，超高頻天線的檢測頻段在300MHz到 3GHz之間，都與地電波探頭的檢測頻段不同，聯合使用可以有效避開周期性干擾和脈沖性干擾。另外，將地電波傳感器和高頻電流互感器（HFCT）、數字示波器組合，可有效測得局部放電波形，再采用窄帶濾波、小波去噪等處理方法，也能達到較好的放電波形提取的效果。

3.4 干擾處理效果

在現場檢測開關柜局部放電信號時，分別采用加裝屏蔽盒、模擬濾波和小波降噪的方法處理干擾。

圖8為在檢測儀器外面加裝屏蔽盒的干擾處理效果，在裝屏蔽盒前，由于外部電磁信號的影響，放電脈沖序列的背景噪聲帶較寬，信噪比較低，不利于放電信號的提取和分析，加裝屏蔽盒后，背景噪聲明顯減弱。

圖8 加裝屏蔽盒效果

圖9為在傳感器后端裝模擬濾波器后，對放電脈沖波形的處理效果，濾波前，放電脈沖下降沿有較大幅度的過沖和振蕩，濾波后，過沖和振蕩都得到了有效的削減，有助于脈沖波形的特征提取。

圖9 模擬濾波效果

圖10為利用小波降噪算法，對檢測信號處理的效果，在降噪前，現場噪聲很大，幾乎淹沒了放電信號，通過多層小波分解后，噪聲信號被有效的消減，清晰的脈沖序列得到提取。

圖10 小波降噪效果

4 結論

本文通過對地電波法帶電檢測開關柜局部放電的原理、定位方法和現場干擾排除等問題進行討論，為現場工作提供了參考。

1）雖然都是檢測局部放電的電磁波信號，但地電波法的檢測原理與超高頻天線的檢測原理不同，地電波法采用電容耦合方式提取暫態對地電壓，測試時傳感器需要緊貼接地柜體。

2）采用地電波法粗略定位放電源時，可根據傳感器的信號響應幅值判斷，但要精細定位放電源的空間位置時則需四個傳感器，并根據傳感器的響應時間差計算得到。

3）開關柜局部放電檢測的現場干擾抑制可根據干擾源靈活采用應對措施，并采用縱向比較法、橫向比較法和多種檢測方法聯合測量等技術有效甄別干擾，提取放電信號。

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