高压开关柜局部放电在线监测研究

蒙 恩 徐 文 黄海龙 侯瑞云

(1.广西电网公司北海供电局，广西 北海 536000；2.南京新联电力自动化有限公司，江苏 南京 211100)

高压开关柜局部放电在线监测研究

蒙 恩1徐 文2黄海龙2侯瑞云2

(1.广西电网公司北海供电局，广西 北海 536000；2.南京新联电力自动化有限公司，江苏 南京 211100)

首先对高压开关柜局部放电在线监测的意义进行了阐述，接下来分析了局部放电的几种主要类型及形成原因，随后从软硬件研究选择及算法等方面论述了在线监测的原理与方法，并在此基础上提出了在线监测系统的结构与实现方式，该在线监测系统对电网安全有着较重要的实际意义。

高压开关柜；绝缘；在线监测；局部放电

0 引言

在电力系统的各种设备中，高压开关柜是非常昂贵且重要的电气设备。高压开关柜安全运行对于电网安全意义重大。高压开关柜内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良等都会使其安全运行受到威胁，从而直接影响电网的安全可靠运行。有关数据显示，全国电力系统6～10 kV开关柜事故统计中，绝缘和载流引起的故障占总数的40%，其中由于绝缘部分闪络造成的事故占绝缘事故总数的79%。由于在事故潜伏期可能有局部放电现象，故可以通过局部放电的在线监测得到相关信息，来分析开关柜内部的绝缘情况。

1 高压开关柜局部放电监测的意义

高压开关柜的内部设备元件、支撑绝缘子、母线是到现场后才装进开关柜中的，也只有在现场组装完成后才能够进行试验。但是如果在现场进行高电压耐压试验或局部放电试验，比起在工厂里要困难得多。高电压设备往往集成度较高，一旦发生了事故，其危害比起过去分立敞开式设备故障的危害要大得多，一个设备部件故障又会危及与之相邻的设备部件，维修周期也要长得多。另外，开关柜产品越来越紧凑，导致绝缘裕度随之减小，尤其在南方，夏季空气比较闷热潮湿，易造成内部绝缘部件的表面爬电，而且这种缺陷很难在柜体外面被人感觉到，近几年来就发生多起开关柜内设备表面爬电的故障，因此非常有必要对高压开关柜设备绝缘状态进行在线监测。

目前，高压开关柜内部的故障检测一般都是在停电状态下才能够进行，而实施在线监测的比较少。由于各种原因，高压开关柜常常不能按照要求周期性地停电进行检测维修，导致开关柜内部的元件处于监测的盲点，部分元件存在失修及失控的问题，给高压开关柜的运行带来巨大的隐患，严重威胁供电安全。而且在两次周期性检修之间，高压开关柜内部也依然处于监控的盲点，其运行情况我们无法得知，无法判断那些潜在的隐患。设备一旦发生故障无法及时发现，将有可能发展成为重大事故，严重威胁有关人员及供电安全。开关柜的元件又全部安装在开关柜内部，巡视人员无法观察到开关柜内部的情况，所以高压开关柜的在线监测系统就显得尤其重要了。

由于在事故潜伏期间设备元件可能产生放电现象，故可以通过对放电信号的监测来得到相关信息。局部放电一般不会引起绝缘介质的贯通性击穿，但是能够导致电介质的局部损坏。局部放电的长期存在可能造成绝缘介质电气强度的降低。局部放电对绝缘设备的破坏是一个比较缓慢的发展过程，对高压电气设备来说是一种潜在的威胁，所以测量局部放电特性可以反映设备的绝缘水平，是对高压开关柜进行在线监测的一种有效方法。

2 高压开关柜局部放电在线监测

2.1 局放类型

2.1.1 电晕放电

通常在气体包围的高压导体周围会出现电晕放电，比如高压输电线路或高压变压器等，这些高压电气设备的高压接线端子暴露在空气中，因此发生电晕放电的几率相对较大。电晕放电体现出的是典型的、极不均匀电场的特征，也是极不均匀电场下特有的自持放电形式。很多外界因素均会对电晕起始电压产生影响，比如电极的形状、外加电压、气体密度、极间距离以及空气湿度与流动速度等。

2.1.2 沿面放电

通常在绝缘介质表面会出现沿面放电的现象。这种局部放电的形式属于特殊的气体放电现象，电力电缆、绝缘套管的端部等位置比较常见沿面放电。一旦介质内部电场的强度低于电极边缘气隙的电场强度，而且介质沿面击穿电压相对较低，沿面放电就会发生在绝缘介质的表面。通常电压波形、电场的分布、空气质量、介质的表面状态、气候条件等均会对沿面放电电压产生影响，所以沿面放电表现出不稳定的特点。

2.1.3 内部放电

固体绝缘介质内部比较常见内部放电。在生产加工绝缘介质时难免存在材料与工艺缺陷等问题，导致绝缘介质内部出现内部缺陷，比如掺入少量的空气或者杂质等。一旦绝缘受到高压作用，内部缺陷就有发生局部击穿或者重复性击穿的可能。通常介质自身的特性、气隙大小、缺陷的位置与形状、气隙气体的种类等会对内部放电的发生条件产生影响。

2.1.4 悬浮电位放电

这种局部放电的形式是指高压设备中某个导体部件存在结构设计缺陷，或者其他原因导致接触不良、断开，最终造成该部件位于高压电极与低压电极之间，并根据其位置的阻抗比获得分压发生放电，针对该导体部件上的对地电位称其为悬浮电位。导体具有悬浮电位时，通常其附近的场强会比较集中，而且会破坏四周绝缘介质的形成。一般在电气设备内高电位的金属部件或者处于低电位的金属部件上容易发生悬浮电位放电。

2.2 开关柜及电缆局部放电的类型

开关柜和电缆的局部放电主要为2种：表面放电和内部放电。表面放电和内部放电都能够导致设备的绝缘故障，甚至造成灾难性后果。

开关柜及电缆主要放电情况如表1所示。

表1 开关柜及电缆主要放电情况

2.2.1 环境条件影响

(1) 温度过高或过低。当开关长期在温度过高的环境中运行时，易使开关的绝缘材质老化，从而降低绝缘水平。温度过低容易使开关的绝缘瓷瓶和真空筒变脆，在开关合闸或分闸的过程震裂，造成开关短路或爆炸。(2) 绝缘表面积污。污秽物在绝缘表面的沉积有2种形式：降尘和飘尘，室内设备主要受飘尘的影响，污秽不仅影响绝缘的工频耐压特性，而且还会使绝缘冲击性能大大降低。(3) 潮湿。在干燥的时候绝缘表面虽有污秽但电阻很高，不会发生污闪；受潮后污秽层电解质逐渐分解并在绝缘表面形成一层薄薄的导电液膜，使电气设备的绝缘强度大大下降，甚至产生污闪。

2.2.2 设备本身原因

(1) 制造质量及工艺不良。制造质量及装配质量对开关柜整体耐压水平有很大的影响。如开关柜内的有些元件可以通过耐压试验，但开关柜整体却通不过，原因是装配质量差，如：紧周螺丝不规则，拧紧后螺杆长出螺母过多；在绝缘瓷套处作特殊处理，这样不仅缩短了绝缘距离，而且造成电场局部集中；支持瓷柱或瓷套质量差，稳定性能差，在短路电流冲击下发生断裂，造成事故扩大。(2) 接点容量不足或接触不良，发热导致开关柜起火。当接点容量不足或接触不良时，该处局部温度升高，严重时烧断该处载流部分，引起对地或相间闪弧，造成绝缘闪络。(3) 爬距及空气间隙不够。爬距及空气间隙不够是开关柜发生绝缘损坏事故的根本原因。特别是手车柜，为缩短柜体尺寸，生产单位往往大幅减小装于柜内的断路器、隔离插头相间距离或对地距离，未采取有效的保证绝缘强度的措施。

2.3 局放监测基本原理

当电气设备发生局部放电时，会产生一定的局放脉冲。通过传感器实时在线采集开关柜内部局放信号的主要特征量，包括局放脉冲次数n、脉冲幅值Ui和脉冲能量PDI，形成趋势曲线图，通过和特征数据库进行比较分析判断开关柜的绝缘状况。PDI可作为判断绝缘损坏程度的重要参数，其可表示为以下公式：

式中，T为测量时间；S为局放传感器灵敏度；n为脉冲次数；Ui为脉冲幅值；Vr为被监控设备额定电压。

2.3.1 频率带宽的选择

研究设备发生局部放电时的频域特性发现，频宽范围达到了数十千赫到数百兆赫。频率与局放信号的传送距离如图1所示。

图1 同一局放事件在不同距离的频率截止点

由图1可见，我们设定系统在1～20 MHz的较低无线频率带宽上运行。研究发现采用80 pF的电容传感器采集局放信号，其等效电路的下限截止频率在40 MHz左右，而干扰信号分量一般都远远小于该频率，因此采用80 pF的电容传感器，信号的信噪比较高，可以避免误警现象。而且电容容量小，传感器的体积小，容易安装且寿命高，保证了被测试系统的安全性和可靠性。

在此基础上，还可采用射频电流互感器从电缆屏蔽线上拾取高频放电信号，以发现开关柜馈线内部放电现象。射频电流互感器监测的工作原理和射频干扰场强仪相同，可以选择测量的中心频率和频带宽度为1～20 MHz，其输出端连接报警装置。当局部放电发生时，其放电电流信号通过中性点接地线流向接地点，通过高频电流互感器耦合到监测回路，射频可以监测到局部放电信号的强弱。由于所有的局放信号都会经过中性线，所以可以监测到整个范围内的局部放电。

在1～20 MHz的PD测量频率范围，不仅可识别更多的局部放电，且较高的带宽可以漏掉，信号的衰减要低得多，可以使PD检测的距离更大，即使有可能是在此范围内的干扰，也可采用先进的噪音过滤软硬件解决这一问题。

2.3.2 抗干扰性研究

局部放电在线监测中，现场会引入大量的干扰，特别是1～20 MHz宽频带监测，由于采用了宽达数兆的频带，信号的灵敏度比窄带系统和常规宽带系统要高，但引入的干扰也多，信噪比要低。但频率越高，噪音越低，衰减得越快。所以研究内噪声的算法，以弥补在这一水平上的噪声产生的干扰，同时保持一个可接受的衰减程度。因此，有效地抑制各种干扰，从强干扰中提取出局部放电信号，是系统可靠工作的关键所在。

根据干扰的时域特征，干扰分为周期性窄带干扰、白噪声干扰、周期性脉冲干扰和随机脉冲干扰。在干扰抑制方面除采用常规算法外，还采用小波理论(用于边界的处理与滤波、时频分析、信噪分离与提取弱信号、求分形指数、信号的识别与诊断以及多尺度边缘侦测)、自适应滤波等算法对各种干扰进行了相应的处理。例如，对于窄带周期性干扰，研究了基于小波分解的自适应滤波算法，提高了自适应滤波算法的抗干扰性能和稳定性；对于白噪声，研究了基于小波与隐式马尔科夫模型(其状态不能直接观察到，但能通过观测向量序列观察到，每个观测向量都是通过某些概率密度分布表现为各种状态，每一个观测向量是由一个具有相应概率密度分布的状态序列产生)的局部放电信号去噪算法，对比传统的门限去噪算法，该算法能获得更高的信噪比；对于脉冲干扰，特别是随机脉冲干扰，在大量测试数据的基础上，进行了基于神经网络的干扰抑制算法研究，采用信号的时域和频域特征，利用神经网络抑制随机干扰，取得了很好的效果。在抑制单一干扰的基础上，研究了基于小波空间屏蔽滤波的局部放电信号处理算法，利用小波空间屏蔽滤波器，进一步保留局放信号，抑制干扰，使得最后的信号信噪比大大提高，为局放信号的特征识别提前打下基础。

所以，在硬件上，采用多级传感器进行数据的同步采集，将潜在噪声源纳入测试分析系统；在软件上，采用多个噪声算法，根据在高频范围内局放脉冲与噪声脉冲之间在频率特性和灵敏度方面存在的差别来区分噪声，使局部放电信号更为清晰。

2.3.3 局放界限设定

开关柜(10 kV)局放界限的设定如表2所示。

表2 开关柜(10 kV)局放界限设定表

在实际监测过程中，趋势曲线分析比绝对数值分析重要得多。通常来说，每一个周期的脉冲数(PPC)的权重至少应该比电量(Q)大50%。所有数据的逻辑关系应该被看作或，而不是和。例如，开关设备/母线槽，电量是500 pC，但每一个周期的脉冲数是500，则应该被划分为危险。

3 系统结构与实现

3.1 系统结构

开关柜局部放电在线监测系统采用分层分布式结构，共分3层：设备及传感器层、监测预警设备层和分析诊断层。传感器分布安装在被监测设备上，实时采集电气设备的局放脉冲信号，并传输到间隔层的监测设备中用于分析，如图2所示。

图2 系统结构图

3.2 系统实现

开关柜的监测采用耦合电容传感器(IPDS)，安装在每相的母线和地之间，主要监测开关室的局部放电情况，包括母线、PT/CT、断路器、套管等。分析软件可以定位以传感器为中心的局放分布情况，从而比较准确地检测到故障点位置。

对有电缆馈线的开关柜，在电缆出线端安装射频电流互感器传感器，穿过电缆接地屏蔽线采集电缆局放信号，可以监测最长300 m的电缆局放情况。

传感器通过同轴电缆将信号传送至预警设备层的数据采集装置，采集装置在将数据分析、存储、处理后通过数据网络传送至电脑，进行软件处理分析。

4 结论

通过监测高压开关柜内部元件局部放电信息，可以有效、直观地反映开关柜内部绝缘状况，不仅能有效防止灾难性故障的发生，而且使整个系统的运维成本得到了最佳控制，所以，基于局部放电技术监测开关柜绝缘状况非常重要。本文主要工作结论如下：(1) 通过对局部放电特性的研究和开关柜内部绝缘劣化局放特性，分析了反映开关柜绝缘信息的局部放电三要素，通过监测、分析局放脉冲次数、脉冲幅值和脉冲能量，可直接反映开关柜的绝缘状况。(2) 研究了开关柜内部局放信号的频率特性，通过选择1～20 MHz宽频带传感器，可以高效合理地采集到可用的局放信号。(3) 通过不同算法提高系统的抗干扰能力，分别从软件和硬件上分析处理，来提高局放信号的信噪比。(4) 搭建局放监测系统结构，使局部放电在线监测系统具备可行性。

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2014-06-03

蒙恩(1980—)，男，广西南宁人，工学硕士，工程师，研究方向：电力系统运行及管理、高电压技术。