高壓開關柜局部放電在線監測研究

蒙 恩 徐 文 黃海龍 侯瑞云

(1.廣西電網公司北海供電局，廣西 北海 536000；2.南京新聯電力自動化有限公司，江蘇 南京 211100)

高壓開關柜局部放電在線監測研究

蒙 恩1徐 文2黃海龍2侯瑞云2

(1.廣西電網公司北海供電局，廣西 北海 536000；2.南京新聯電力自動化有限公司，江蘇 南京 211100)

首先對高壓開關柜局部放電在線監測的意義進行了闡述，接下來分析了局部放電的幾種主要類型及形成原因，隨后從軟硬件研究選擇及算法等方面論述了在線監測的原理與方法，并在此基礎上提出了在線監測系統的結構與實現方式，該在線監測系統對電網安全有著較重要的實際意義。

高壓開關柜；絕緣；在線監測；局部放電

0 引言

在電力系統的各種設備中，高壓開關柜是非常昂貴且重要的電氣設備。高壓開關柜安全運行對于電網安全意義重大。高壓開關柜內部絕緣部分的缺陷或劣化、導電連接部分的接觸不良等都會使其安全運行受到威脅，從而直接影響電網的安全可靠運行。有關數據顯示，全國電力系統6～10 kV開關柜事故統計中，絕緣和載流引起的故障占總數的40%，其中由于絕緣部分閃絡造成的事故占絕緣事故總數的79%。由于在事故潛伏期可能有局部放電現象，故可以通過局部放電的在線監測得到相關信息，來分析開關柜內部的絕緣情況。

1 高壓開關柜局部放電監測的意義

高壓開關柜的內部設備元件、支撐絕緣子、母線是到現場后才裝進開關柜中的，也只有在現場組裝完成后才能夠進行試驗。但是如果在現場進行高電壓耐壓試驗或局部放電試驗，比起在工廠里要困難得多。高電壓設備往往集成度較高，一旦發生了事故，其危害比起過去分立敞開式設備故障的危害要大得多，一個設備部件故障又會危及與之相鄰的設備部件，維修周期也要長得多。另外，開關柜產品越來越緊湊，導致絕緣裕度隨之減小，尤其在南方，夏季空氣比較悶熱潮濕，易造成內部絕緣部件的表面爬電，而且這種缺陷很難在柜體外面被人感覺到，近幾年來就發生多起開關柜內設備表面爬電的故障，因此非常有必要對高壓開關柜設備絕緣狀態進行在線監測。

目前，高壓開關柜內部的故障檢測一般都是在停電狀態下才能夠進行，而實施在線監測的比較少。由于各種原因，高壓開關柜常常不能按照要求周期性地停電進行檢測維修，導致開關柜內部的元件處于監測的盲點，部分元件存在失修及失控的問題，給高壓開關柜的運行帶來巨大的隱患，嚴重威脅供電安全。而且在兩次周期性檢修之間，高壓開關柜內部也依然處于監控的盲點，其運行情況我們無法得知，無法判斷那些潛在的隱患。設備一旦發生故障無法及時發現，將有可能發展成為重大事故，嚴重威脅有關人員及供電安全。開關柜的元件又全部安裝在開關柜內部，巡視人員無法觀察到開關柜內部的情況，所以高壓開關柜的在線監測系統就顯得尤其重要了。

由于在事故潛伏期間設備元件可能產生放電現象，故可以通過對放電信號的監測來得到相關信息。局部放電一般不會引起絕緣介質的貫通性擊穿，但是能夠導致電介質的局部損壞。局部放電的長期存在可能造成絕緣介質電氣強度的降低。局部放電對絕緣設備的破壞是一個比較緩慢的發展過程，對高壓電氣設備來說是一種潛在的威脅，所以測量局部放電特性可以反映設備的絕緣水平，是對高壓開關柜進行在線監測的一種有效方法。

2 高壓開關柜局部放電在線監測

2.1 局放類型

2.1.1 電暈放電

通常在氣體包圍的高壓導體周圍會出現電暈放電，比如高壓輸電線路或高壓變壓器等，這些高壓電氣設備的高壓接線端子暴露在空氣中，因此發生電暈放電的幾率相對較大。電暈放電體現出的是典型的、極不均勻電場的特征，也是極不均勻電場下特有的自持放電形式。很多外界因素均會對電暈起始電壓產生影響，比如電極的形狀、外加電壓、氣體密度、極間距離以及空氣濕度與流動速度等。

2.1.2 沿面放電

通常在絕緣介質表面會出現沿面放電的現象。這種局部放電的形式屬于特殊的氣體放電現象，電力電纜、絕緣套管的端部等位置比較常見沿面放電。一旦介質內部電場的強度低于電極邊緣氣隙的電場強度，而且介質沿面擊穿電壓相對較低，沿面放電就會發生在絕緣介質的表面。通常電壓波形、電場的分布、空氣質量、介質的表面狀態、氣候條件等均會對沿面放電電壓產生影響，所以沿面放電表現出不穩定的特點。

2.1.3 內部放電

固體絕緣介質內部比較常見內部放電。在生產加工絕緣介質時難免存在材料與工藝缺陷等問題，導致絕緣介質內部出現內部缺陷，比如摻入少量的空氣或者雜質等。一旦絕緣受到高壓作用，內部缺陷就有發生局部擊穿或者重復性擊穿的可能。通常介質自身的特性、氣隙大小、缺陷的位置與形狀、氣隙氣體的種類等會對內部放電的發生條件產生影響。

2.1.4 懸浮電位放電

這種局部放電的形式是指高壓設備中某個導體部件存在結構設計缺陷，或者其他原因導致接觸不良、斷開，最終造成該部件位于高壓電極與低壓電極之間，并根據其位置的阻抗比獲得分壓發生放電，針對該導體部件上的對地電位稱其為懸浮電位。導體具有懸浮電位時，通常其附近的場強會比較集中，而且會破壞四周絕緣介質的形成。一般在電氣設備內高電位的金屬部件或者處于低電位的金屬部件上容易發生懸浮電位放電。

2.2 開關柜及電纜局部放電的類型

開關柜和電纜的局部放電主要為2種：表面放電和內部放電。表面放電和內部放電都能夠導致設備的絕緣故障，甚至造成災難性后果。

開關柜及電纜主要放電情況如表1所示。

表1 開關柜及電纜主要放電情況

2.2.1 環境條件影響

(1) 溫度過高或過低。當開關長期在溫度過高的環境中運行時，易使開關的絕緣材質老化，從而降低絕緣水平。溫度過低容易使開關的絕緣瓷瓶和真空筒變脆，在開關合閘或分閘的過程震裂，造成開關短路或爆炸。(2) 絕緣表面積污。污穢物在絕緣表面的沉積有2種形式：降塵和飄塵，室內設備主要受飄塵的影響，污穢不僅影響絕緣的工頻耐壓特性，而且還會使絕緣沖擊性能大大降低。(3) 潮濕。在干燥的時候絕緣表面雖有污穢但電阻很高，不會發生污閃；受潮后污穢層電解質逐漸分解并在絕緣表面形成一層薄薄的導電液膜，使電氣設備的絕緣強度大大下降，甚至產生污閃。

2.2.2 設備本身原因

(1) 制造質量及工藝不良。制造質量及裝配質量對開關柜整體耐壓水平有很大的影響。如開關柜內的有些元件可以通過耐壓試驗，但開關柜整體卻通不過，原因是裝配質量差，如：緊周螺絲不規則，擰緊后螺桿長出螺母過多；在絕緣瓷套處作特殊處理，這樣不僅縮短了絕緣距離，而且造成電場局部集中；支持瓷柱或瓷套質量差，穩定性能差，在短路電流沖擊下發生斷裂，造成事故擴大。(2) 接點容量不足或接觸不良，發熱導致開關柜起火。當接點容量不足或接觸不良時，該處局部溫度升高，嚴重時燒斷該處載流部分，引起對地或相間閃弧，造成絕緣閃絡。(3) 爬距及空氣間隙不夠。爬距及空氣間隙不夠是開關柜發生絕緣損壞事故的根本原因。特別是手車柜，為縮短柜體尺寸，生產單位往往大幅減小裝于柜內的斷路器、隔離插頭相間距離或對地距離，未采取有效的保證絕緣強度的措施。

2.3 局放監測基本原理

當電氣設備發生局部放電時，會產生一定的局放脈沖。通過傳感器實時在線采集開關柜內部局放信號的主要特征量，包括局放脈沖次數n、脈沖幅值Ui和脈沖能量PDI，形成趨勢曲線圖，通過和特征數據庫進行比較分析判斷開關柜的絕緣狀況。PDI可作為判斷絕緣損壞程度的重要參數，其可表示為以下公式：

式中，T為測量時間；S為局放傳感器靈敏度；n為脈沖次數；Ui為脈沖幅值；Vr為被監控設備額定電壓。

2.3.1 頻率帶寬的選擇

研究設備發生局部放電時的頻域特性發現，頻寬范圍達到了數十千赫到數百兆赫。頻率與局放信號的傳送距離如圖1所示。

圖1 同一局放事件在不同距離的頻率截止點

由圖1可見，我們設定系統在1～20 MHz的較低無線頻率帶寬上運行。研究發現采用80 pF的電容傳感器采集局放信號，其等效電路的下限截止頻率在40 MHz左右，而干擾信號分量一般都遠遠小于該頻率，因此采用80 pF的電容傳感器，信號的信噪比較高，可以避免誤警現象。而且電容容量小，傳感器的體積小，容易安裝且壽命高，保證了被測試系統的安全性和可靠性。

在此基礎上，還可采用射頻電流互感器從電纜屏蔽線上拾取高頻放電信號，以發現開關柜饋線內部放電現象。射頻電流互感器監測的工作原理和射頻干擾場強儀相同，可以選擇測量的中心頻率和頻帶寬度為1～20 MHz，其輸出端連接報警裝置。當局部放電發生時，其放電電流信號通過中性點接地線流向接地點，通過高頻電流互感器耦合到監測回路，射頻可以監測到局部放電信號的強弱。由于所有的局放信號都會經過中性線，所以可以監測到整個范圍內的局部放電。

在1～20 MHz的PD測量頻率范圍，不僅可識別更多的局部放電，且較高的帶寬可以漏掉，信號的衰減要低得多，可以使PD檢測的距離更大，即使有可能是在此范圍內的干擾，也可采用先進的噪音過濾軟硬件解決這一問題。

2.3.2 抗干擾性研究

局部放電在線監測中，現場會引入大量的干擾，特別是1～20 MHz寬頻帶監測，由于采用了寬達數兆的頻帶，信號的靈敏度比窄帶系統和常規寬帶系統要高，但引入的干擾也多，信噪比要低。但頻率越高，噪音越低，衰減得越快。所以研究內噪聲的算法，以彌補在這一水平上的噪聲產生的干擾，同時保持一個可接受的衰減程度。因此，有效地抑制各種干擾，從強干擾中提取出局部放電信號，是系統可靠工作的關鍵所在。

根據干擾的時域特征，干擾分為周期性窄帶干擾、白噪聲干擾、周期性脈沖干擾和隨機脈沖干擾。在干擾抑制方面除采用常規算法外，還采用小波理論(用于邊界的處理與濾波、時頻分析、信噪分離與提取弱信號、求分形指數、信號的識別與診斷以及多尺度邊緣偵測)、自適應濾波等算法對各種干擾進行了相應的處理。例如，對于窄帶周期性干擾，研究了基于小波分解的自適應濾波算法，提高了自適應濾波算法的抗干擾性能和穩定性；對于白噪聲，研究了基于小波與隱式馬爾科夫模型(其狀態不能直接觀察到，但能通過觀測向量序列觀察到，每個觀測向量都是通過某些概率密度分布表現為各種狀態，每一個觀測向量是由一個具有相應概率密度分布的狀態序列產生)的局部放電信號去噪算法，對比傳統的門限去噪算法，該算法能獲得更高的信噪比；對于脈沖干擾，特別是隨機脈沖干擾，在大量測試數據的基礎上，進行了基于神經網絡的干擾抑制算法研究，采用信號的時域和頻域特征，利用神經網絡抑制隨機干擾，取得了很好的效果。在抑制單一干擾的基礎上，研究了基于小波空間屏蔽濾波的局部放電信號處理算法，利用小波空間屏蔽濾波器，進一步保留局放信號，抑制干擾，使得最后的信號信噪比大大提高，為局放信號的特征識別提前打下基礎。

所以，在硬件上，采用多級傳感器進行數據的同步采集，將潛在噪聲源納入測試分析系統；在軟件上，采用多個噪聲算法，根據在高頻范圍內局放脈沖與噪聲脈沖之間在頻率特性和靈敏度方面存在的差別來區分噪聲，使局部放電信號更為清晰。

2.3.3 局放界限設定

開關柜(10 kV)局放界限的設定如表2所示。

表2 開關柜(10 kV)局放界限設定表

在實際監測過程中，趨勢曲線分析比絕對數值分析重要得多。通常來說，每一個周期的脈沖數(PPC)的權重至少應該比電量(Q)大50%。所有數據的邏輯關系應該被看作或，而不是和。例如，開關設備/母線槽，電量是500 pC，但每一個周期的脈沖數是500，則應該被劃分為危險。

3 系統結構與實現

3.1 系統結構

開關柜局部放電在線監測系統采用分層分布式結構，共分3層：設備及傳感器層、監測預警設備層和分析診斷層。傳感器分布安裝在被監測設備上，實時采集電氣設備的局放脈沖信號，并傳輸到間隔層的監測設備中用于分析，如圖2所示。

圖2 系統結構圖

3.2 系統實現

開關柜的監測采用耦合電容傳感器(IPDS)，安裝在每相的母線和地之間，主要監測開關室的局部放電情況，包括母線、PT/CT、斷路器、套管等。分析軟件可以定位以傳感器為中心的局放分布情況，從而比較準確地檢測到故障點位置。

對有電纜饋線的開關柜，在電纜出線端安裝射頻電流互感器傳感器，穿過電纜接地屏蔽線采集電纜局放信號，可以監測最長300 m的電纜局放情況。

傳感器通過同軸電纜將信號傳送至預警設備層的數據采集裝置，采集裝置在將數據分析、存儲、處理后通過數據網絡傳送至電腦，進行軟件處理分析。

4 結論

通過監測高壓開關柜內部元件局部放電信息，可以有效、直觀地反映開關柜內部絕緣狀況，不僅能有效防止災難性故障的發生，而且使整個系統的運維成本得到了最佳控制，所以，基于局部放電技術監測開關柜絕緣狀況非常重要。本文主要工作結論如下：(1) 通過對局部放電特性的研究和開關柜內部絕緣劣化局放特性，分析了反映開關柜絕緣信息的局部放電三要素，通過監測、分析局放脈沖次數、脈沖幅值和脈沖能量，可直接反映開關柜的絕緣狀況。(2) 研究了開關柜內部局放信號的頻率特性，通過選擇1～20 MHz寬頻帶傳感器，可以高效合理地采集到可用的局放信號。(3) 通過不同算法提高系統的抗干擾能力，分別從軟件和硬件上分析處理，來提高局放信號的信噪比。(4) 搭建局放監測系統結構，使局部放電在線監測系統具備可行性。

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2014-06-03

蒙恩(1980—)，男，廣西南寧人，工學碩士，工程師，研究方向：電力系統運行及管理、高電壓技術。