閆江寶， 周 雷， 張長(zhǎng)勝， 譚向宇

(1. 昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504； 2. 華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003； 3. 云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司 電力科學(xué)研究院 云南 昆明 650217)

0 前言

電力設(shè)備的絕緣劣化對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來隱患。使用局放儀對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)能夠及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備絕緣的固有缺陷，避免發(fā)生突發(fā)性絕緣故障，對(duì)電力設(shè)備的安全可靠運(yùn)行具有十分重要的意義[1]。TEV檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備局部放電檢測(cè)方面，TEV局放儀具有便攜式攜帶，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。然而由于缺乏統(tǒng)一生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，TEV局放儀質(zhì)量則會(huì)有很大差異，購(gòu)買和驗(yàn)收需要一套測(cè)評(píng)方案以選擇性能較好的設(shè)備。

1 TEV局放儀工作原理

對(duì)于電氣設(shè)備內(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(shí)無法在外部檢測(cè)到放電信號(hào)。但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，這樣高頻信號(hào)就會(huì)傳輸?shù)皆O(shè)備外層，形成暫態(tài)對(duì)地電壓(TEV)[2]。TEV檢測(cè)示意圖如圖1所示。

圖1 TEV檢測(cè)法原理圖

2 TEV局放儀的性能及測(cè)評(píng)參數(shù)

對(duì)于不同廠家生產(chǎn)的TEV局放儀需要統(tǒng)一的測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)置模擬信號(hào)缺陷進(jìn)行測(cè)評(píng)。首先對(duì)TEV局放儀進(jìn)行基本功能檢測(cè)，當(dāng)局放儀基本檢測(cè)全部合格之后進(jìn)行靜態(tài)特性的測(cè)評(píng)，測(cè)評(píng)參數(shù)如下所示[3-4]：

(1)頻率特性：可以測(cè)出此局放儀所能測(cè)量的工作頻率范圍；(2)信號(hào)線性度：當(dāng)輸入信號(hào)在進(jìn)行線性變化時(shí)，能夠得到局放儀的輸出響應(yīng)特性；(3)靈敏度：反映了局放儀能夠測(cè)量信號(hào)的靈敏程度；(4)脈沖計(jì)數(shù)：能夠得出局放儀脈沖計(jì)數(shù)是否精準(zhǔn)和有效；(5)放電源定位性能：針對(duì)有定位功能的局放儀進(jìn)行定位能力測(cè)評(píng)。

本文對(duì)兩臺(tái)不同廠家生產(chǎn)的TEV局放儀進(jìn)行測(cè)評(píng)，從而驗(yàn)證此套測(cè)評(píng)方式的可行性和有效性。

3 信號(hào)模擬測(cè)評(píng)

3.1 總體測(cè)評(píng)方案

測(cè)評(píng)裝置系統(tǒng)主要包含高性能示波器、待測(cè)評(píng)局放儀、可控脈沖信號(hào)發(fā)生器、金屬板、絕緣板和工作臺(tái)[5]，如圖2所示。

圖2 TEV局放儀性能測(cè)評(píng)平臺(tái)示意圖

將兩臺(tái)局放儀放在金屬板上進(jìn)行檢測(cè)，可控脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)并通過天線將信號(hào)輻射到金屬板上，讓脈沖電磁波沿金屬面進(jìn)行傳播，通過示波器采集的信號(hào)，與局放儀采集的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析即可評(píng)判局放儀的性能，同時(shí)，使用電磁波脈沖輻射器進(jìn)行噪聲模擬，使得測(cè)評(píng)更加接近實(shí)際情況[6-7]。局放儀型號(hào)及參數(shù)如表1所示。

表1 局放儀型號(hào)參數(shù)

3.2 頻率特性測(cè)評(píng)

信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)的幅值固定為 10 V，發(fā)生信號(hào)的頻率初始值設(shè)置為1 MHz，從1 MHz按步長(zhǎng)1 MHz依次增加到80 MHz，兩個(gè)局放儀的幅頻特性曲線[8]如圖3所示。

圖3 TEV局放儀頻率特性曲線

由圖3可以看出，TEV局放儀I和局放儀II的起始頻率都在1 MHz，局放儀Ⅰ、Ⅱ的截止頻率分別為83 MHz，120 MHz。由表1可知，局放儀II截止頻率大于說明書上所述，局放儀I的頻率特性符合說明書。工作頻帶過大會(huì)導(dǎo)致抗干擾能力降低，從圖3中可看出局放儀I的曲線相對(duì)于局放儀II比較光滑，說明局放儀I性能優(yōu)于局放儀II。

3.3 信號(hào)線性度測(cè)評(píng)

使用信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為主諧振頻率的正弦波信號(hào)，并加載到金屬板上。然后將檢測(cè)設(shè)備的傳感器直接放置在金屬板上中央位置測(cè)量不同放電量下檢測(cè)設(shè)備讀數(shù)，通過檢測(cè)能力(不同放電量下，是否能檢測(cè)到暫態(tài)對(duì)地電壓幅值)和增長(zhǎng)趨勢(shì)(放電量增加，檢測(cè)到的暫態(tài)對(duì)地電壓幅值是否同步增加)，對(duì)暫態(tài)對(duì)地電壓檢測(cè)的線性度進(jìn)行測(cè)評(píng)。由頻率特性測(cè)評(píng)可知，局放儀I和局放儀II的固定頻率分別為55 MHz和56 MHz。正弦波信號(hào)的起始幅值為0.1 V，以步長(zhǎng)0.1 V依次增加到 10.0 V，記錄局放儀對(duì)應(yīng)顯示的TEV值，重復(fù)進(jìn)行兩次測(cè)評(píng)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 TEV局放儀信號(hào)線性度測(cè)評(píng)結(jié)果

由圖4可看出，在固定頻率為主諧振頻率時(shí)，局放儀I的測(cè)評(píng)曲線明顯比局放儀II的曲線光滑，說明局放儀I的線性度性能比局放儀Ⅱ更好。

3.4 靈敏度測(cè)評(píng)

使用信號(hào)發(fā)生器輸出最低幅值的基于頻率特性測(cè)評(píng)幅頻特性給出的靈敏度高的頻率點(diǎn)的固定頻率正弦波信號(hào)，并加載到金屬板上。基于固定幅值的測(cè)試數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)幅值測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)生變化的差異，來確定局放儀靈敏度(V/dB)的數(shù)據(jù)。本次測(cè)評(píng)正弦信號(hào)的頻率固定值為主諧振頻率，檢測(cè)幅值在2.0 V，5.0 V，8.0 V的靈敏度，根據(jù)局放儀讀數(shù)每增加1 dB所需要改變的幅值與固定幅值之差即為靈敏度。連續(xù)測(cè)評(píng)兩次，結(jié)果如表2所示：

表2 靈敏度測(cè)評(píng)結(jié)果

(b)局放儀II靈敏度

從表2可以看出，局放儀I和II的靈敏度都隨輸入信號(hào)值的增大而減小，尤其是局放儀II的靈敏度下降表現(xiàn)地更為明顯。

3.5 脈沖計(jì)數(shù)測(cè)評(píng)

使用信號(hào)發(fā)生器輸出指數(shù)上升沿脈沖信號(hào)，并加載到金屬板上。在1 kHz～80 kHz內(nèi)按照步長(zhǎng)為1 kHz依次增加調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率，記錄檢測(cè)設(shè)備的脈沖數(shù)讀數(shù)，當(dāng)輸出信號(hào)的脈沖數(shù)有變化時(shí)，觀察各設(shè)備的脈沖數(shù)趨勢(shì)和準(zhǔn)確度是否正確，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行測(cè)評(píng)。脈沖計(jì)數(shù)如圖5所示。

圖5 脈沖計(jì)數(shù)測(cè)評(píng)結(jié)果

從圖5中可以看出，局放儀I在40 kHz之前和理論值很接近，而且呈線性增長(zhǎng)，40 kHz之后逐漸在脈沖次數(shù)35 000個(gè)附近趨于平穩(wěn)，傳感器接收不到更多的脈沖信號(hào)；局放儀II在11 kHz之前和理論值接近，11 kHz之后逐漸偏離理論值，特別在47 kHz之后略有下降。

3.6 放電源定位測(cè)評(píng)

針對(duì)有定位功能的局放儀進(jìn)行定位能力測(cè)評(píng)。測(cè)試時(shí)設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出脈沖信號(hào)，然后加載到長(zhǎng)200 cm，寬15 cm，厚0.2 cm金屬板的中心，將被測(cè)裝置的兩個(gè)傳感器貼在金屬板表面，分別在距離信號(hào)施加位置30 cm和60 cm進(jìn)行測(cè)試，觀察檢查設(shè)備距離近的通道是否先到達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的定位功能進(jìn)行測(cè)評(píng)。定位能力測(cè)評(píng)原理圖如圖6所示。

圖6 定位能力測(cè)評(píng)原理圖

使用標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出為幅值10 V的脈沖信號(hào)加載到金屬板內(nèi)，在金屬板左右兩側(cè)分別放置局放儀Ⅰ和局放儀Ⅱ(遠(yuǎn)的與金屬板中央距離60 cm，近的距離金屬板中央30 cm)，記錄多次不同位置的傳感器位置分布情況下的定位準(zhǔn)確率，對(duì)檢測(cè)定位的準(zhǔn)確率進(jìn)行測(cè)評(píng)。兩個(gè)傳感器進(jìn)行一次測(cè)量之后交換位置再進(jìn)行一次測(cè)評(píng)。定位測(cè)評(píng)結(jié)果如表3所示。由表3可知，局放儀Ⅰ的準(zhǔn)確率為55%，局放儀Ⅱ的準(zhǔn)確率為30%，局放儀I定位準(zhǔn)確率高于局放儀Ⅱ。

表3 放電源定位測(cè)評(píng)準(zhǔn)確率

(b)局放儀Ⅱ準(zhǔn)確率

4 實(shí)測(cè)

將上面兩臺(tái)局放儀帶到現(xiàn)場(chǎng)220 kV高壓開關(guān)柜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果如表4所示。

表4 局放儀實(shí)測(cè)結(jié)果

如表4所示，在相同環(huán)境背景下，局放儀Ⅱ比局放儀Ⅰ的靈敏度要高，可知局放儀Ⅰ的抗干擾性能要優(yōu)于局放儀Ⅱ。當(dāng)電壓升高到10 kV時(shí)，在開關(guān)柜上、中、下3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，局放儀Ⅰ檢測(cè)值與局放儀Ⅱ檢測(cè)值都明顯高于未加電壓時(shí)背景值，說明均已經(jīng)檢測(cè)到放電信號(hào)。電壓繼續(xù)升高，當(dāng)試品電壓達(dá)到55 kV時(shí)，局放儀Ⅰ檢測(cè)到最大值為43 dB，局放儀Ⅱ檢測(cè)到最大值為51 dB(最大量程為51 dB)，局放儀Ⅰ3個(gè)檢測(cè)位置中，下部檢測(cè)點(diǎn)值明顯大于上部和中部。綜合以上表明局放儀Ⅰ的性能優(yōu)于局放儀Ⅱ。由此實(shí)測(cè)表明，以上測(cè)評(píng)方法可以運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以選出最優(yōu)性能的局放儀，同樣也適用于其它TEV局放儀的性能測(cè)評(píng)。

5 結(jié)論

通過分析TEV局放儀在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的工作原理，提出了一種信號(hào)模擬測(cè)評(píng)法對(duì)TEV局放儀性能進(jìn)行測(cè)評(píng)的試驗(yàn)方法：

(1)對(duì)于TEV局放儀的基本特性和靜態(tài)特性進(jìn)行測(cè)評(píng)具有很強(qiáng)的有效性和實(shí)用性，對(duì)于TEV局放儀能夠有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，特別在局放儀采購(gòu)驗(yàn)收階段有很高的使用價(jià)值，該方法也適用于其它TEV局放儀的性能測(cè)評(píng)。

(2)使用信號(hào)模擬測(cè)評(píng)方法可以很精準(zhǔn)的測(cè)量出TEV局放儀的頻率特性、信號(hào)線性度、靈敏度、脈沖計(jì)數(shù)和放電源定位等參數(shù)。建議對(duì)局放儀進(jìn)行定期測(cè)評(píng)，避免局放儀在使用過程中的出現(xiàn)檢測(cè)出錯(cuò)和報(bào)警失誤等情況。