敞开式真空断路器局部放电的声电联合检测

王录亮，李炳康，李岩，吴育毅，徐钟祝

(1. 南方电网海南电网有限责任公司电力科学研究院，海南 海口 571900；2. 华北电力大学，河北 保定 071003)

敞开式真空断路器具有电气寿命长，维护工作量小，可频繁操作等优点，在变电站中广泛应用[1-4]。实际经验表明，此类断路器的典型故障为密封欠佳，导致瓷套进水，绝缘硅脂劣化，最终在断路器瓷套内部产生闪络击穿引起爆炸[5-6]。当前缺乏应对这种故障的有效检测方法，只能在故障后进行停电检修，这种方式不仅成本高，而且造成不良的社会及经济影响，亟需开发经济可行的技术手段开展针对敞开式断路器的带电检测。

局部放电是发现电力设备早期故障的重要指标，广泛应用于各种电气设备中[7-9]。在断路器发生上述典型故障前，也会出现局部放电现象，因此，通过对局部放电的检测可以有效发现敞开式断路器的早期故障。局部放电现象同时伴随着声、光、电现象，针对局部放电的检测也可从这几方面入手。针对断路器内部局部放电，典型的检测方法有脉冲电流法、超声波法、特高频法等[10-12]：脉冲电流法适于停电检测；超声波法可避免电磁干扰，但容易漏检[13]；特高频法能够有效避开现场电晕等干扰，检测灵敏度较高；将超声波法和特高频法结合的声电联合法广泛应用于现场局部放电检测[14-17]。罗艳等基于声电联合方法成功定位换流变压器中的局部放电[18]。张晓新等利用声电联合法对开关柜局部放电进行检测[14]。王辉等采用声电联合方法对GIS局部放电进行检测[19]。然而，将声电联合法应用到敞开式断路器局部放电检测中有以下挑战：①传统声电联合法普遍采用特高频信号作为电信号，需要高采样率硬件设备(如示波器)，其成本高，便捷性差；②敞开式断路器的瓷套结构对传感器的布置安全和局部定位提出挑战，传统的声电联合法可以直接在接地体上测试(如变压器外壳)，这种测试可以轻易改变测点位置，辅助定位，但是敞开式断路器瓷套表面带电，操作难度大。

为此，本文提出改进的声电联合检测方法：针对挑战①，采用射频传感器替代特高频传感器，在更低频段检测局部放电电磁波，结合超声检测，实现更低成本、更便捷的检测方案；针对挑战②，结合断路器瓷套结构设计交叉射频传感器，方便贴附在瓷套表面，同时提高传感器对局部放电信号的方向判别性能，提高定位精度。利用改进多层次灰色关联分析法对本文所提的声电联合检测方案与传统的超声加特高频的检测方案进行对比[20-21]，验证本文所提方案的优势。进而对复合传感器设计进行探讨，分别讨论超声传感器和射频传感器的设计：对于超声传感器，介绍相关设计理论基础；对于射频传感器，采用针对断路器的定向天线布置以提升检测精度。为了防止传感器内部放电，基于有限元法校核其绝缘水平。最后，开发一体化传感器并搭建实验平台，对断路器内部局部放电进行检测。

1 敞开式断路器局部放电复合传感器设计

1.1 断路器结构

本文以35 kV敞开式断路器为研究对象，该设备单相结构示意图如图1所示。该断路器由上进线端、真空灭弧室瓷套、支架、下出线端、绝缘拉杆、支柱瓷套和底架构成。断路器内部击穿性故障多由于瓷套密封不严导致进水，诱发放电故障，因此瓷套内部是局部放电检测的重点部位。

图1 35 kV断路器示意图(单相)

1.2 声电联合复合传感器设计

为达到更好的检测效果，本文采取声电联合的局部放电检测方案。设计开发一体式复合传感器，传统的复合传感器由超声传感器和特高频传感器构成。特高频传感器测量灵敏度好，但对硬件要求高，常用的示波器观测方法便携性差，为此，本文提出频带较低的射频传感器设计。表1为2种方式对比。可以看出，虽然射频传感器在抗电晕干扰能力等方面存在劣势，但是其对采样率要求低，成本低，避免使用示波器，易集成，便携性好，且检测频段同样能够覆盖局部放电的典型频谱，完全可以实现断路器局部放电的检测功能。

表1 特高频传感器与射频传感器对比

1.2.1 超声传感器设计

局部放电的脉冲会产生压力，通过超声的形式传播，因此可以利用超声传感器检测局部放电信号。压电材料是超声传感器的核心材料，其厚度决定了传感器的响应频率，厚度越小，对应的响应频率越高，一般来说，压电晶体需要切割到所需响应频率对应波长的一半。为了提高信号强度，一般需要在压电材料与被试品表面间增加阻抗匹配层，结构如图2所示，图中的底层结构会影响传感器带宽。阻抗匹配层阻抗值

图2 超声传感器示意图

(1)

式中：ZS为贴附超声传感器的表面材料对应的超声阻抗，本文中为瓷套材料的超声阻抗；ZPZT为压电材料超声阻抗。

KLM(Krimholtz, Leedom and Matth)模型可以用来设计超声传感器响应频率[22]，该模型最大的优势是隔离传感器的超声部分和电气部分，如图3所示。图3中：d为压电晶体厚度，A为电极面积，Z0为压电晶体的超声阻抗，ZB为底层材料超声阻抗，ZM为阻抗匹配超声阻抗，UIN为施加在压电晶体上产生压力F2对应的电压，v2为压电晶体中粒子速度。另外，KLM模型还纳入了输入电容C0和输入电感Xl，超声部分和电气部分通过变压器连接，该变压器将电信号转变为超声值。

图3 KLM模型示意图

KLM模型相关参数的数学表达为[23]:

(2)

(3)

式中Za为超声传输线输入阻抗。ZIN为随频率变化的函数，该函数最小值对应压电材料最大振幅。为了增强超声传感器输出信号强度，一般在压电传感材料输出端直接连接信号放大器。典型超声传感器检测频段为20～500 kHz，其中小于100 kHz为低频段，100～400 kHz为中频段，大于400 kHz为高频段。不同频段的超声传感器对不同电气设备、不同位置、不同类型的局部放电检测灵敏度有差异，如电缆中的超声信号极低，约2 kHz，难以用常规的超声传感器检测到[24]，而套管中局部放电的超声信号为0～80 kHz[25]。本文设计的超声传感器测量带宽10～100 kHz，放大电路增益约100倍。

1.2.2 射频传感器设计

局部放电的脉冲电流中仅有一部分能量转换为超声波，因此，超声传感的灵敏度欠佳，为了改善这一问题，采用声电联合检测方案，在超声检测的基础上，利用射频传感器检测局部放电电磁波，2种传感器对应局部放电的2种物理特性，可以有效提升检测精度。本文采用的射频传感器由磁环线圈配合可调电容构成，其基本电路结构如图4所示，图4中：U为射频电磁波耦合出的电压，Rrad为辐射电阻，Rloss为线圈和线芯电阻，L为等效电感，C为等效电容。接收信号中心频率[26]

图4 射频传感器等效电路模型

(4)

L=μmμ0ScoilG.

(5)

式(4)、(5)中：μm为磁芯相对磁导率；μ0为真空磁导率；Scoil为线圈面积；G为计算因子。

通过调整线圈、磁芯参数，获得约350 μH电感，有效监测频段为1～30 MHz，该频段的选取可以降低对数据采集速度的要求，进而显著降低成本。为了增强传感器对断路器内部局部放电的辨识能力，获得更好的测量结果，2组射频传感器按图5所示交叉放置，形成交叉定向天线。该结构可以卡在断路器瓷套伞裙间，不仅形成物理支撑，便于带电检测，还可以达到对定向区域内(断路器瓷套内)更高的检测精度。

图5 射频传感器正交放置

1.3 传感器绝缘有限元仿真

为了实现带电检测，需要将传感器贴附到断路器瓷套外表面上。带电状态下瓷套表面有电势，传感器上同样会出现感应电压，为了避免该感应电压导致的传感器内部放电，需要对传感器进行绝缘处理。本文通过有限元仿真分析传感器置于断路器瓷套表面后感应电压情况，为传感器绝缘处理提供参考。断路器瓷套沿面电场电场仿真控制方程为：

(6)

式中：D为瓷套表面任一点电位移矢量；ρ为电荷密度；E为任一点场强矢量；U为任一点电压，为该点位置矢量的函数。建立全尺寸三维瓷套模型，获得瓷套电势分布如图6(a)所示。为了设计传感器封装绝缘强度，需要计算传感器置于瓷套表面后内部感应电压，为此，在瓷套周围设置2个等效电极，表征传感器2极，对2极间电压差计算仿真，发现传感器2极电势差最大约1 kV，结果如图6(b)所示。据此，考虑到绝缘裕度和尺寸规格配合，设计传感器封装绝缘强度5 kV。

1.4 基于改进多层次灰色关联分析法的方案对比

为了科学对比传统声电联合测试中使用的特高频传感器和本文所提的射频传感器，采用改进多层次灰色关联分析法对2种方案进行分析[20-21]。多层次灰色关联分析法是融合层次分析法和灰色关联度理论的评价方法，本文将该方法应用到声电联合复合传感器设计方案的对比。为了进一步提高对比方法的科学性，在多层次灰色关联分析法的基础上，使用熵值法修正指标权重，称为改进的多层次灰色关联分析法。该方法的局部步骤为：首先提出评价指标，通过层次分析法确定各指标权重；其次使用熵值法修正指标权重，修正后的指标可以更加客观地反映指标影响力。其原理是指标信息熵数值越小，系统内部无序化程度越大，即各方案在该指标下的指标值差异程度越大，则该指标在方案评价中的作用也就越大，权重越高；进而确定最优的指标组合作为参考数列，计算每个比较数列与参考数列之间的灰色关联度，根据灰色关联度数值大小对方案进行比较，数值越大，则方案越好。

将改进的多层次灰色关联分析法应用到断路器内部局部放电声电联合传感器设计方案比较，对表1中2种方案各项指标进行打分并规范化处理，得到指标数值矩阵，见表2，同时对指标进行C1—C5标注。建立指标间判断矩阵，见表3。经过一致性检验后，计算得到判断矩阵指标权重。基于熵权法修正指标权重，计算获得特高频和射频传感器的灰色加权关联度分别为0.5和0.8，说明射频传感器方案优于特高频传感器方案。

表3 指标判断矩阵

2 局部放电模拟及测试

2.1 实验室模拟测试

根据以上设计完成制作传感器，为了验证传感器特性，制作沿面放电模型，如图7所示。将放电源模型置于断路器上部瓷套内，如图8所示，模拟现场局部放电缺陷。搭建如图9所示的局部放电测试系统进行测量。

图7 局部放电模型

图8 断路器局部放电模型置入点

图9 断路器局部放电测试电路

利用设计的声电复合传感器测试断路器局部放电信号，得到1个工频周期内的测试波形，如图10所示。检测结果表明射频传感器和超声传感器均可以检测到同一组局部放电信号，图10(a)中可以看到5个局部放电信号，图10(b)相同位置也可以观察到局部放电信号，验证了传感器设计和制作的可靠性。

图10 1个工频周期内局部放电测试结果

2.2 现场测试

通过实验室模拟测试后，在变电站进行现场测试。图11展示的是所开发的传感器安装到现场断路器上的情景，整个传感器通过绝缘杆支撑贴附到断路器瓷套外表面进行加压检测。测试结果如图12所示，通过对比射频传感器和超声传感器测量结果可知，2种传感器测量一致性好，后经结合图谱的综合研判，确定该放电为外界干扰，而非来自断路器内部的局部放电。本次测试在确认现场断路器良好状态的同时，验证了所设计传感器的现场适应性。

图11 变电站内断路器局部放电测试

图12 断路器局部放电测试结果

3 结束语

本文提出了针对敞开式断路器进行局部放电检测以发现早期故障的方法，可以减少断路器爆炸事故发生，弥补了当前针对敞开式断路器检测手段缺失的不足，为敞开式断路器早期故障的发现提供了解决思路。具体内容如下：

a)提出了新的声电联合检测方案，将特高频传感改为射频传感，降低成本；采用正交结构设计射频传感器，更适应断路器瓷套结构的同时，增强局部放电信号的方向识别能力。通过有限元仿真计算校核了复合型声电联合传感器的绝缘设计。并利用改进的多层次灰色关联分析法证明了所提传感器设计方案的优越性。

b)为验证传感器特性，制作了沿面放电缺陷模型，置于断路器瓷套内部模拟早期故障，利用改进的声电复合传感器进行检测，结果表明声电联合检测结果吻合度高，一致性好，证明了传感器的有效性。在实验室测试基础上进行了变电站内断路器局部放电的检测，结果同样证明了本文所开发的声电联合复合式传感器可以实现敞开式断路器局部放电检测。