孫西方,泰 永,梁 英

(1.臨汾供電分公司,山西 臨汾 041000;2.朔州供電分公司,山西 朔州 038000)

基于電磁波檢測的局部放電在線監(jiān)測技術(shù)探討

孫西方1,泰 永2,梁 英1

(1.臨汾供電分公司,山西 臨汾 041000;2.朔州供電分公司,山西 朔州 038000)

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備。隨著傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展,使得對開關(guān)柜的運行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)故障隱患并對累計性故障做出預(yù)測成為可能。

配電網(wǎng);高壓開關(guān)柜;局部放電;在線監(jiān)測

高壓開關(guān)柜是城市配電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其運行的穩(wěn)定性直接影響到城市供電的可靠性,因此對高壓開關(guān)柜的可靠性提出了更高的要求。

高壓開關(guān)柜設(shè)備內(nèi)部絕緣部分的缺陷或劣化、導(dǎo)電連接部分的接觸不良都使其安全運行受到威脅。根據(jù)1989～1992全國電力系統(tǒng)6～10kV開關(guān)柜事故統(tǒng)計,絕緣和載流引起的故障占總數(shù)的40.2%,其中因絕緣部分的閃絡(luò)造成的事故占絕緣事故總數(shù)的79.0%。而因隔離插頭接觸不良造成的事故占載流事故總數(shù)的71.1%。由此可見,迫切需要對電力設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行實時或定時的在線監(jiān)測,及時反映電力設(shè)備運行狀況,如絕緣等的劣化程度,以便采取預(yù)防措施,避免停電事故發(fā)生。

1 高壓電力設(shè)備局部放電現(xiàn)象

電力設(shè)備絕緣介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場作用下局部范圍內(nèi)發(fā)生的放電稱為局部放電。這種放電以僅造成導(dǎo)體間的絕緣局部短接而不形成導(dǎo)電通道為限。局部放電可能發(fā)生在固體絕緣的空穴中、液體絕緣的氣泡中、具有不同特性的絕緣層之間,以及金屬(或半導(dǎo)電)電極的尖銳邊緣處。

通常情況下,由于氣體的擊穿場強(qiáng)比固體介質(zhì)低得多,氣體中的電場又比固體介質(zhì)中高。因此,往往在氣隙的部位產(chǎn)生局部放電。電力設(shè)備中的局部放電雖然僅限于局部范圍,但每一次放電對絕緣介質(zhì)都會有一些影響,這樣就會造成電介質(zhì)絕緣強(qiáng)度逐步下降。通常,輕微的局部放電對介質(zhì)的影響較小,絕緣強(qiáng)度的下降過程較緩慢;而強(qiáng)烈的局部放電對介質(zhì)的影響較大,絕緣強(qiáng)度很快下降,這是造成高壓絕緣損壞的重要因素。

因此,設(shè)計高壓電力設(shè)備絕緣時,要考慮在長期工作電壓的作用下,不允許絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生較強(qiáng)烈的局部放電。對運行中的電力設(shè)備同樣要加強(qiáng)監(jiān)測,當(dāng)局部放電超過一定程度時,應(yīng)將設(shè)備退出運行,進(jìn)行檢修或更換。

2 在線檢測技術(shù)發(fā)展概況

人們對局部放電的認(rèn)識已有200多年的歷史,隨著新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用,基于對發(fā)生局部放電時產(chǎn)生的各種電光聲熱等現(xiàn)象的研究,局部放電檢測技術(shù)中也相應(yīng)出現(xiàn)了電檢測法和光測法、聲測法、紅外熱測法等非電量檢測方法。

國外許多電力公司從上個世紀(jì)70年代就開始研究并推廣應(yīng)用變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù),主要目的就是減少停電預(yù)防性試驗的時間和次數(shù),提高供電可靠性。但當(dāng)時的設(shè)備簡陋,測試手段簡單,水平較低。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,在線監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)品不斷更新完善,在線監(jiān)測技術(shù)水平不斷提高。到目前為止,許多國家已廣泛使用在線監(jiān)測技術(shù)手段。絕緣在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展大體經(jīng)歷了三個階段。

(1)帶電測試階段。這一階段起始于70年代左右,當(dāng)時人們僅僅是為了不停電而對電氣設(shè)備的某些絕緣參數(shù)(如泄露電流)進(jìn)行直接測量。設(shè)備簡單,測試項目少,靈敏度較差。

(2)從80年代開始,出現(xiàn)各種專用的帶電測試儀器,使在線監(jiān)測技術(shù)從傳統(tǒng)的模擬量測試走向數(shù)字化測量,擺脫了將儀器直接接入測試回路的傳統(tǒng)測量模式,取而代之的是使用傳感器將被測量的參數(shù)直接轉(zhuǎn)換成電器信號。

(3)從90年代開始,隨著計算機(jī)技術(shù)的推廣使用,出現(xiàn)以計算機(jī)處理技術(shù)為核心的微機(jī)多功能絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)。利用計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和數(shù)字波形采集與處理技術(shù),實現(xiàn)更多的絕緣參數(shù)在線監(jiān)測。這種在線監(jiān)測信息量大、處理速度快,可以對監(jiān)測參數(shù)實時顯示、儲存、打印、遠(yuǎn)傳和越線報警,實現(xiàn)了絕緣在線監(jiān)測的自動化,代表了當(dāng)今絕緣在線監(jiān)測的發(fā)展方向。

到目前為止,大量的在線監(jiān)測的技術(shù)已經(jīng)在電力系統(tǒng)設(shè)備缺陷檢測中得到廣泛應(yīng)用,并有了一定的經(jīng)驗。如變壓器油在線色譜分析、電氣設(shè)備的紅外測溫技術(shù)等已經(jīng)非常成熟,并在檢測設(shè)備的絕緣性能中發(fā)揮了重要的作。

3 開關(guān)柜局部放電帶電檢測

開關(guān)柜產(chǎn)生局部放電會發(fā)生聲、光、電、熱等物理和化學(xué)現(xiàn)象,這些特征都可作為局部放電檢測信號的傳感對象。目前,國內(nèi)外傳統(tǒng)的檢測方法有:

脈沖電流法。它通過檢測阻抗接入到測量回路中來檢測。檢測開關(guān)柜接地線由于局放引起的脈沖電流,獲得視在放電量。脈沖電流法是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種檢測方法,但其自身存在很多問題。如抗干擾能力差、測量頻率低、頻帶窄、包含的信息量少等。

光測法。它利用局部放電產(chǎn)生的光輻射進(jìn)行檢測。但是由于光測法設(shè)備復(fù)雜昂貴、靈敏度低,且需要被檢測物質(zhì)對光是透明的,因而在實際中無法應(yīng)用。

鑒于以上方法的種種缺陷,在生產(chǎn)實踐中并不能得到廣泛應(yīng)用。本文提出一種基于電磁波檢測的Transient Earth Voltage暫態(tài)對地電壓,簡稱TEV檢測法。

3.1 TEV檢測法

當(dāng)高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時,放電電量先聚集在與放電點相鄰的接地金屬部分,形成電磁波并向各個方向傳播,對于內(nèi)部放電,放電電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面,因此如果屏蔽層是連續(xù)時無法在外部檢測到放電信號。但實際上,屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現(xiàn)破損而導(dǎo)致不連續(xù),這樣,高頻電磁信號就會傳輸?shù)皆O(shè)備外層。

放電產(chǎn)生的電磁波會通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關(guān)的襯墊傳播出去,同時產(chǎn)生一個暫態(tài)電壓,通過設(shè)備的金屬箱體外表面而傳到地下去。這些電壓脈沖是Dr John Reeves首先發(fā)現(xiàn),并把它命名為Transient Earth Voltage暫態(tài)對地電壓,簡稱TEV。TEV檢測法原理如圖1所示。

圖1 TEV檢測原理圖

TEV檢測法的特點如下:1.局部放電的電磁信號傳播過程衰減較小,能夠?qū)崿F(xiàn)良好的檢測靈敏度;2.根據(jù)電磁脈沖信號的衰減和時差,可進(jìn)行局部放電定位;3.TEV傳感器檢測的有效頻率高、頻帶范圍寬;4.對脈沖的變化速度比較敏感,比較適合介質(zhì)內(nèi)部放電,對放電頻譜較低的套管、終端、絕緣子表面放電不敏感;5.能夠精確定位,但分辨率不高,主要是設(shè)備精度限制;6.易受外界電磁干擾的影響。

TEV檢測法所面臨的主要問題就是干擾問題。由于開關(guān)柜的運行環(huán)境千差萬別,因此,在現(xiàn)場測試會面臨多種電磁干擾。現(xiàn)場的主要干擾源有:無線電發(fā)射設(shè)備;工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療(1SM)設(shè)備;電力設(shè)備;汽車、內(nèi)燃機(jī)點火系統(tǒng);電網(wǎng)干擾;高速數(shù)字電子設(shè)備。

3.2 定位方法

高壓電氣設(shè)備的對地絕緣部分發(fā)生局部放電活動時,導(dǎo)電系統(tǒng)對接地金屬殼之間就有少量電容性放電電量。放電電量很小,通常只有幾兆分之一庫侖。放電持續(xù)時間一般只有幾個納秒。因為電量等于電流乘以時間,一次放電1000pC,持續(xù)10納秒,就產(chǎn)生100mA的電流。對于持續(xù)時間那么短的放電脈沖,被測設(shè)備就不能看作是個整體,而應(yīng)看作是傳輸線。它的電氣特性就由其分布電容和電感決定。

這里 L和C是傳輸線單位長度的自感和電容。Z0的數(shù)值變化很大,通過研究,單芯10kV電纜約為10Ω,35kV的金屬外殼的母線室則大約70Ω。因此,1000pC的放電可產(chǎn)生對地1～7V持續(xù)10 ns的電壓。電壓脈沖在金屬殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑?最終從開口、接頭、蓋板等的縫隙處傳出,然后沿著金屬殼外表傳到大地。這樣,使用電容耦合式傳感器就可檢測到放電信號。

研究發(fā)現(xiàn),局部放電產(chǎn)生的 TEV信號的大小與局部放電的激烈程度及放電點的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系,可以利用專門的探測器進(jìn)行檢測。為簡單明了,用相對讀數(shù)(dB)來描述局部放電活動程度。通過檢測局部放電產(chǎn)生的 TEV信號,不僅可以對運行中的開關(guān)柜內(nèi)的設(shè)備局部放電狀況進(jìn)行定量測試,而且可以通過同一放電源到不同探測器的時間差異對局部放電源進(jìn)行定位。

3.3 TEV檢測法實例驗證

2008年5月21日,烏魯木齊電業(yè)局在對220kV八戶梁變電站開關(guān)柜檢測過程中發(fā)現(xiàn)10kV開關(guān)室八加線1016開關(guān)柜后面板上局部放電檢測幅值達(dá)31dB,經(jīng)定位后發(fā)現(xiàn),放電位于該開關(guān)柜后面板左下側(cè)。

2008年7月10日,烏魯木齊檢修工區(qū)對該開關(guān)柜局放檢測缺陷在設(shè)備停電時進(jìn)行了核實。核實結(jié)果如下:該開關(guān)柜后面板左下側(cè)C相電纜頭螺絲松動(見圖2),產(chǎn)生了一定的局部放電。檢修時對該螺絲進(jìn)行了緊固處理,檢修后再次測試,該開關(guān)柜放電檢測幅值由31dB降到10dB以下,證明了該檢測定位技術(shù)的正確性。

4. TEV檢測法的實踐

2009年10月26日～27日,臨汾供電分公司利用 TEV檢測技術(shù)分別對110kV城中、110kV王莊、220kV喬北變電站室內(nèi)開關(guān)柜進(jìn)行了局放檢測,過程及結(jié)果如下。

圖2 螺絲檢動及緊固后設(shè)備的狀況

4.1 檢測部位

選擇局部放電容易發(fā)生的位置進(jìn)行檢測,如母排(連接處、穿墻套管、支撐絕緣件),開關(guān)刀閘,電纜接頭等位置,特別是開關(guān)柜前面板中部及下部,后面板、側(cè)面板的上部、中部及下部。如有條件,還應(yīng)對開關(guān)室內(nèi)母線橋架進(jìn)行檢測。

4.2 判斷方法

橫向比較法、縱向分析法、判據(jù)法。

4.3 判斷依據(jù)

采用表1所列項目作為判斷依據(jù)。

表1 局部放電檢測數(shù)值與現(xiàn)象對照表

4.4 檢測結(jié)果

各變電站開關(guān)柜的檢測數(shù)據(jù)見圖3～圖5。

由圖3可以看出,除五一東-Z525開關(guān)柜的前中部為23dB外均在20dB以下,所以判斷檢測過程中沒有發(fā)現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。

從圖4中可以看出,110kV王莊變電站10kV開關(guān)柜。V1站用變壓器開關(guān)柜及其附近的開關(guān)柜的測試值相對大一些,但因為本站環(huán)境中的讀數(shù)比較大,又因為不是全封閉式,所以測試值會相對大一些,但在后續(xù)的檢測中要對V1站用變壓器開關(guān)柜加強(qiáng)關(guān)注。

從圖5中可以看出,220kV喬北變電站35kV開關(guān)柜中除電鍋爐變開關(guān)柜的后部為22、23dB外均在20dB以下,所以判斷檢測過程中沒有發(fā)現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。

圖3 檢測數(shù)據(jù)城中110kV變電站10kV開關(guān)柜

圖4 檢測數(shù)據(jù)王莊110kV變電站10kV開關(guān)柜

圖5 檢測數(shù)據(jù)喬北220kV變電站35kV開關(guān)柜

5 結(jié)束語

1)在線檢測開關(guān)柜局部放電對于電網(wǎng)的安全運行有著重要的意義,此項技術(shù)可在不停電狀態(tài)下實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的絕緣故障狀況進(jìn)行檢測(傳統(tǒng)方法需停電),快速檢測開關(guān)設(shè)備的運行狀況,避免意外停電事故的產(chǎn)生,減少檢修停電時間,提高設(shè)備供電可靠性和連續(xù)性;

2)一旦確定開關(guān)柜內(nèi)部確實存在局部放電現(xiàn)象,就必須定位局放源的所在位置從而消除故障隱患。局放源的定位準(zhǔn)確性關(guān)系到檢修工作的效率,可以減少不必要的停電檢修時間,減少電能的損失,提高經(jīng)濟(jì)效益;

3)在檢測過程中要注意干擾的排除問題。

[責(zé)任編輯:王 琨]

Research on PD On-line Monitoring Based on Electromagnetic Wave Mansurement

SONG Xi-fang1,TAI Yong2,LIANGYing
(1.Linfen Power Supply Branch Company,Linfen,041000,China; 2.Shuozhou Power Supply Branch Company,Shuozhou,038000,China)

High-voltage switch cabinet is an important electrical equipment of power system.With the developing of the sensor technology,signal processing technology,computer technology and artificial intelligence technology,it is possible to carry out on-line monitor of switchgear status,to detect hidden faults and to predict cumulative failures.The methods of on-line PD detection and the localization of the Switchboard PD position are introduced.

dislribution network;high-voltage switchgear;partial discharge;on-line monitoring

book=2010,ebook=50

TM834

A

1671-5977(2010)02-0134-04

2010-04-17

孫西方(1967-),男,河南三門峽人,山西省臨汾供電分公司,工程師。