開關柜局部放電傳感器監測方案及仿真研究

謝榮斌，馬春雷，朱 俊，薛 靜，張 霖

(貴州電網有限責任公司貴陽供電局，貴州 貴陽 550000)

高壓開關柜是一種集測量、控制、保護功能于一體的電力設備，在電力系統中的發電廠、變電站中大量安裝，對電網的安全運行發揮著至關重要的作用。由于生產工藝存在局限性，經過長期運行后開關柜內會形成各種形式的局部放電(簡稱“局放”)，并可能引起一系列絕緣故障發生。根據不完全統計，開關柜絕緣故障引起事故的臺次占開關柜總事故臺次的68%和事故總容量的74%，是引起開關柜事故的主要原因。因此，及時監測到開關柜內的局部放電并進行診斷，進而發現潛在絕緣故障，就可以有效減少事故發生，提高設備及電網的穩定性[1]。

文獻[2]基于Vivado設計開發了一套配電開關柜絕緣在線監測及防凝露調控系統，實現對開關柜的防凝露調控。文獻[3]針對高壓開關柜局放問題,采用監控裝置對開關柜現場進行監測，并通過工業電荷耦合器件(CCD)攝像機進行實時變換立體空間,從而360°無死角地實現開關柜監測的視頻、圖像采集，并引用結合Sobel算子的四幀差分法，對所采集到的視頻、圖像進行計算、分析。文獻[4]提出了采用超聲波技術的開關柜局部放電超聲波定位方法，該方法可忽略波形模態的影響,無需直接進行時延估計。文獻[5]針對運行中的開關柜尋找到一條在帶電情況下可利用局放信號提取回路,設計了專用開口式高頻寬帶電流傳感器,實現開關柜組局放在線監測功能。文獻[6]詳細介紹了高壓開關柜局放方面的監測技術，在科學的檢測技術下，使得相關電力人員可以在最短的時間內掌握局部放電現象的原因和部位，最快恢復高壓開關柜的正常運轉。

暫態地電波(Transient Earth Voltage，簡稱TEV)局放監測方法的主要應用方式是定期的帶電巡檢，不僅會消耗大量的人力物力，還會因為監測人員水平和經驗的不足而導致漏判誤判。由于對開關柜內部局放位置與嚴重程度尚未進行深入研究，分布式傳感器節點部署位置并未有實際方案。

基于開關柜絕緣故障的原理，提出一種改進的TEV局部放電檢測方法，傳感器采用非侵入式監測手段實現在線監測，可以發現一些潛在的絕緣故障。對開關柜內部局放位置進行研究，結合傳感器數據采集特點進行開關柜的局部放電監測，優化監測效果。仿真及試驗結果驗證了本文方法的有效性和可行性。

1 開關柜內局放電磁波傳播機理

利用麥克斯韋方程分析開關柜內局放電磁波的傳播機理，可以得到均勻介質中電磁場的波動方程：

(1)

引入標量勢φ和矢量電勢A，分析得到方程的解：

(2)

由式(2)可知，局放所產生的高頻電磁波是沿著r方向進行的，傳播速度為v，這說明電磁波產生之后向周圍空間均勻輻射和擴散。

2 仿真分析

2.1 開關柜仿真模型的建立

受制于計算力與仿真時間的限制，在開關柜建模過程中僅保留一些主要設備[7-10]。

針對該類型開關柜進行仿真建模，柜體大小為800 mm×1 500 mm×2 300 mm，如圖1所示。

圖1 開關柜仿真模型(單位：mm)

各個組件材料的電磁參量如表1所示。

表1 各個組件材料電磁參量

2.2 仿真分析

通過仿真模型探究開關柜內電場強度的分布規律，以及局放脈寬、局放幅值與檢測距離對傳感器測量信號的影響。

(1)對開關柜內部的YZ平面內部的場強變化進行監測，如圖2所示。由圖2中場強的變化可知，在剛開始時，縫隙處的場強逐漸增大，在經過一段時間后，電磁波穿過開關柜縫隙向外部傳播，在時間為7.1 ns時，縫隙處場強比柜體中央表面大25 dB左右。由此可知，電磁波在經過縫隙時，一部分向空氣傳播，另一部分沿著開關柜表面傳播，形成暫態地電壓，并且在邊界處場強最大。

圖2 開關柜內YZ平面的場強變化過程

(2)探究局放源脈寬對TEV信號幅值的影響。不同放電源下脈沖寬度與TEV信號幅值的關系：檢測點的TEV幅值隨著電源脈沖寬度的增加而呈指數衰減，TEV的脈沖寬度也隨著電源的脈寬增加而增大。

(3)局放源幅值對TEV信號的影響。在開關柜外表面上設置分布式傳感器的探測單元檢測暫態地電波信號。結果表明，局放源的幅值越高，傳感器監測到的局放信號幅值越強。

(4)檢測距離對TEV信號幅值的影響。對測量到的電壓幅值進行歸一化處理，結果表明，隨著監測距離由100 mm增加到600 mm時，傳感器采集的局放信號脈沖寬度穩定之后不變；而局放信號的幅值隨著監測距離的增大由47.72 μV逐漸減少到2.11 μV，顯然局放信號的幅值隨著局放源與分布式傳感器之間的監測距離增大而呈現逐漸衰減趨勢。

3 TEV分布式傳感器位置部署

開關柜內部局放產生的電磁波以球面波的形式向外傳遞[11-13]。在根據開關柜內易發生局放的位置設置監測點，比較在相同局放源下各監測點測量得到的局放幅值與方差大小，確定TEV分布式傳感器的部署位置。

(1)根據開關柜內易發生局部放電的位置，設置局放源與傳感器的部署點。

(2)對仿真的數據進行歸一化處理。計算各檢測點電壓幅值，如表2所示。

表2 各檢測點電壓幅值

由表2各個檢測點的電壓幅值可知，根據歸一化結果，由于放電位置的不同，開關柜外表面各個點的檢測情況不一樣，這與開關柜內部的結構有關，也與電磁波的折反射有關。實際開關柜在運行過程中，電纜放電發生的情況最多，因此綜合考慮之后，選擇前柜門左側中央l點作為最佳的傳感器安裝位置。

4 試驗驗證

針對仿真試驗得到的部署方案，進行試驗驗證。

依次在開關柜后柜門左上角、前柜門底邊G點、前柜門左側中央一級前柜門頂邊部署分布式傳感器。設置不同放電缺陷模型于開關柜中指定位置，證明前柜門中央處可以作為分布式傳感器部署點。

(1)電纜尖板放電的驗證。將局放傳感器放置在與仿真模型相對應的檢測點E，G，I和K的位置上，B相電纜終端放置尖板放電模型，計算不同檢測位置的波形幅值平均值及其歸一化幅值。尖板放電實測與仿真曲線如圖3所示。

圖3 尖板放電實測與仿真曲線圖

(2)電流互感器內部氣隙放電(Q2)的試驗驗證。計算不同檢測位置的波形幅值平均值及其歸一化幅值。氣隙放電實測與仿真曲線如圖4所示。

圖4 氣隙放電實測與仿真曲線圖

(3)斷路器支撐絕緣子沿面放電(Q3)的試驗驗證。將局放傳感器放置在與仿真模型相對應的檢測點E，G，I和K的位置上，B相斷路器支撐絕緣子下方表面附近放置沿面模型，同樣也記錄不同監測位置的波形幅值平均值及其歸一化幅值。沿面放電實測與仿真曲線如圖5所示。

圖5 沿面放電實測與仿真曲線圖

(4)斷路器懸浮放電試驗驗證。懸浮放電實測與仿真曲線如圖6所示。

圖6 懸浮放電實測與仿真曲線圖

由圖3至圖6可知，I點是該開關柜局放信號的TEV傳感器的最佳安裝地點(前柜門左側中央)，這與仿真驗證結果一致。

5 結語

開關柜制造成本較低，如果內部發生局部放電后，廠家往往選擇直接換用新的開關柜，對開關柜的保護措施較為薄弱。目前局部放電傳感器的部署主要排布于開關柜表面，但是對開關柜表面測量局部放電的最佳位置并未進行研究。本文建立仿真模型，通過仿真計算與試驗驗證，確定開關柜局部放電傳感器的部署位置，在盡量保證成本的基礎上，實現對開關柜局部放電的監測，具有很高的應用價值。