铁路牵引变电站高压开关柜局部放电检测技术及装置的研究

姜文贤 陈君宝 胡海涛

（哈尔滨铁路局）

铁路牵引变电站高压开关柜局部放电检测技术及装置的研究

姜文贤 陈君宝 胡海涛

（哈尔滨铁路局）

通过采用多种传感检测技术，获取高压电力设备局部放电产生的电磁波、高频电流及声音发射信号，同时，做到了监测数据的实时性和准确性，并且通过先进的数据处理技术和分析方法对获取数据进行解读，准确地判断设备工作状态是否正常，及时发现设备缺陷与隐患，很大程度地提高了高压开关柜运行的可靠性及技术管理水平，为实现设备的状态检测提供依据。目前铁路系统内缺乏对于铁路牵引变中高压开关柜的状态检测手段。通过检测绝缘局部放电，实现对铁路高压开关柜电气特性参数和绝缘性能的状态监测与分析。

开关柜；局部放电

0 引言

近年来，铁路高压开关柜用户对高压开关柜的安全性能要求越来越高。因此，高压开关柜故障也引起了大家的重视，根据目前统计，高压开关柜的故障有很多是电能质量引起的，同时还会引起高压开关柜放电发热。

1 局部放电的产生及危害

当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘部分区域发生放电，但未达到绝缘发生贯穿性击穿的放电现象，称为局部放电。当绝缘发生局部放电时就会影响绝缘寿命。每次放电，高能量电子或加速电子的冲击，特别是长期局部放电作用都会引起多种形式的物理效应和化学反应，如带电质点撞击气泡外壁时，就可能打断绝缘的化学键而发生裂解，破坏绝缘的分子结构，造成绝缘劣化，加速绝缘损坏过程。

所以，如果一台高压开关柜在运行电压下长期存在着局部放电现象，即使是微弱的放电，也会对高压开关柜造成危害，它的破坏作用有两种：一是放电点长期对绝缘件轰击造成绝缘局部损坏，逐步扩大后，最终使绝缘击穿。二是长期放电产生的臭氧、氧化氮等活性气体在热的作用下，使局部绝缘受到腐蚀，电导增加，最后导致热击穿。电气绝缘的破坏或局部老化，多数是从局部放电开始的，它的危害性突出表现在使绝缘寿命迅速降低，最终影响安全运行。也就是说，一台内部存在缺陷的高压开关柜，尽管它可能通过了所有的出厂和验收绝缘试验（如外施工频耐压、感应耐压、雷电冲击试验等）。但在长期正常的运行中仍有可能发生击穿。

局部放电是绝缘介质中的一种电气放电，这种放电仅限制在被测介质中一部分且只使导体间的绝缘局部桥接，这种放电可能发生或不发生于导体的邻近。电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的问题。虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此，对电力设备进行局部放电测试是电力设备制造和运行中的一项重要预防性试验。

各种局部放电检测技术应运而生，基于对发生局部放电时产生的各种电、光、声、热等现象的研究，局部放电检测技术中也相应出现了电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。近年来，随着局部放电检测技术的提高和进步，采用电磁辐射信号及高频电流信号进行局放检测成为一项简便易行的检测方法。

高压开关柜是使用极广且数量最多的电气设备。由于在设计、制造、安装和运行维护等方面存在着不同程度的问题，因而事故率比较高，在诸多性质的开关柜事故中，绝缘事故多发生于10kV及以上电压等级，造成的后果也很严重。特别是小车式开关柜，绝缘事故率更高，而且往往一台出现事故，殃及邻柜的现象更为突出。因此，迫切需要对开关柜实行状态检修，对设备运行状况进行实时和定时地在线监测，根据设备的运行状态和绝缘的劣化程度，确定检修时间和措施，减少停电时间和事故的发生，提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。

高压开关柜的绝缘故障主要表现为外绝缘对地闪络击穿，内绝缘对地闪络击穿，相间绝缘闪络击穿，雷电过电压闪络击穿，瓷瓶套管、电容套管闪络、污闪、击闪、击穿、爆炸，提升杆闪络，CT闪络、击穿、爆炸，瓷瓶断裂等。如图1所示。

图1 主要设备的故障率

高压开关柜有各种各样的电力设备，例如，断路器、MOF、VCB、CT、PT、LA、COS、PF、MOLD TR、 母线等，而低压开关设备有MCCB、CT、PT、CV电缆等。开关柜的设备故障包括由于长时间使用引起的绝缘缺陷，由于触点的不良连接引起的放电的瞬间短路以及各个连接部分，过热、电涌、电流故障等。图2 通过分布图表明了引起开关柜故障的原因。

图2 主要设备的故障率分类

各类绝缘缺陷发展到最终击穿，酿成事故之前，往往先经过局部放电阶段，局部放电的强弱能够及时反映绝缘状态，因此通过在线监测局部放电来判断绝缘状态为实现开关柜绝缘在线监测及诊断的有效手段。

拟开发的高压开关柜局部放电电磁波在线检测仪通过检测伴随局部放电而产生的电磁波辐射及高频电流信号，系统扫描300～1500MHz频率范围内的电磁波辐射以及100kHz～30MHz高频电流信号，并自动确定现场局部放电的实际检测频率，可以检测出在1 µV范围内的局部放电信号，随后将检测数据以局部放电脉冲簇计数方式显示。

该设备采用非侵入性EM及HFCT局部放电传感器接口可以轻松地获得数据进行分析，可以使用第三方软件进行分析，以验证系统专家库软件判断结论。因而由瑞士魏德曼诊断技术（Weidmann Diagnostic Solution）开发的该款便携式局放现场检测仪非常适用于干式电力设备现场局部放电检测及连续监测的用途，并为提高设备运行可靠性及避免突发性事故提供有效的设备状态参数。

2 高压开关柜局部放电监测原理

2.1 原理方法

电力高压开关柜如果局部放电发生在导体相对地绝缘上，局部放电电流脉冲将会沿着导体表面和金属包层传播，传播的电流产生一个电磁波EM或者超声波AE信号，电磁波和超声波会穿透金属包层，使用EM和AE传感器的系统能够探测到该电磁波和超声波。如图3所示。

图3 电力高压开关柜现场检测位置

开发应用的局部放电监测系统结构如图4所示。它由两个单元，即在线数据采集模块和离线数据处理/分析模块。

图4 局部放电监测系统结构图

2.2 数据采集模块

如图5所显示，数据采集模块包括两个硬件部分。第一个部分，包括完整的经信号放大器放大的局部放电信号传感器；第二个部分，是用于数据采集及处理的数字化芯片，与存储数据、分析数据的笔记本电脑相连。

图5 数据采集模块的硬件布局

2.3 传感器

开发应用的两款紧凑型的局部放电检测传感器,包括电磁波（EM）传感器和夹合式的高频电流（HFCT）传感器，其他类型的传感器（AE、TEV等）也可以轻松接入软件界面。外置的电磁传感器可用于各类高压设备（高压开关柜、套管、电缆、输电线路等）的局部放电检测。对于不同类型的高电压设备，电磁波传感器（EM）和高频电流传感器（HFCT）的安置位置将各有不同。

成熟的电磁波传感器（EM）对于0.5 MHz的低频率范围并不响应。放大器使用蓄电池供电，可以检测出在1 µV范围内的局部放电信号。它安置在设备外部表面的金属包层的接地线上。这种电磁波传感器（EM）发的电磁式脉冲可以检测出高压设备的内部缺陷。对高压开关柜，电磁传感器（EM）和高频电流传感器（HFCT）都可用于局部放电检测，该电磁传感器可以放置于靠近绕组绝缘部分，而高频电流传感器（HFCT）则是钳在接地线上来检测局部放电。

（1）脉冲计数

系统同时给出从各传感器得到的实时测量局放脉冲数量，单位为pps（每秒钟脉冲数）。局放信号急剧增多时将提示“报警”。

（2）数据显示及波形分析

在数据显示及分析方面，除显示两维、三维图像并缩放外，另可显示图表显示、两维图形显示、三维图形显示、相位-脉冲显示以及幅值-脉冲显示等多种显示方式以便于用户对波形做出分析及诊断。

（3）注意及报警设置

系统同时给出从各传感器得到的实时测量局部放电脉冲数量，单位为pps（每秒钟脉冲数）。局放信号急剧增多时将提示“报警”。

主要技术创新点：

1）采用电磁波及高频电流局部放电联合检测技术。

2）电磁波检测技术是非接触测量方法。检测系统的接入对设备运行没有影响，可以实现在线监测，而且前级设备轻便、简练，安全性好。

3）局部放电严重等级及pps（每秒钟脉冲个数）作为高压开关柜状态连续监测的依据。

3 高压开关柜局部放电监测分析

局部放电幅值、局部放电量、局部放电脉冲数及相位特征是表征局部放电的重要参数。分析软件将对检测数据处理和特征参数提取，以诊断所检测设备是否存在局部放电及其局部放电类型。

数据的处理及状态评估时，首先对数据进行噪声数据、局部放电数据的分离，去除杂波干扰；然后进行N_q图解分析，通过放电数量及脉冲能量值的关系来评价局部放电的活动程度；此外，结合威布尔分布图解析和Dvdt图谱解析，来识别和判断局部放电类型。

数据分析结果与经验数据库进行对照，可以进一步诊断局部放电的严重程度，具体可以参照图6的对应关系。

根据以上参数及特征分析处理，结合降噪技术及经验数据库比对，可以实现以下内容进行的分析和判断：

1）分析是否存在局部放电故障；

2）通过波形图判断何种局部放电故障类型；

图6 局部放电严重程度对应表

3）局部放电严重等级；

4）局部放电发展趋势。

下面以某10kV高压开关柜局部放电在线检测数据分析举例。

2016年魏德曼检测对某铁路公司牵引变高压开关柜进行了局部放电测试，该设备位于湿度较低、空气温度平均约为0°C以下的环境中。

图7 局部放电分布图（哈西变电站高压室东厂下行219高压开关柜）

图8 局部放电分布图（哈西变电站高压室东厂下行217高压开关柜）

图7显示了哈西变电站高压室东厂下行219高压开关柜高压开关柜局部放电相位分布，局部放电平均和最大振幅分别为大约0.23V和0.31V，局部放电脉冲总数为18个脉冲，分析判断为存在微弱的电晕局部放电现象。图8显示了哈西变电站高压室东厂下行217高压开关柜局部放电相位分布，局部放电平均和最大振幅分别为大约0.35V和0.50V，局部放电脉冲总数为69个脉冲，分析判断为存在处于初始阶段的微弱电晕局部放电现象，需跟踪观察发展趋势再做出进一步的判断。

通过局部放电检测数据趋势管理，可以观察一段时间内（周数据、月数据、年数据等）的数据，形成发展趋势，提供早期预警信号。图9显示出该高压开关柜检测到的局部放电信号在观察期间内呈现脉冲数上升趋势，可以进一步持续观察。

图9 高压开关柜局部放电检测数据趋势管理

4 结束语

该项目通过选用多种传感检测技术，获取高压电力设备局部放电产生的电磁波、高频电流及声音发射信号，使得检测的原始判断依据更加充足；通过建立数据处理和分析模型，对数据进行降噪处理和特征提取和分析，可以实现局部放电有无及类型的判断；结合经验数据库对比和监测数据的发展趋势管理，可以判断电力设备的局部放电严重等级和劣化程度。

该项目的研究内容实现了及时发现设备缺陷与隐患，很大程度地提高了高压开关柜运行的可靠性及技术管理水平，为实现设备的状态检测提供依据；同时，该套针对高压电力设备在线PD测试的检测方法还具有诸多优点，如是一种非破坏测试，无需设备停电、不会对绝缘进行任何破坏；预防性在线检测可以改善设备的可靠性，减少设备不必要的检修和维护，延长设备使用寿命；能够探测和查找设备空穴、裂缝及工艺缺陷，在质保期内发现新设备的潜伏绝缘缺陷；通过预试前后的在线局部放电检测比对，对设备维护质量进行评估。

2017-07-02）