高壓開關柜局部放電檢測技術的思考

黃梓亮，許滋奇，肖發福

（單南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511493）

0 引 言

高壓開關柜是電力系統中的重要設備，但在實際應用中由于各種因素的影響，常常會發生局部放電的現象。如果不能及時發現這種現象，就會對電力系統的正常運行帶來嚴重威脅。從當前高壓開關柜局部放電檢測技術的應用情況來看，主要采用TEV局部放電檢測技術和超聲波局部放電檢測技術進行檢測。為了提升檢測技術的應用水平，對這一課題的探究十分必要。

1 高壓開關柜局部放電檢測技術的重要性

1.1 高壓開關柜局部放電現象簡述

高壓開關柜在電力系統中的主要作用是對系統輸配電的過程進行控制和保護。為了提高其功能性和安全性，采用交流金屬封閉開關。但是，實際應用中仍然會發生局部放電的現象。導致高壓開關柜發生局部發電現象的主要原因，在于某一絕緣結構發生故障。因此，發生故障的區域內絕緣結構會失效，經歷長時間的放電如果不能夠及時制止這種現象，就會導致內部主絕緣被電流擊穿，從而對電力系統的安全穩定運行造成極大破壞。高壓開關柜局部放電現象主要有兩種表現形式，一種是內部放電，一種是表面放電。內部放電主要體現為光、熱、化學氣體、電磁波等現象，而外部放電主要體現在聲、光和熱現象。

1.2 高壓開關柜局部放電現象危害

一旦高壓開關柜出現局部放電的現象，就會對電力系統造成兩種危害。第一，局部放電現象會破壞電力系統的絕緣結構，加劇電力設備的老化程度。高壓開關柜具有很強的電壓，在運行過程中會對設備內的絕緣結構造成不利影響。尤其是在長期強烈的擊穿作用下，絕緣結構的外皮會加速老化并受到破壞，而局部放電的現象越嚴重，設備絕緣結構的老化也就越嚴重。第二，局部放電現象會造成電能浪費。根據對比分析發現，同樣的高壓開關柜，存在局部放電現象的電能比正常電能多出12%左右的消耗。如果對這一現象發現不及時，將會造成極大損失。

2 高壓開關柜局部放電檢測技術的理論及應用分析

2.1 超聲波局部放電檢測技術

在發生局部放電現象時，分子會在放電部分產生激烈的撞擊運用。因此，放電部位的氣體會發生變化，突出表現為劇烈的收縮和膨脹，而這一現象會通過聲波的形式進行傳播。超聲波局部放電檢測技術是對這一現象進行檢測，根據局部放電現象對氣體體積造成的影響，檢測聲波頻率。一般局部放電的聲波頻率會達到20 kHz以上，符合超聲波的定義。因此，可以使用超聲波傳感器接收到檢測信號，從而準確判斷局部放電的情況。但是，超聲波局部放電檢測技術具有一定的局限性，因為局部放電現象發生時不僅會產生氣體聲波，還會混雜噪音聲波，影響檢測的效果。

2.2 脈沖電流局部放電檢測技術

脈沖電流局部放電檢測技術是當前得到普遍使用的檢測方法。它主要利用平衡和直接兩種方法對檢測回路中的脈沖電流進行測試。在局部放電過程中，高壓開關柜的電壓和電流都會發生相應變化。脈沖電流檢測技術可以檢測這一變化，計算局部放電的具體放電量，從而精準評估高壓開關柜的放電水平。脈沖電流檢測技術主要利用小于10 MHz的高頻線圈采集局部放電信號，由于頻率較低，因此檢測成本也相對較低，且能夠有效解決背景噪音的干擾。但是，脈沖電流檢測技術也具有一定的局限性，即無法屏蔽電磁波的干擾。因此，實際應用中需要對環境進行針對性選擇。

2.3 TEV局部放電檢測技術

高壓開關柜在發生局部放電情況時會產生電磁波，這種現象主要體現在內部放電的情況下。電磁波在內部傳播過程中，一般檢測技術下，檢測信號會遭到屏蔽，很難對局部放電現象進行準確檢測。大量研究發現，如果能夠將信號屏蔽層的位置進行轉移或者對電磁波進行干擾，就能夠降低電磁波對檢測信號的屏蔽作用。例如，將電磁波的位置轉移到絕緣部分、墊圈連接處或電纜絕緣終端等。另外，如果能夠加大電壓和電流，提高電磁信號的頻率，就有可能使檢測信號接收電磁波獲得檢測數據。TEV局部放電檢測技術正是利用這一原理，在應用時將絕緣部分、墊圈連接處或電纜絕緣終端等部位作為檢測信號傳播的介質，然后對泄露的電磁波進行感應，檢測出內部局部放電的實際情況[1]。

2.4 超高頻局部放電檢測技術

超高頻局部放電檢測技術的原理與TEV局部放電檢測技術具有一定的相似性。在局部放電過程中，電源附近會產生電磁波，且以球面波的形式進行傳播。由于高壓開關柜中具有金屬結構，因此電磁波會在內部產生發射作用。這一過程中，部分超高頻的電磁波會以反射的形式從絕緣部分、墊圈連接處或電纜絕緣終端等部分泄露，從而被信號傳感器感應到。因此，利用超高頻傳感器可以采集反射出的電磁波信號。在高壓開關柜的內部結構中，具有性能較強的傳播導體。電磁波可以通過這些導體實現大范圍傳播，減少超高頻傳感器檢測信號受到的干擾，保證檢測結果的精確性。由此來看，超高頻局部放電檢測技術與其他檢測技術相比較有著明顯的抗干擾優勢，但是其不能對局部放電現象進行定量分析。因此，它需要與TEV局部放電檢測技術綜合使用。高壓開關柜局部放電檢測技術對比表，如表1所示。

3 高壓開關柜局部放電檢測技術的設計

3.1 TEV局部放電檢測技術的具體設計

TEV傳感器的設計原理是電容耦合效應。傳感器在高壓開關柜表面會形成平板電容器，為了檢測結果的精準性，利用貼片的形式設計傳感器的結構；利用0.5 mm厚度的電容板板材作為設計材料，頻段設計為3 ～ 200 MHz[2]。

電容可用式（1）表示，其中C為電容，S為傳感器與外表面的接觸面積，d為電容器間距：

為了對高頻信號起到抑制反射作用，將容抗與后段信號調理電路的阻抗設計一致。下面用式（2）對其進行表示，其中f為原始信號的頻率：

3.2 超聲波局部放電檢測技術的具體設計

應用超聲波局部放電檢測技術時，選擇中心諧振頻率為30 kHz、150 kHz和300 kHz的傳感器與放大倍數為63 dB的寬頻放大器，分別利用頻率不同的傳感器進行測量。對測量結果進行頻譜分析，從而確認局部放電信號的范圍。同時，利用寬頻放大器增強電壓和電流，觀察頻譜上局部信號的變化情況，用LDS-6儀器檢測局部放電量。

根據實驗設計可以發現，超聲波傳感器的中心頻率為40 kHz，最小靈敏度為-68 dB，而靈敏度與傳感器距離的大小具有反向關系，即傳感器距離越遠，靈敏度相應下降。靈敏度與傳感器角度之間也有關聯，當角度為0°時，傳感器探頭的靈敏度最高為-25 dB；當傳感器角度為極限的-90°或90°時，傳感器的靈敏度會下降到最低值-38 dB。因此，根據超聲波傳感器感應放電模型的不同，采集檢測信號的靈敏度也不同。其中，空氣傳導式超聲波傳感器的靈敏度高于諧振式超聲波傳感器。由此可得，在利用超聲波局部放電檢測技術時，可以根據超聲波靈敏度不同，判斷高壓開關柜局部放電的類型[3]。

4 結 論

綜上所述，對高壓開關柜局部放電檢測技術的探究十分必要。高壓開關柜局部放電檢測技術對維護電力系統安全穩定運行具有重要意義，而TEV局部放電檢測技術和超聲波局部放電檢測技術都能夠精確測量局部放電的情況。實際應用中，檢測人員要對故障進行詳細判斷，加強對數據的檢驗和分析。

表1 高壓開關柜局部放電檢測技術對比表