變電站高壓電氣設備局部放電檢測方法研究

孫健

摘 ? ?要：一般認為高壓電纜在正常環境中的壽命為30年以上，不過由于電纜絕緣制造過程中氣泡滲入，或者安裝中接頭制作工藝、環境影響因素等，高壓電纜可能加速絕緣老化，急需對其運行狀態實時監測，以預防重大事故的發生。局部放電是電纜絕緣劣化的重要標志，有效地監測電纜絕緣的放電對于掌握其絕緣性能、控制運行風險意義重大鑒于此，文章結合筆者多年工作經驗，對變電站高壓電氣設備局部放電檢測方法研究提出了一些建議，僅供參考。

關鍵詞：變電站高壓電氣設備;局部放電檢測方法;研究

1 ?引言

局部放電之所以在很多情況下都會出現，是因為其形成的原因是多種多樣的。首先局部放電對于物體是否具有絕緣性質沒有要求;其次該現象可以發生在固相和液相中，而且在多種介質和混合的情況下也會發生。一旦電荷的運動出現異常導致電場不穩定，就有可能會造成局部放電，經過研究調查發現電荷的過集中分布是導致局部放電現象最主要的原因。如果絕緣物體的某一點，通常都是在尖銳部分，電荷的密度過大，就會引起放電。在進行后續的研究工作時，都要以此作為出發點。

2 ?局部放電涵義和特性

2.1 ?局部放電涵義

局部放電是一種比較常見而且釋放的電荷量并不多的一種放電現象。通常情況下在絕緣物體與空氣媒介相互接觸的地方，由于電荷的密度過大就會出現局部放電現象，通常這種小規模小程度的放電現象僅限于絕緣介質的表面，并不會深入到物體的內部當中去。

2.2 ?局部放電特性

日常生活中的局部放電現象大多發生在陰雨雷電天氣，建筑物如果不做好避電措施就會很容易引發火災。電網中所使用的電器元件有一些是絕緣材質的，在這些元件的表面存在著程度較大的局部放電現象，有時強度大的電荷運動也會在絕緣物體的內部造成這種現象，但是不會將在整個元件擊穿。由于局部放電現象在電網系統中出現的頻率很高，每一次都會對電器元件造成不同程度的影響。首先是元件線路的電阻會增大，使得線路的產熱增多進而加速元件老化。其次累計的局部放電會使得元件的絕緣表面逐漸失去絕緣性能，最后會造成元件被擊穿，引起重大的供電事故。有些原件的材質是金屬的，局部放電現象為金屬表面的電化學反應提供了分子活化能，化學反應提供的能量是巨大的，嚴重的情況可以直接擊穿金屬元件，即便是輕微的局部放電，也會帶來連鎖反應。

3 ?局部放電對變電站高壓電氣設備的絕緣體具有致命性的破壞

通常表現為：（1）由于局部放電攜帶高能量的帶電粒子飛速四散，帶電粒子將猛烈沖撞電氣設備的絕緣材料，長期沖撞將使絕緣材料內部的分子結構變異，絕緣材料劣蛻，絕緣性能降低;（2）引起電氣設備絕緣材料局部溫度過高，局部升高過快，導致絕緣材料碳化、氧化;（3）造成工作現在的潛在危害，由于是高壓放電，工作人員長期在高壓漏電的環境下工作，無法保證自身安全，嚴重時會危及生命。

4 ?變電站高壓電氣設備局部放電檢測方法研究

4.1 ?基于旋轉攝像頭的圖像采集設計

采用XilinxFPGA進行動態視頻圖像采集系統，其主要包括攝像頭、圖像采集單元、圖像數據儲存單元、VGA顯示驅動單元。攝像頭為360°旋轉的OV7670攝像頭，其像素為30W，采用雙口通訊的RAM進行數據存儲，顯示圖像窗口尺寸為320x240，實施立體圖像無死角圖像采集。其中攝像頭配置為采用SCCB協議進行數據通訊，SCCB也稱為I2C總線。PC接收到攝像機收到的圖片時，使用結合Sobel算子的四幀差分法算法步驟分析圖片，以用于指導啟動哪些傳感器。在分析圖像時，首先對采集到視頻圖像的序列中連續的兩幀圖像做差分運算，這樣可以獲取現場傳感器（超聲波檢測單元、紅外線檢測單元或特高頻檢測單元中）的運動輪廓。當在監控過程中出現異常物體運動時，相鄰的兩幀圖像之間會出現比較明顯的差異，將具有差異的兩幀圖像相減，得出圖像相應位置的像素值之差的絕對值，進一步判斷該絕對值是否大于設定的閾值，從而分析所采集到傳感器的運動特征。

4.2 ?特高頻局放檢測

局部放電的特高頻檢測技術是應用寬帶高頻傳感器檢測GIS內部局放電流激發的頻率介于300MHz～1.5GHz區間內的電磁波信號，以此來表征GIS內部發生局部放電的物理狀態。特高頻局放檢測儀僅在該間隔相線路側隔離開關氣室氣通盆子和電流互感器氣室與斷路器氣室間的氣隔盆子處檢測到異常局放信號。局放信號的極性效應不明顯，放電幅值較分散且相位分布較均勻，初步判斷為自由金屬顆粒放電缺陷。異常局放信號幅值明顯強于測點，且放電次數更多，因此推斷局放源位置更靠近測點，疑似在接地開關附近。由于兩個盆子的距離過近且其他盆子均未檢測到異常信號，因此不適用于利用時差法對局放源進行定位。

4.3 ?常用檢測方法

局部放電檢測方法有電測法和非電測法。根據局部放電過程中所產生各種放電現象，高壓開關柜常用局放檢測方法有ERA法（脈沖電流法）、超聲波（AE）檢測法、光測法、化學檢測法、紅外檢測法、射頻檢測法等。

4.4 ?超聲波局放檢測

通常局部放電產生的超聲信號先在SF6氣體中傳播，遇氣體/殼體耦合界面后轉為在金屬殼體中傳播。自由金屬顆粒與局部放電所產生的超聲信號有所不同。自由金屬顆粒受電場力和重力影響在筒體內部不規則跳躍，與金屬殼體碰撞后產生的超聲信號直接在金屬殼體里傳播，不會受到SF6氣體的衰減。因此，超聲波局放檢測對自由金屬顆粒具有極高的檢測靈敏度。

4.5 ?暫態對地電壓（TEV，也稱地電波）檢測法

局部放電產生的電磁波，通過屏蔽層不連續部分在設備表面產生感應電流，設備表面存在波阻抗進而在設備外層形成一個暫態對地電壓（TEV）。暫態對地電壓檢測法就是充分利用這一原理，采用電容耦合探測器對局部放電的幅值和放電脈沖頻率進行檢測。

4.6 ?局放放電檢測應用

地電波（TEV）和超高頻（UHF）檢測技術在局部放電在線檢測中具有不可替代的重要地位，主要是由于地電波（TEV）和超高頻（UHF）檢測技術通過檢測電磁信號判斷局部放電情況，充分利用了高壓開關設備電磁波以波導的方式傳播的結構特點，增強了檢測的靈敏度，所以受到廣泛應用。但是局部放電具有一定的復雜性，不同運行環境、不同絕緣介質、不同類型條件下會產生不同的局部放電現象，所以產生的電磁波范圍也會相應有所不同，地電波頻帶范圍為3MHz～100MHz，超高頻頻帶范圍為0.3～3GHz，所以如果開關柜局部放電現象產生的電磁信號頻率超出地電波（TEV）和超高頻（UHF）檢測技術檢測范圍，則局部放電現象無法被檢測到，這時就要通過超聲傳感器等其他傳感行彌補地電波（TEV）和超高頻（UHF）檢測技術的不足;除此之外移動通訊信號，廣播信號、電子圍欄、照明燈、SF6測漏裝置、軌道交通、電表柜、空調、二次回路等產生的電磁信號也會對地電波（TEV）和超高頻（UHF）檢測技術檢測結果造成影響和干擾，此時干擾來源的判斷，直接影響局部放電是否存在。

5 ?結束語

總而言之，如果將圖像采集技術與傳感器檢測技術相結合實現變電站高壓電氣設備的局部放電檢測，大大提高了檢測的精度。無需工作人員在場，便可實現實時遠程檢測，電力工作人員只需通過軟件分析的數據即可獲取現場檢測情況，并根據數據分析調整檢測措施，大大提高了檢測工作的安全性。

參考文獻：

[1] 張洋.GIS局部放電帶電檢測技術研究與應用[D].華北電力大學，2018.

[2] 姜文賢，陳君寶，胡海濤.鐵路牽引變電站高壓開關柜局部放電檢測技術及裝置的研究[J].電工文摘，2017（5）：76～79.

[3] 王新星.變電站主要設備狀態監測技術及應用研究[D].華北電力大學，2017.

[4] 楊玉洲.GIS局部放電檢測技術應用研究[D].華北電力大學，2017.

[5] 王立兵.GIS局部放電帶電檢測技術在保定供電公司的應用研究[D].華北電力大學，2017.