高壓開關柜內部缺陷的局部放電信號特征研究

鄭瑩瑩 ，呂俊濤 ，黃 銳 ，周大洲 ，任敬國

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

高壓開關柜廣泛應用于電力系統的所有電壓等級變電站中，是站內電氣設備的重要組成部分。隨著狀態檢修工作的推進，開關柜運行檢修工作重點將逐步從停電例行試驗轉移到設備狀態檢測［1-3］。通過紅外成像、暫態地電壓、超聲波局部放電和特高頻局部放電檢測4種帶電檢測手段，實現對開關柜狀態的全面診斷。其中，紅外成像技術已經比較成熟，而局部放電檢測技術研究，尤其是內部缺陷的局部放電信號特征研究，直接影響基于不停電檢測的開關柜狀態檢修工作開展，對內部缺陷檢測的現場實用化技術和診斷判據有重要意義［4-7］。

1 高壓開關柜局部放電信號模擬試驗平臺

為實現高壓開關柜內部缺陷的局部放電信號識別和分析，搭建試驗平臺，物理模擬金屬尖端、懸浮電極、自由金屬顆粒和絕緣氣隙4種缺陷，并對每種缺陷的暫態地電壓、超聲波和特高頻局部放電信號進行分析。

高壓開關柜內部缺陷的局部放電信號試驗平臺包括無局部放電高壓電源、開關柜、數字式局部放電檢測系統、暫態地電壓、超聲波和特高頻檢測裝置及變電站局部放電檢測與定位系統PDS-G1500等，系統接線見圖1。

無局部放電電源由隔離變壓器T1和升壓變壓器T2組成，輸入采用380 V交流電源，輸出電壓最大為50 kV。隔離變壓器用于實現供電電源與試驗回路的隔離；升壓變壓器用于進行電壓調整，其高壓端串接一個1 MΩ的限流電阻，防止試品擊穿時回路電流過大而損壞變壓器。

數字式局部放電檢測系統包括耦合電容、測量阻抗和數字式局部放電儀。耦合電容與測量阻抗串聯，測量阻抗連接數字式局部放電儀，用于試驗回路局部放電量的定量觀測。整個電源設備連接處和設備內部均做了防電暈處理，高壓端為表面光滑的圓形鋁制均壓環且中間可引出高壓導線，試驗回路放電量小于2 pC。

變電站局部放電檢測與定位系統PDS-G1500用于實現暫態地電壓、超聲波和特高頻局部放電信號的檢測以及幅值分析、頻譜分析等功能。

開關柜模擬裝置從結構上分為4個部分，包括負荷開關、母線、電纜和控制保護等。負荷開關采用三工位開關，SF6氣體絕緣，環氧樹脂外殼結構，具有合閘、分閘和接地3種位置。

送電前需先確認負荷開關的狀態為接地，然后分開接地開關，再合負荷開關。停電時需先確認負荷開關的狀態為合閘，然后分開負荷開關，再轉至接地位置，然后再開門更換模型試品。某一相在進行加壓試驗時，需要確認另兩相及外殼可靠接地。

2 局部放電缺陷模型

目前，開關柜中最常見的內部缺陷模型包括金屬尖端、懸浮電極、自由金屬顆粒和絕緣件內部氣隙4種。其中，金屬尖端放電包括導體或柜體表面的毛刺、內部非移動金屬異物等；懸浮電極放電主要是松動部件的懸浮電位放電；自由金屬顆粒放電主要是金屬顆粒和開關柜部件之間的放電；絕緣件內部氣隙放電包括絕緣件內部空隙、裂縫等。4種缺陷的物理模擬模型如圖2所示。

圖2 缺陷物理模型

4種缺陷模型采用同樣的圓筒狀結構，上端為高壓電極，下端為接地端，中間采用有機絕緣玻璃作為支撐件，內部設置相應的缺陷模型。為提高絕緣性能，模型內部可充絕緣油。

金屬尖端模型采用高壓端向下延伸的金屬尖端結構。懸浮電極模型高壓端和接地端向內部延伸，形成小段距離的平板電極，電極間采用環氧樹脂澆注并內置小塊金屬片。自由金屬顆粒模型高壓端向下延伸形成較大的平板電極，在接地端上放入金屬顆粒。絕緣氣隙模型高壓端和接地端向內部延伸，形成小段距離的平板電極。高壓電極內置小塊金屬件與接地電極的環氧樹脂澆注件，兩者間形成氣隙。

按照以上設計原則，在試驗平臺10 kV開關柜內設置了4種缺陷模型如圖3所示。

圖3 缺陷實物模型

3 局部放電信號特征分析

采用數字式局部放電儀進行局部放電量標定，利用變電站局部放電檢測與定位系統PDS-G1500對4種缺陷的暫態地電壓、超聲波和特高頻信號進行幅值和頻譜分析。

3.1 金屬尖端局部放電信號分析

金屬尖端模型的起始放電電壓為5 kV，放電量為54.72 pC，放電幅值較穩定、次數較多，且分布在負半周的第三、四象限內，如圖4（a）所示。

金屬尖端放電的暫態地電壓信號幅值最大值約270 mV，頻率分布在 0～30 MHz范圍內，其中在4～10 MHz頻率范圍內信號較為豐富，且在5 MHz和8 MHz處有信號尖峰，如圖 4（b）和圖 4（c）所示。

金屬尖端放電的特高頻信號幅值最大值約75 mV，這是由于特高頻傳感器所適用的頻率高于300 MHz，針對低頻率的信號幅值響應略低。特高頻信號頻率主要分布在300 MHz以下，在150～250 MHz頻率范圍內信號較為豐富，如圖 4（d）和圖 4（e）所示。

金屬尖端放電的超聲波信號幅值最大值約250 mV，頻率分布在 10～120 kHz范圍內，在15～70 kHz頻率范圍內信號較為豐富，如圖4（f）和圖4（g）所示。由于超聲波信號時間跨度較長，且金屬尖端放電次數多，所以信號圖譜會存在混疊。

圖4 金屬尖端放電信號

3.2 懸浮電極局部放電信號分析

懸浮電極模型的起始放電電壓為3.5 kV，放電量為318.45 pC，放電次數少，且對稱分布在第一、三象限，如圖 5（a）所示。

懸浮電極放電的暫態地電壓信號幅值最大值約800 mV，頻率分布在50 MHz以下，在4～22 MHz頻率范圍內信號較為豐富，且在6.0 MHz、7.4 MHz、18.4 MHz和20.4 MHz處有信號尖峰，如圖5（b）和圖5（c）所示。

懸浮電極放電的特高頻信號幅值最大值約1.3 V，信號頻率主要分布在1.5 GHz以下，在200～400 MHz頻率范圍內信號較為豐富，如圖 5（d）和圖 5（e）所示。

懸浮電極放電的超聲波信號幅值最大值約270 mV，頻率分布在10～160 kHz范圍內，在75～90 kHz頻率范圍內信號較為豐富，如圖5（f）和圖5（g）所示。

圖5 懸浮電極放電信號

3.3 自由金屬顆粒局部放電信號分析

自由金屬顆粒模型的起始放電電壓為5 kV，放電量為14.25 pC，放電次數和幅值無規律，如圖6（a）所示。

自由金屬顆粒放電的暫態地電壓信號幅值最大值約60 mV，且與其他類型放電相比衰減時間較長。信號頻率分布在22MHz以下，在16～19 MHz頻率范圍內信號較為豐富，如圖6（b）和圖6（c）所示。

自由金屬顆粒放電的特高頻信號幅值最大值約320 mV，信號頻率主要分布在200 MHz～2 GHz范圍內，其中在300～400 MHz、0.5～1 GHz頻率范圍內信號較為豐富，且在350 MHz、900 MHz處有信號尖峰，如圖 6（d）和圖 6（e）所示。

自由金屬顆粒放電的超聲波信號幅值最大值約1.1 V，頻率分布在～120 kHz范圍內，在90～105 kHz頻率范圍內信號較為豐富，如圖 6（f）和圖 6（g）所示。

圖6 自由金屬顆粒放電信號

3.4 絕緣氣隙局部放電信號分析

自由金屬顆粒模型的起始放電電壓為2 kV，放電量為102.99 pC，放電信號呈正負半周對稱，如圖7（a）所示。

絕緣氣隙放電的暫態地電壓信號幅值最大值約600 mV，頻率分布在 3～30 MHz，在 3～10 MHz頻率范圍內信號較為豐富，且在8.5 MHz、4.5 MHz處有信號峰值，如圖 7（b）和圖 7（c）所示。

絕緣氣隙放電的特高頻信號幅值最大值約1.3 V，信號頻率主要分布在1.5GHz以下，在200～370 MHz、550～750 MHz頻率范圍內信號較為豐富，如圖7（d）和圖 7（e）所示。

絕緣氣隙放電的超聲波信號幅值最大值約8mV，信號幅值非常小。頻率分布在20～110 kHz范圍內，在20～40 kHz頻率范圍內信號較為豐富，且存在信號混疊，如圖 7（f）和圖 7（g）所示。

圖7 絕緣氣隙放電信號

4 結語

搭建高壓開關柜內部缺陷和局部放電信號模擬的試驗平臺，在實驗室環境下實現了金屬尖端、懸浮電極、自由金屬顆粒和絕緣氣隙等缺陷的模擬，并詳細地對各缺陷暫態地電壓、超聲波和特高頻信號進行放電量、幅值和頻譜分析，為開關柜的局部放電信號檢測、模式識別和診斷等提供了重要參考。