高压开关柜局部放电检测技术的应用研究
摘要：首先介绍开关柜局部放电检测的2种实用技术，然后再介绍局部放电数据的常用分析方法及测量仪器，最后对开关柜进行现场测试及分析。
关键词：局部放电；检测技术；开关柜
中图分类号：TP207 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）32-7755-03
高压开关柜以其可靠性高、体积小等在电力系统中广泛应用，其运行可靠性直接关系到供电质量和供电可靠程度。在长期运行中，高压开关柜受电、热、化学及异常状况影响形成绝缘劣化，易导致电气绝缘强度降低，甚至发生故障，这其中85%的绝缘特性劣化是由局部放电引起的。鉴于此，如何有效发现开关柜中的局部放电，及时检测潜在绝缘故障已成为电力监管部门日益关心并及亟待解决的问题。
1 开关柜局部放电检测技术
局部放电会以电磁能量（无线电波、光、热）、声能（声波、超声波）、气体（臭氧、氮氧化物）等方式释放能量。近年来，国内外相继提出了超声波检测法、光检测法、超高频检测法、电磁波检测法及电脉冲检测法等。开关柜属于封闭式设备，为了实现在线检测且不影响开关柜的运行状态，国内外的电力运行单位都倾向于采用非侵入式检测，非侵入式局部放电检测最实用的技术就是基于检测电磁频谱中的无线电频率部分以及超声波发射信号；在众多非侵入式检测方法中，目前以超声波检测法及暂态地电波检测法最为前沿。
1.1超声检测法
超声波检测法是基于局部放电现象发生时产生的机械信号的原理提出来的，超声波信号检测具有较好的抗电磁干扰能力，易于实现在线检测和空间定位。同时，超声波检测方法也有分类识别局部放电的潜力，便于更进一步的实现绝缘状态的细致评估。
局部放电时总会伴随着声发射现象，其产生的声波在各个频段都有散射，从几十赫兹到几十兆赫兹，而且各种频率所占的份量也各不相同。超声波（频率大于 20KHZ）就是其中的人耳无法识别的声波分量，声波遵循机械波的传播规律，声波以球面波的形式向四周传播，在不同介质中传播速度不同，不同介质交界处会产生反射和折射现象。
当其内部发生放电时，局部放电产生的声波信号（主要是超声部分）传递到开关柜表面时，在开关柜等设备外部安装超声波的检测装置，该检测装置包括接收器，放大器及指示器三个部件，整个检测装置的灵敏度主要是决定于接收器和放大器，而接收器又是超声波测量技术中最关键的部件。接收器的作用是将局部放电所产生的超声波尽可能多地收集到还能元件中，再由还能元件将超声波转换成一定频率的电信号。根据超声波检测局部放电的原理，可知超声波传感器接收由局部放电产生的频率高于 20KHZ 的信号，将超声波信号转换为电信号，经过一系列的处理后，得到表征局部放电的特征量，然后，根据特征量对绝缘缺陷的有无及严重程度进行判断；同时，可通过在开关柜表面布置多个声发射传感器组成定位检测阵列，通过计算声发射信号到达各个传感器的时差就可以对放电部位的三维位置进行定位，从而判断放电对开关柜的损伤程度。研究发现，在一定的局部放电条件下，超声波信号幅值与局部放电量大小成正比，即在一定的范围内，超声波信号幅值与局部放电量成正比。这样就可以根据超声波信号的幅值来判断放电量的大小。局部放电量大小是表征电力设备绝缘劣化程度的重要参数，因此，对开关柜局部放电产生的超声波信号进行准确的检测及分析，是判断开关柜绝缘状态行之有效的方法。
超声波定位法是根据局部放电产生的超声波传播的方向和时间来确定放电位置的。目前常用的超声波定位方法有：模式识别法、顺序定位法、球面定位法、双曲面定位法和V 型曲线定位法。
1.2暂态地电波检测技术
暂态地电波检测法是一种新的检测技术方法，其可以在开关柜运行的状态下进行，无论在线或离线监测都无需停运，可以及早发现开关柜绝缘缺陷，为采取针对性的检修策略提供有效的故障定位和内部放电诊断分析，且具有一定的抗干扰能力，能够提供较好的试验数据。高压开关柜发生局部放电时，由于电势高低的原因，电场能量会聚集到接地点相邻的接地金属部位，在开关柜表面金属上出现对地电流。局部放电是间断性发生的，导致对地电流大小不断改变，根据感应定律，在变化的电场周围会产生出磁场，而磁场以电磁波的形式对外传播。当开关柜的对地绝缘部分发生局部放电时，高压带电导体对接地金属壳之间就有少量电容性放电电量，这种电容性放电电量持续时间极短（通常为几纳秒），极小（通常为几兆分之一库仑）。当高压设备发生内部放电时，在接地屏蔽的内表面聚集放电量，根据电磁兼容原理，连续的金属箱体可以屏蔽电磁波对外辐射，因此，在设备的外部是无法检测到放电信号，但是屏蔽层通常会在电缆绝缘终端、垫圈连接处、绝缘部位等部位出现不连续，局部放电产生的电磁波就通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并且沿着设备金属箱体外表面继续传播，而当电容性传感器感应到这些电磁波后，会对地产生一定的暂态对地电压脉冲信号。
根据暂态对地电压的传播特性，可以知道距离放电点越近的位置，检测到的分贝值越大。所以开关柜内的放电源的位置确定，可以通过多个检测位置的测量值做出判断。信号的幅度在远离放电源后会逐步的衰减，但内部反射和沿不同路径的衰减程度不同，使得仅仅依靠多个位置的幅值来定位不够精确，因此，就出现更为精确的办法，利用时间差来确定。距离放电源较近的位置，肯定会是最先检测到高斯脉冲信号的。目前的最先进的信号采集电路已经能够分辨出信号之间的纳秒级差距，使得利用时间差来定位的可能性成为了现实。
横向分析适用于单个或多个开关柜测试数据比其他开关柜数据差别明显较大时采用，当某一或某几个开关柜的测试结果比其它开关柜的测试结果及现场背景值均大时，就可以判断此开关柜存在缺陷的可能性，暂态对地电压测试值的平均值[A=Tin]（[Ti]为所有开关柜不同测试部位的测试值，n为总的测试部位数量）、测试值偏移量[Δm%=Ti-AA×100%]。
纵向分析法是对不同时间的测试结果进行分析，得出开关柜局部放电的趋势分析，适用于判定为异常（关注）的开关柜缩短周期的检测判定，以开关柜为单位计算先后两次测试的平均值A1 和A2。其中A1、A2 按照[A=Tin]（[Ti]为所有开关柜不同测试部位的测试值，n为总的测试部位数量）、测试值偏移量[Δq%=A2-A1A1×100%]。
3 检测案例
3.1局部放电监测仪
Ultra TEV Plus+是一款高性能的手持式开关柜局部放电检测仪，它提供超声波和暂态地电压（TEV）两种检测模式，用于对开关柜等设备进行局部放电带电检测。
1） Ultra TEV Plus+
便携式多功能测量仪（Ultra TEV）主要用来初判是否存在局部放电， Ultra TEV plus+系统分别提供两种检测功能：超声波和地电波；超声波模式的主要参数：测量范围（-70dBμV～68dBμV）、精确度（±1dB）、传感器直径（16mm）外差频率（38.4kHz）、分辨率（1dB）、传感器中心频率（40kHz）、传感器灵敏度（-65dB）；超声波模式可有效避免空间的电气干扰，使用超声波模式前将探头朝向空气读取背景干扰噪声；测量前，根据开关柜类型和高度等选择超声波传感器，测量时，需将传感器对着缝隙以接收内部传出的信号。
地电波模式的主要参数有效检测频带（3MHz～80MHz）、分辨率（1dB）、精确度（±1dB）、测量范围（0dBmV～60dBmV、最大脉冲/周期数（665） 和最小分辨脉冲率（10Hz）；由于空间电磁脉冲（空间电晕、无线电、汽车内部某类高频干扰信号等）可穿透进入电房，在被测对象金属外壳上或之外的金属表面均会感应出地电位，对检测结果造成干扰。因此，测试前需要在电房金属门及空气中各进行一次测量，掌握干扰水平。
根据电网公司的经验，利用超声波功能检测时，认为相对读数超过7dB时应该引起重视，一般超过15dB时，人耳能够分辨处放电声响；地电波读数若超过20dB就应引起注意，同时，该读数应与被测电房的干扰读数、其他金属面板上的读数进行比对。上述的经验只是对开关柜内存在局部放电现象的一个定性判断。
2） 局部放电监测仪（PDM03）
局部放电监测仪（PDM03） 主要实现对局部放电点定位，可以持续监测局部放电信号，数据可以储存两个月；4个天线可有效屏蔽外部干扰，8个检测探头能全面检测局部放电信号并实现定位；数据可以在个人计算机上通过标准电子数据表分析软件包分析，得出短期局部放电剧烈程度值、每测量循环周期内的脉冲数量等局部放电参数。
3.2 案例分析
1） 开关房局部放电测试1
对某开关房进行局部放电测试，超声信号（28dB）和TEV（25dB）信号均超标，初步判定开关房内的开关柜存在局部放电现象，用PDM03进一步连续监测发现存在明显的局部放电信号。
这批开关柜为半封闭式SM6开关柜，结构较落后，投运已达10多年；另外，运行人员发现现场有臭氧味道，决定把这几台开关柜停运。最后经仔细检查，发现这些开关柜内部老化严重，有明显的铜锈和污渍，可能是引发局部放电的原因之一。
2） 开关房局部放电测试2
对某开关房进行局部放电测试，超声信号为27dB，TEV信号为0dB，发出 “嘶嘶”声，并伴随臭氧味。最后经仔细检查，现场看到电极腐蚀和A相黑色烧焦痕迹，结合以往开关柜局放测试异常处理情况分析，A相黑色烧焦痕迹可能是由于高压局部放电引起电缆外绝缘损伤，从而出现黑色烧焦痕迹；电极腐蚀可能是由于开关柜内潮湿引发电极腐蚀，进而引起电极表面爬电，该过程重复发生导致表面锈蚀加重。
3） 开关房局部放电测试3
对某开关房进行局部放电测试，超声信号为15dB，TEV信号为25dB，根据判断依据，该开关房不存在明显的局部放电信号；但仔细检查发现该开关柜内部外绝缘老化严重，电极存在明显的白色锈蚀。分析发现，开关柜内部外绝缘老化严重是由该类型开关柜的结构缺陷引起的，开关室上部与外界有气孔相连，当湿度和灰尘较大时时，且开关柜内的空气流通速率不够大，易使绝缘子表面积污；该开关柜环境潮湿，在裸露导体及绝缘交接部分容易出现凝露，继而在其表面发生闪络现象，重复发生的闪络导致铜电极的锈蚀加重。
4 结束语
局部放电检测是电力设备绝缘的主要试验项目，局部放电量等参数则是评价电力设备质量的重要指标。开关柜的超声波及暂态地电波检测技术，是开关柜进行局部放电实时检测基础，通过该项技术可以全面掌握开关柜的实时运行状况，并对之后一段时间内的绝缘状态进行预测，同时根据其绝缘状况采取合适的检修和维护策略。
参考文献：
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