提高TEV法发现开关柜局部放电缺陷能力的研究

李新星，杨海波，韩 涛

（国网山西省电力公司临汾供电公司，山西 临汾 041000）

提高TEV法发现开关柜局部放电缺陷能力的研究

李新星，杨海波，韩 涛

（国网山西省电力公司临汾供电公司，山西 临汾 041000）

提出基于暂态地电压（TEV）原理的开关柜局部放电检测已开展多年，仍存在较大几率的缺陷漏检。特别是随着近一段时间临汾地区若干起开关柜严重事故的发生，阐述了在实践中如何更好地应用TEV法成为急需研究的问题。介绍了TEV的产生机理、方法特点，分析了TEV幅值与局部放电源的关系、开关柜表面TEV幅值的分布。同时，从检测方法、数据管理、缺陷判断等多个方面，探讨了TEV法在开关柜局电放电检测中的具体应用，达到提高发现缺陷能力的目的。

开关柜；暂态地电压；局电放电检测

为提高供电的可靠性、安全性，10 kV、35 kV金属封闭式开关柜在电力系统的各个变电站得到广泛应用。开关柜的可靠性直接决定了用户供电的可靠性，是城市配网的关键设备。

开关柜的数量众多且造价较低，因而不可能像变压器、GIS等设备实现全面、实时的在线监测。预防性试验的周期较长，在两次试验间隔之间发展的缺陷存在很大的安全隐患。随着供电可靠性的要求不断提高，通过带电检测来监视开关柜的运行状态越来越重要。

1 局部放电

局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，一般是由于绝缘体内部或绝缘表面局部电场特别集中而引起的。这种放电的能量很小，短时的存在不会影响到设备的绝缘。但如果局部放电在运行电压下不断地发生，会产生累积效应，使得设备的绝缘逐渐劣化，局部缺陷不断扩大，最终导致绝缘击穿发生事故。

局部放电主要有以下几种类型。

a）内部放电。绝缘材料内部存在气隙、杂质等，使得电场分布不均匀。通常气隙、杂质的介电系数比绝缘材料低，其分担的电压高，在电压峰值处间歇性击穿发生内部局部放电。实际的正、负半周放电图形不是完全对称的，与放电的电极系统的结构有关。

b）表面放电。在电场中的介质有一平行于表面的场强分量，当这个分量达到击穿场强时，则可能发生表面放电，通常出现在导体和介质弯角的表面、脏污的绝缘子、套管法兰等位置。

c）电晕放电。在电场极不均匀的情况下，导体表面的电场强度达到气体的击穿场强时发生放电，出现在高压电极边缘、尖端等位置。

d）悬浮电位放电。高压设备导体间连接不良形成电位差，或高压电极与低压电极之间的电压超过两者之间绝缘材料的击穿电压。

局部放电是一种复杂的物理过程，除电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、声音、超声波、光、热、气体等。

2 暂态地电压（TEV）原理

开关柜内部发生局部放电时，会产生电磁波，带电粒子会沿各个方向由带电体向非带电体（柜体）快速迁移，在非带电体上产生高频电流脉冲。如果开关柜是连续的金属体，受集肤效应的影响，电流脉冲会集中在金属柜体的内表面，而不能穿透。但实际中，开关柜是不连续的，电流脉冲通过金属柜体的缝隙或孔洞由内表面转移到外表面，并以电磁波的形式向自由空间传播，且在接地的金属外壳上产生暂态地电压 TEV（Transient Earth Voltage）。TEV在柜体表面振荡衰减，幅值在几个毫伏至几伏的范围内，且存在时间很短，一般只有几个纳秒的上升时间。正常状态时柜体表面各处的TEV幅值不同（见图1）。

图1 暂态地电压TEV原理图

TEV法在1974年由英国的Dr.John.Reeves首次提出，通过检测开关柜外表面上的暂态地电压来检测内部的放电现象，该技术在国内、外得到了广泛的应用。

3 TEV分布特性

开关柜内发生局部放电时，柜体表面TEV幅值的分布满足以下两点[1-3]。

a）TEV信号的幅值随着测试点与局部放电源的距离的增大而减小。

b）TEV信号的幅值随着测试点与与柜体缝隙距离的减小而增大。并且，后者的影响大于前者。开关柜的中心点处发生局部放电时，测试点如图2所示，“4”、“6”TEV幅值较大，“2”、“8”次之，“5”最小且与正常状态时的值接近。由于开关柜结构、故障点位置的影响，电磁波传播过程中会反射和折射，实际情况要更复杂。

TEV信号沿着开关柜表面传播时会产生较明显的时延特征[1-3]，通过布置多个传感器，可对放电源进行定位。如图2所示，在开关柜上部发生局部放电时，区域“3”、“6”、“9”测得的TEV信号有明显的先后顺序。被测设备内因局部放电而产生电流脉冲到达不同位置所需的时间不受反射波的影响。因此，通过比较2只探测器在不同位置测得TEV信号所到达的时间，相对于比较TEV幅值的方法能更有效地确定放电源。

TEV信号的幅值与局部放电源脉冲的幅值成正比[2-3]，随其脉冲宽度的增加而迅速减小，随其脉冲频率的增加而增大。因此，TEV法对脉冲变化速度较快的内部放电比较敏感，而对放电频谱较低的表面放电不敏感。可采用超声波与TEV法相联合的声—电检测法[4-5]，来更好地监测各种类型的局部放电。

图2 检测位置示意图

4 检测方法

TEV信号的幅值可从测试仪器上直接读取，对操作人员要求不高，适合进行开关柜运行状态监测的普查工作。实际中为更好地发现缺陷，采集科学、有效的测试值，需要对柜体表面多个固定点进行测试且测试位置靠近开关柜缝隙。开关柜正面，可选取如图2所示区域“2”、“8”；侧面与背面可根据实际情况选择。

检测之前应首先在金属门等处检测背景噪声。测量得到的TEV信号的幅值是外部空间电磁干扰与局部放电共同作用的结果，实际值与实测值并不相等。不能以实测值代替实际值，也不能简单地以实测值减去背景噪声代替实际值。实测值与背景噪声值之间的差值越大，则实测值越接近于实际值。

检测过程中，可能遇到照明灯、空调、驱鼠器、保护屏柜等的影响，要采取声—电联合检测、关闭干扰源等方法，区分局部放电与干扰。

5 分析方法

带电检测是推进开关柜状态化检修的重要内容，必须重检测、更重管理。数据的管理很重要，不是简单的“是”与“否”两个结论，规律、缺陷隐藏长期、连续的测试数据当中，主要有以下几种分析方法。

a）横向分析。对同一个配电室内的开关柜的同次检测结果进行对比分析。对比的开关柜之间厂家、型号多数相同，所处的电磁环境基本相同，当某一开关柜的检测结果明显偏离总体平均水平时，则初步可以认为此设备存在缺陷的可能性较大。

b）趋势分析。对同一个开关柜不同时期的测试结果进行分析，开关柜的绝缘水平不会发生突发性的恶化，绝缘劣化是一个缓慢累积的过程，间隔较短的TEV测量数据不会出现大的跃变，变化量围绕平均水平上下波动。当若干次连续检测数据偏离平均水平较大时，可认为此设备存在缺陷的可能性较大。

c）阀值分析。通过将检测数据与局部放电状态判断阈值进行比较，可以初步判断开关柜目前的运行状况。国网公司《电力设备带电检测技术规范》对开关柜暂态地电压检测项目中规定，相对值（被测量设备数值与环境数值差）小于20 dB时正常，相对值大于20 dB时异常，对异常情况可开展长时间在线监测。科学的阈值应综合考虑开关类型、运行年限、环境条件、制造水平等方面。过高的阈值，会导致开关柜检修不足；过低的阈值，会导致检修次数、费用、人员大量增加，降低供电可靠性。需要根据实际情况，结合国网相关规定，通过广泛、长期的数据积累，逐渐修订、完善适合自身特点的判断阈值。

目前，临汾地区的检测数据管理是一个薄弱环节，延用纸质报表和报告，数据的利用率低下。应从做好状态检修工作的实际需求出发，建立专用的数据管理系统。

6 数据管理

数据管理主要包括两方面的内容。

6.1 检测数据的正确性

a）不同厂家、不同型号的检测仪器对同一对象的测量结果可能存在差异，为使得历史数据具有可比较性，尽量不要更换检测仪，或者应明确新、旧检测仪之间的这种差异。

b）检测过程中，可能由于仪器、检测方法、干扰等的原因，对同一检测位置的多次测量值相差较大。因此，应对同一检测位置进行多次测量，取稳定的若干次检测值的平均值为该检测位置的测量值。

6.2 检测数据的分析

充分利用Excel等工具，如图3所示，对一个初步开发的数据管理、分析系统进行介绍。

图3 数据管理、分析系统

a)阀值分析。按表格的格式输入数据后，若测量值减去环境读数大于20，则自动标记为红色，例如2014年03月21日，10号测试点（1号主变401前上）的测量值42，与环境计数22的差值为20。

b)趋势分析。对每个测量点的历史数据，采用最小二乘法进行线性拟合，并自动标记斜率最大的3个测量点，即增长趋势最明显的3个测量点，同时可汇制相应的趋势图。10号测试点，从2008年至2014年的增长趋势较明显，存在缺陷的可能性大，如图4所示。

图4 开关柜10号测试点的趋势图

c)横向分析。筛选“前中”位置的测量点，对一排开关柜相同位置的测量值进行横向分析。

7 案例分析

220 kV某变电站35 kV 1号站用变开关柜，至2014年12月投运满1年，共进行了2次开关柜暂态地电压测试，均未见异常。

规范检测方法与数据管理后，进行故障灵敏检测点的定点测试。2015年06月发现检测数据异常，数值高达46 dB，存在间歇性放电，30 s内放电5～7次。经停电检查，发现A相母线铝排与支持瓷瓶未安装紧固螺栓，悬浮电位放电。该缺陷从投运开始就存在,原因为开关柜验收不合格，可能使母线在短路电流作用下不满足动稳定性的要求，加装紧固螺栓处理后，检测数据正常。

8 总结

开关柜TEV法是一种重要的局部放电带电检测技术，具有很好的应用前景，要在配套仪器、人员素质、检测方法、数据管理、分析判断等方面不断地探索。同时，综合超声波、超高频等方法，监测开关柜的运行状态，提高供电可靠性。

[1]陈庆祺，张伟平.开关柜局部放电暂态地电压的分析特性研究 [J].高压电器，2012，48（10）：88-93.

[2]叶海峰，钱勇.基于暂态地电压的开关柜局部放电仿真研究[J].高压电器，2013，49（7）：13-17.

[3]王有元，李寅伟.开关柜局部放电暂态地电压传播特性的仿真分析 [J].高电压技术，2011，37（7）：1683-1688.

[4]陆忠，朱卫东.多种局部放电检测手段诊断开关柜放电缺陷[J].高压电器，2012，48（6）：94-98.

[5]章涛，王俊波.10 kV开关柜局部放电检测技术研究与应用[J].高压电器，2013，48（10）：100-104.

The Research of Im proving the Ability of Discovering Partial Discharge Defect of Switchgears Based on TEV

LIXinxing,YANG Haibo,HAN Tao

(State Grid Linfen Power Supply Company of SEPC,Linfen,Shanxi 041000,China)

Partial discharge detection of switchgears based on transient earth voltage (TEV) has been carried out for many years.However, there are still a large probability of undetected defects. Especially with the recent occurrence of several serious accidents in Linfen, how to better apply TEV becomes an urgent research point. This paper describes the mechanism of TEV and methodological characteristics. The relationship between TEV amplitude and the partial discharge source, and the distribution of TEV amplitude are analyzed. This paper discusses specific application of TEV from the aspects of detection methods, data management and defect judgment,which has achieved the purpose of improving the defect discovery capabilities.

switchgears; TEV; partial discharge detection

TM591

A

1671-0320（2016）02-0034-005

2015-11-17，

2015-01-19

李新星（1985），男，山西临汾人，2011年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，硕士，工程师，从事电力设备高压试验工作；

杨海波（1968），男，山西临汾人，2006年毕业于太原电力高等专科学校电力系统及其自动化专业，工程师，从事电力设备状态检修工作；

韩 涛（1983），男，山西霍州人，2006年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，硕士，工程师，从事电力设备状态检修工作。