开关柜局部放电检测技术及发展前景探讨

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　　摘  要：在整个电力系统中，高压开关柜起着发电、输电、配电以及电能转换、控制通断等作用，它的工作可靠性将直接影响电网的运行稳定性。从长远来看，高压开关柜中的绝缘材料会在电气、机械、环境温度等共同作用下发生绝缘劣化，容易导致电绝缘强度降低，甚至失效，极易导致电网发生停电故障。实践表明，局部放电是设备绝缘恶化，以致发生绝缘失效的主要原因，局部放电的在线监测已成为开关柜绝缘状态评估的主要方式。可靠、准确的局部放电检测可以直接反映电气设备内部的绝缘状态，有利于及时发现并排除潜在的绝缘故障，避免发生停电事故，从而提高供电可靠性，具有重要的实践价值和实践意义。文章探讨了目前主流开关柜局部放电检测技术的发展及其优缺点，在此基础上，对开关柜局部放电检测方法与手段的发展提出了建议。
　　关键词：开关柜;局部放电检测;在线监测
　　中图分类号：TM591         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0146-02
　　Abstract： In the whole power system， the high-voltage switchgear plays the roles of power generation， power transmission， power distribution， power conversion， and control on and off， etc. Its working reliability will directly affect the operation stability of the power grid. In the long run， the insulation materials in the high-voltage switchgear will suffer from insulation deterioration under the combined action of electrical， mechanical and environmental temperature， which will easily lead to the reduction of electrical insulation strength and even failure， and will easily lead to power failure of the power grid. Practice shows that partial discharge is the main cause of insulation failure caused by equipment insulation deterioration. Reliable and accurate partial discharge detection can directly reflect the insulation state of the electrical equipment， which is conducive to the timely detection and elimination of potential insulation fault， so as to avoid the occurrence of power failure and improve the reliability of power supply， therefore has important practical value and significance. This paper discusses the development and advantages and disadvantages of the current mainstream partial discharge detection technology of switchgear， and on this basis， puts forward some suggestions on the development of the detection methods and means of partial discharge in switchgear.
　　Keywords： switchgear; partial discharge detection; on-line monitoring
　　在變电站中，金属封闭式开关柜得到了大量的使用，其中，以10kV和35kV最为显著，它的安全运行与否与变电站是否能够可靠供电息息相关。根据大量的数据统计分析，在开关柜发生的所有故障中，绝缘故障占据了最大的比例，达到了31.9%。所以，要想使电网能够安全且可靠地运行，必须监测开关柜的运行、预判故障，并且合理检修。在长期的运行中，致使电气设备绝缘劣化以及故障的原因主要有电、化学和热等不正常状态。及时有效地发现潜在的绝缘故障已成为电力行业迫切需要解决的问题。实践表明，局部放电是设备绝缘恶化，以致发生绝缘失效的主要原因，因此，局部放电的监测和评估已成为监测设备绝缘状态的主要方式。有效的局部放电检测可以直接反映电气设备内部的绝缘状态，有助于及时找到绝缘缺陷并进行处理，减少不必要的设备由安全隐患的运行引起的停电事故，从而提高供电的可靠性，具有重要的实践价值和实践意义。
　　局部放电过程伴随着有声，光，电，热和化学分化等物理征象，会产生一些电流脉冲，电磁场波动，机械振动等一些信号可从设备外部测量。人们根据局部放电产生的各种物理量进行研究，针对不同的物理量提出了一系列的高压开关柜带电检测方法，在此其中，基于脉冲电流法、特高频法、暂态地电压法、超声波法的研究与应用相对较多。本文简述了针对开关柜局部放电的典型检测方法的发展历程及其应用情况，并分析了各种方法的优缺点。在此基础上，对开关柜局部放电检测方法与手段的未来发展提出了建议。 　　1 超声波法
　　局部放电发生时其瞬间释放的能量使得周围介质加热，而自身也形成一个声源，会产生超声波信号，超声波信号在开关柜柜体中传播，经过超声波传感器的接收转换为电信号，然后进行后续的分析。由于现场噪声干扰多为音频（20Hz-20000Hz），而超声波检测法的检测频带在10Hz-100MHz，因此超声波检测法可以避开现场噪声的干扰接收局部放电产生的超声波信号[1]。苑瞬和Lars等人在其研究中都发现超声波检测法在低频段检测有很高的灵敏度，甚至优于同频率下电测法。
　　超声局放检测方法是较早采用的局放检测方法之一，作为非侵入式的检测方法，在特高频检测方法提出之前一直是电力设备主要的局放检测方法。对于变压器、开关柜，超声作为检测及辅助定位技术，是实现设备局放源精确定位的关键。超声波测试最显著的优点是没有强大的电磁扰动，超声信号的局部放电时域和频域特性的解析非常详尽，检测灵敏度和抗干扰能力更强。但国内外超声波检测技术也存在许多不足，导致超声波实时检测有一些不可避免的缺陷，如：柜壁内自由颗粒的碰撞也许会对测试结果产生影响;复杂的开关柜内部的绝缘结构会造成超声波大大衰减，可能无法检测到绝缘内部的放电;超声波检测范围非常有限，通常信号衰减较大，这将导致现场工作量增加;超声波检测仅适用于颗粒，浮动电位放电，对于其他类型放电（如绝缘内部放电）较不灵敏等。
　　2 脉冲电流法
　　当开关柜内部的绝缘材料等发生局部放电过程时，必然会存在空间电荷的产生与复合，同时也会随之产生相应的较陡的脉冲电流信号，而以这个脉冲电流信号作为测量对象的局部放电检测手段称之为脉冲电流法。脉冲电流法是由英国电气协会提出的，为了避免无线电的干扰，其采集的是局部放电频谱中的数kHz到数百kHz的低频率波段的部分。
　　在应用脉冲电流法进行局部放电检测时，默认将绝缘材料等效成一个集总参数结构的对地电容，而在局部放电时会在这个等效电容上出现一个瞬的脉冲电流，在其两端也会产生电压变化，利用电容的耦合作用在检测阻抗中会同样产生脉冲电压，分析该电压即可获得放电相位、放电量等一系列局部放电相关的信息[2]。这种测试方法对电流的反应极其敏感，且可以通过给定的电荷量脉冲注入校正定量来计算出放电量。脉冲电流法的不足处是由于现场干扰较大，使实验结果偏差比较厉害，所以对脉冲电流法的检测区域有较大限制。同时电流法测量间隔时间长，频率带宽窄，能够容纳的数据较少。
　　3 特高频法
　　特高频检测法是经过特定的特高频传感器来检测电磁波的特高频波段，进而分析判断可能存在局部放电的位置与类型[3]。这种方式在20世纪80年代被提出，首先由英国的Boggs和Stone应用于探测气体绝缘装置的局部放电。开关柜内产生局部放电时，周围气体会被快速击穿，产生一系列纳秒级的电流脉冲，这些脉冲电流会向附近发散大量特高频电磁波，特高频检测法就是采集这些特高频来进行检测的。这种方法目前已经广泛的应用在现场开关柜的带电检测的工作里。特高频检测法还可以通过幅值法和时差法对局部放电区域进行准确定位，但是受到电晕放电等电磁干扰信号的影响严重。特高频检测法是利用时差法对局部放电定位的，通过测量不同特高频电磁波信号的抵达时刻，计算时差，从而确定信号源的具体地点。这种方法原理容易理解，操作起来简单，没有冗杂的过程，具有较可靠的定位，因此在不方便使用超声波或地电波的情况时，利用特高频时差定位法可以可靠的定位潜在缺陷的位置。使用特高频定位技术可以对开关柜内故障进行可靠的位置追踪，引导维修工人进行有方向性的维护，能够提高维修的速度，减轻检修人员的工作强度，大幅度缩短断电时长，可以大大的增强供电可靠性，降低停电带来的负面影响。
　　由于特高频法在高压开关柜在线检测中具有明显的优势，因此得到了快速发展，并取得了不少成果。20世纪80年代初特高频检测GIS局部放电方法由英国中央电力局开发出来，并于1986年被Scottish Power率先应用于420kV的气体全封闭组合电器上。在欧洲，不少名校已经在进行特高频信号接收天线的理论分析和试验研究，例如德国Stuttgart大学、荷兰的Delft大学以及英国的Strathrlyde大学一直热衷于UHF法的研究。此外韩国也早已形成较为成熟的高压开关柜局部放电检测系统。此外，由于国际一些知名的大型电力设备制造公司的积极研发参与，特高频检测法的研究和推广得到了大大提升。遗憾的是，我国特高频在线监测技术研发水平相对落后，特高频检测法的研究开发在20世纪90年才刚刚开始起步，但近年来也取得了不少突破。此外，2011年新疆电力公司率先在全疆进行带电监测技术的推行与使用。
　　4 暂态地电压法
　　暂态地电压检测法是采集的电气设备在局部放电时，在装置的金属表面对地出现的一个持续纳秒级的暂态电压脉冲信号。通过其读数的大小来判断局部放电的严重程度，并由电磁波的衰减特性来对设备内部局部放电情况进行检测和定位[4]。电容耦合式探测器可以对装置金属表面检测，记录瞬间电压脉冲的幅值。经过两个电容耦合探测器的数据比较，可以由时差法计算出局部放电的准确地点。John Reeves在上世纪七十年代发觉了这些电压脉冲，并取名为暂态对地电压。国内对暂态地电压检测技术研究比较先进的是西安交通大学，他们研究了不同电极模型下开关柜局部放电的放电特征。但由于检测位置经常受限于开关柜的构造以及缝隙等，暂态地电压检测法难以做到定位的精准。
　　此外，虽然暂态地电压法检测技术可以检查出开关柜体内部的放电故障，但由于开关柜的数量多，种类繁杂，结构繁琐，并且通常紧凑型的设备不可以装配固定的大型检测设备。更重要的是，基于暂态地电压法的局部放电监测设备的成本太高，而开关柜设备的造价较低，两者之间不成比例。因此，开关柜设备不能像变压器等设备一样在线监测，只能通过带电检测的方法来进行研究。因此，暂态地电压法还需要一定的改进，比如在检测周期和数据分析处理方面必须深度地确定。
　　5 结束语
　　虽然目前国内外对开关柜局部放电带电检测技术进行了大量研究，也有部分产品问世并投入电力公司进行应用。但是，除了各种局部放电测量方法本身尚有一些难点需要克服以外，目前开关柜局部放电带电检测技术仅采用了一种或两种局放测量方法，不能全面、有效、可靠地反应开关柜内部的局部放电情况，更不能对开关柜中局部放电以外的其它常见故障进行在线检测。
　　因此，亟需融合各种局部放电检测方法的优势，开发基于多种局部放电检测手段的综合检测技术来实现对开关柜运行状态的更准确的评估。在此基础上，才能扬长避短，更有助于及时发现开关柜的绝缘缺陷，防患于未然，确保电网的运行稳定性。
　　参考文献：
　　[1]王流火，吕鸿，吴吉，等.開关柜局部放电检测技术的应用研究[J].高压电器，2014（3）：62-67.
　　[2]张金波，王恒，段明浩，等.基于脉冲电流法的高压开关柜局部放电在线监测装置的设计[J].自动化技术与应用，2018（4）：100-105.
　　[3]罗杨，刘彦琴，郭超，等.高压开关柜局部放电检测及应用[J].电工电气，2018（9）：56-59.
　　[4]靳键云.开关柜局部放电暂态对地电压检测法的研究[J].山西电力，2011（5）：12-14.
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