姜文賢 陳君寶 胡海濤

（哈爾濱鐵路局）

鐵路牽引變電站高壓開關(guān)柜局部放電檢測技術(shù)及裝置的研究

姜文賢 陳君寶 胡海濤

（哈爾濱鐵路局）

通過采用多種傳感檢測技術(shù)，獲取高壓電力設(shè)備局部放電產(chǎn)生的電磁波、高頻電流及聲音發(fā)射信號，同時(shí)，做到了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，并且通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和分析方法對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，準(zhǔn)確地判斷設(shè)備工作狀態(tài)是否正常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷與隱患，很大程度地提高了高壓開關(guān)柜運(yùn)行的可靠性及技術(shù)管理水平，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢測提供依據(jù)。目前鐵路系統(tǒng)內(nèi)缺乏對于鐵路牽引變中高壓開關(guān)柜的狀態(tài)檢測手段。通過檢測絕緣局部放電，實(shí)現(xiàn)對鐵路高壓開關(guān)柜電氣特性參數(shù)和絕緣性能的狀態(tài)監(jiān)測與分析。

開關(guān)柜；局部放電

0 引言

近年來，鐵路高壓開關(guān)柜用戶對高壓開關(guān)柜的安全性能要求越來越高。因此，高壓開關(guān)柜故障也引起了大家的重視，根據(jù)目前統(tǒng)計(jì)，高壓開關(guān)柜的故障有很多是電能質(zhì)量引起的，同時(shí)還會引起高壓開關(guān)柜放電發(fā)熱。

1 局部放電的產(chǎn)生及危害

當(dāng)外加電壓在電氣設(shè)備中產(chǎn)生的場強(qiáng)，足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但未達(dá)到絕緣發(fā)生貫穿性擊穿的放電現(xiàn)象，稱為局部放電。當(dāng)絕緣發(fā)生局部放電時(shí)就會影響絕緣壽命。每次放電，高能量電子或加速電子的沖擊，特別是長期局部放電作用都會引起多種形式的物理效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，如帶電質(zhì)點(diǎn)撞擊氣泡外壁時(shí)，就可能打斷絕緣的化學(xué)鍵而發(fā)生裂解，破壞絕緣的分子結(jié)構(gòu)，造成絕緣劣化，加速絕緣損壞過程。

所以，如果一臺高壓開關(guān)柜在運(yùn)行電壓下長期存在著局部放電現(xiàn)象，即使是微弱的放電，也會對高壓開關(guān)柜造成危害，它的破壞作用有兩種：一是放電點(diǎn)長期對絕緣件轟擊造成絕緣局部損壞，逐步擴(kuò)大后，最終使絕緣擊穿。二是長期放電產(chǎn)生的臭氧、氧化氮等活性氣體在熱的作用下，使局部絕緣受到腐蝕，電導(dǎo)增加，最后導(dǎo)致熱擊穿。電氣絕緣的破壞或局部老化，多數(shù)是從局部放電開始的，它的危害性突出表現(xiàn)在使絕緣壽命迅速降低，最終影響安全運(yùn)行。也就是說，一臺內(nèi)部存在缺陷的高壓開關(guān)柜，盡管它可能通過了所有的出廠和驗(yàn)收絕緣試驗(yàn)（如外施工頻耐壓、感應(yīng)耐壓、雷電沖擊試驗(yàn)等）。但在長期正常的運(yùn)行中仍有可能發(fā)生擊穿。

局部放電是絕緣介質(zhì)中的一種電氣放電，這種放電僅限制在被測介質(zhì)中一部分且只使導(dǎo)體間的絕緣局部橋接，這種放電可能發(fā)生或不發(fā)生于導(dǎo)體的鄰近。電力設(shè)備絕緣中的某些薄弱部位在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的問題。雖然局部放電一般不會引起絕緣的穿透性擊穿，但可以導(dǎo)致電介質(zhì)（特別是有機(jī)電介質(zhì)）的局部損壞。若局部放電長期存在，在一定條件下會導(dǎo)致絕緣劣化甚至擊穿。對電力設(shè)備進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，不但能夠了解設(shè)備的絕緣狀況，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)許多有關(guān)制造與安裝方面的問題，確定絕緣故障的原因及其嚴(yán)重程度。因此，對電力設(shè)備進(jìn)行局部放電測試是電力設(shè)備制造和運(yùn)行中的一項(xiàng)重要預(yù)防性試驗(yàn)。

各種局部放電檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，基于對發(fā)生局部放電時(shí)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。近年來，隨著局部放電檢測技術(shù)的提高和進(jìn)步，采用電磁輻射信號及高頻電流信號進(jìn)行局放檢測成為一項(xiàng)簡便易行的檢測方法。

高壓開關(guān)柜是使用極廣且數(shù)量最多的電氣設(shè)備。由于在設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行維護(hù)等方面存在著不同程度的問題，因而事故率比較高，在諸多性質(zhì)的開關(guān)柜事故中，絕緣事故多發(fā)生于10kV及以上電壓等級，造成的后果也很嚴(yán)重。特別是小車式開關(guān)柜，絕緣事故率更高，而且往往一臺出現(xiàn)事故，殃及鄰柜的現(xiàn)象更為突出。因此，迫切需要對開關(guān)柜實(shí)行狀態(tài)檢修，對設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)和定時(shí)地在線監(jiān)測，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和絕緣的劣化程度，確定檢修時(shí)間和措施，減少停電時(shí)間和事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性及自動化程度。

高壓開關(guān)柜的絕緣故障主要表現(xiàn)為外絕緣對地閃絡(luò)擊穿，內(nèi)絕緣對地閃絡(luò)擊穿，相間絕緣閃絡(luò)擊穿，雷電過電壓閃絡(luò)擊穿，瓷瓶套管、電容套管閃絡(luò)、污閃、擊閃、擊穿、爆炸，提升桿閃絡(luò)，CT閃絡(luò)、擊穿、爆炸，瓷瓶斷裂等。如圖1所示。

圖1 主要設(shè)備的故障率

高壓開關(guān)柜有各種各樣的電力設(shè)備，例如，斷路器、MOF、VCB、CT、PT、LA、COS、PF、MOLD TR、 母線等，而低壓開關(guān)設(shè)備有MCCB、CT、PT、CV電纜等。開關(guān)柜的設(shè)備故障包括由于長時(shí)間使用引起的絕緣缺陷，由于觸點(diǎn)的不良連接引起的放電的瞬間短路以及各個(gè)連接部分，過熱、電涌、電流故障等。圖2 通過分布圖表明了引起開關(guān)柜故障的原因。

圖2 主要設(shè)備的故障率分類

各類絕緣缺陷發(fā)展到最終擊穿，釀成事故之前，往往先經(jīng)過局部放電階段，局部放電的強(qiáng)弱能夠及時(shí)反映絕緣狀態(tài)，因此通過在線監(jiān)測局部放電來判斷絕緣狀態(tài)為實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜絕緣在線監(jiān)測及診斷的有效手段。

擬開發(fā)的高壓開關(guān)柜局部放電電磁波在線檢測儀通過檢測伴隨局部放電而產(chǎn)生的電磁波輻射及高頻電流信號，系統(tǒng)掃描300～1500MHz頻率范圍內(nèi)的電磁波輻射以及100kHz～30MHz高頻電流信號，并自動確定現(xiàn)場局部放電的實(shí)際檢測頻率，可以檢測出在1 μV范圍內(nèi)的局部放電信號，隨后將檢測數(shù)據(jù)以局部放電脈沖簇計(jì)數(shù)方式顯示。

該設(shè)備采用非侵入性EM及HFCT局部放電傳感器接口可以輕松地獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以使用第三方軟件進(jìn)行分析，以驗(yàn)證系統(tǒng)專家?guī)燔浖袛嘟Y(jié)論。因而由瑞士魏德曼診斷技術(shù)（Weidmann Diagnostic Solution）開發(fā)的該款便攜式局放現(xiàn)場檢測儀非常適用于干式電力設(shè)備現(xiàn)場局部放電檢測及連續(xù)監(jiān)測的用途，并為提高設(shè)備運(yùn)行可靠性及避免突發(fā)性事故提供有效的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)。

2 高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測原理

2.1 原理方法

電力高壓開關(guān)柜如果局部放電發(fā)生在導(dǎo)體相對地絕緣上，局部放電電流脈沖將會沿著導(dǎo)體表面和金屬包層傳播，傳播的電流產(chǎn)生一個(gè)電磁波EM或者超聲波AE信號，電磁波和超聲波會穿透金屬包層，使用EM和AE傳感器的系統(tǒng)能夠探測到該電磁波和超聲波。如圖3所示。

圖3 電力高壓開關(guān)柜現(xiàn)場檢測位置

開發(fā)應(yīng)用的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由兩個(gè)單元，即在線數(shù)據(jù)采集模塊和離線數(shù)據(jù)處理/分析模塊。

圖4 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

如圖5所顯示，數(shù)據(jù)采集模塊包括兩個(gè)硬件部分。第一個(gè)部分，包括完整的經(jīng)信號放大器放大的局部放電信號傳感器；第二個(gè)部分，是用于數(shù)據(jù)采集及處理的數(shù)字化芯片，與存儲數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的筆記本電腦相連。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊的硬件布局

2.3 傳感器

開發(fā)應(yīng)用的兩款緊湊型的局部放電檢測傳感器,包括電磁波（EM）傳感器和夾合式的高頻電流（HFCT）傳感器，其他類型的傳感器（AE、TEV等）也可以輕松接入軟件界面。外置的電磁傳感器可用于各類高壓設(shè)備（高壓開關(guān)柜、套管、電纜、輸電線路等）的局部放電檢測。對于不同類型的高電壓設(shè)備，電磁波傳感器（EM）和高頻電流傳感器（HFCT）的安置位置將各有不同。

成熟的電磁波傳感器（EM）對于0.5 MHz的低頻率范圍并不響應(yīng)。放大器使用蓄電池供電，可以檢測出在1 μV范圍內(nèi)的局部放電信號。它安置在設(shè)備外部表面的金屬包層的接地線上。這種電磁波傳感器（EM）發(fā)的電磁式脈沖可以檢測出高壓設(shè)備的內(nèi)部缺陷。對高壓開關(guān)柜，電磁傳感器（EM）和高頻電流傳感器（HFCT）都可用于局部放電檢測，該電磁傳感器可以放置于靠近繞組絕緣部分，而高頻電流傳感器（HFCT）則是鉗在接地線上來檢測局部放電。

（1）脈沖計(jì)數(shù)

系統(tǒng)同時(shí)給出從各傳感器得到的實(shí)時(shí)測量局放脈沖數(shù)量，單位為pps（每秒鐘脈沖數(shù)）。局放信號急劇增多時(shí)將提示“報(bào)警”。

（2）數(shù)據(jù)顯示及波形分析

在數(shù)據(jù)顯示及分析方面，除顯示兩維、三維圖像并縮放外，另可顯示圖表顯示、兩維圖形顯示、三維圖形顯示、相位-脈沖顯示以及幅值-脈沖顯示等多種顯示方式以便于用戶對波形做出分析及診斷。

（3）注意及報(bào)警設(shè)置

系統(tǒng)同時(shí)給出從各傳感器得到的實(shí)時(shí)測量局部放電脈沖數(shù)量，單位為pps（每秒鐘脈沖數(shù)）。局放信號急劇增多時(shí)將提示“報(bào)警”。

主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：

1）采用電磁波及高頻電流局部放電聯(lián)合檢測技術(shù)。

2）電磁波檢測技術(shù)是非接觸測量方法。檢測系統(tǒng)的接入對設(shè)備運(yùn)行沒有影響，可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，而且前級設(shè)備輕便、簡練，安全性好。

3）局部放電嚴(yán)重等級及pps（每秒鐘脈沖個(gè)數(shù)）作為高壓開關(guān)柜狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測的依據(jù)。

3 高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測分析

局部放電幅值、局部放電量、局部放電脈沖數(shù)及相位特征是表征局部放電的重要參數(shù)。分析軟件將對檢測數(shù)據(jù)處理和特征參數(shù)提取，以診斷所檢測設(shè)備是否存在局部放電及其局部放電類型。

數(shù)據(jù)的處理及狀態(tài)評估時(shí)，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)、局部放電數(shù)據(jù)的分離，去除雜波干擾；然后進(jìn)行N_q圖解分析，通過放電數(shù)量及脈沖能量值的關(guān)系來評價(jià)局部放電的活動程度；此外，結(jié)合威布爾分布圖解析和Dvdt圖譜解析，來識別和判斷局部放電類型。

數(shù)據(jù)分析結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對照，可以進(jìn)一步診斷局部放電的嚴(yán)重程度，具體可以參照圖6的對應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)以上參數(shù)及特征分析處理，結(jié)合降噪技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫比對，可以實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容進(jìn)行的分析和判斷：

1）分析是否存在局部放電故障；

2）通過波形圖判斷何種局部放電故障類型；

圖6 局部放電嚴(yán)重程度對應(yīng)表

3）局部放電嚴(yán)重等級；

4）局部放電發(fā)展趨勢。

下面以某10kV高壓開關(guān)柜局部放電在線檢測數(shù)據(jù)分析舉例。

2016年魏德曼檢測對某鐵路公司牽引變高壓開關(guān)柜進(jìn)行了局部放電測試，該設(shè)備位于濕度較低、空氣溫度平均約為0°C以下的環(huán)境中。

圖7 局部放電分布圖（哈西變電站高壓室東廠下行219高壓開關(guān)柜）

圖8 局部放電分布圖（哈西變電站高壓室東廠下行217高壓開關(guān)柜）

圖7顯示了哈西變電站高壓室東廠下行219高壓開關(guān)柜高壓開關(guān)柜局部放電相位分布，局部放電平均和最大振幅分別為大約0.23V和0.31V，局部放電脈沖總數(shù)為18個(gè)脈沖，分析判斷為存在微弱的電暈局部放電現(xiàn)象。圖8顯示了哈西變電站高壓室東廠下行217高壓開關(guān)柜局部放電相位分布，局部放電平均和最大振幅分別為大約0.35V和0.50V，局部放電脈沖總數(shù)為69個(gè)脈沖，分析判斷為存在處于初始階段的微弱電暈局部放電現(xiàn)象，需跟蹤觀察發(fā)展趨勢再做出進(jìn)一步的判斷。

通過局部放電檢測數(shù)據(jù)趨勢管理，可以觀察一段時(shí)間內(nèi)（周數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、年數(shù)據(jù)等）的數(shù)據(jù)，形成發(fā)展趨勢，提供早期預(yù)警信號。圖9顯示出該高壓開關(guān)柜檢測到的局部放電信號在觀察期間內(nèi)呈現(xiàn)脈沖數(shù)上升趨勢，可以進(jìn)一步持續(xù)觀察。

圖9 高壓開關(guān)柜局部放電檢測數(shù)據(jù)趨勢管理

4 結(jié)束語

該項(xiàng)目通過選用多種傳感檢測技術(shù)，獲取高壓電力設(shè)備局部放電產(chǎn)生的電磁波、高頻電流及聲音發(fā)射信號，使得檢測的原始判斷依據(jù)更加充足；通過建立數(shù)據(jù)處理和分析模型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理和特征提取和分析，可以實(shí)現(xiàn)局部放電有無及類型的判斷；結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫對比和監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢管理，可以判斷電力設(shè)備的局部放電嚴(yán)重等級和劣化程度。

該項(xiàng)目的研究內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷與隱患，很大程度地提高了高壓開關(guān)柜運(yùn)行的可靠性及技術(shù)管理水平，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢測提供依據(jù)；同時(shí)，該套針對高壓電力設(shè)備在線PD測試的檢測方法還具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如是一種非破壞測試，無需設(shè)備停電、不會對絕緣進(jìn)行任何破壞；預(yù)防性在線檢測可以改善設(shè)備的可靠性，減少設(shè)備不必要的檢修和維護(hù)，延長設(shè)備使用壽命；能夠探測和查找設(shè)備空穴、裂縫及工藝缺陷，在質(zhì)保期內(nèi)發(fā)現(xiàn)新設(shè)備的潛伏絕緣缺陷；通過預(yù)試前后的在線局部放電檢測比對，對設(shè)備維護(hù)質(zhì)量進(jìn)行評估。

2017-07-02）