白 鷺， 李冠良， 鄭志宏

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

高壓開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中一種十分重要的電氣設(shè)備，廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站、廠礦企業(yè)、住宅小區(qū)及城市配電網(wǎng)開閉所等場所，具有占地面積小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。高壓開關(guān)柜的安全、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)安全具有重要意義。然而，高壓開關(guān)柜內(nèi)空間緊湊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且長期工作于帶電狀態(tài)，其中的絕緣器件在電應(yīng)力及熱應(yīng)力的作用下，絕緣性能逐漸降低，最終導(dǎo)致絕緣故障[2]。局部放電的產(chǎn)生是開關(guān)柜絕緣故障前的征兆，通過監(jiān)測局部放電，可以及時(shí)檢測出開關(guān)柜中潛在的絕緣故障[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國電力系統(tǒng)6～10 kV 開關(guān)柜事故中，超過40%的故障是由于絕緣和載流引起的，其中由于絕緣部分閃絡(luò)造成的事故占絕緣事故總數(shù)的79%[5]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于開關(guān)柜局部放電檢測的方法主要有超聲波法、暫態(tài)對(duì)地電壓法、特高頻法等，這些方法都有開關(guān)柜絕緣缺陷[6-8]，普遍存在易受外界干擾、受開關(guān)柜類型限制、檢測精度低等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，本文提出了一種基于脈沖電流法并從開關(guān)柜帶電顯示器核相孔獲取局部放電信號(hào)的檢測方法。應(yīng)用該方法對(duì)10 kV開關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測，取得了良好的效果。

1 脈沖電流法檢測原理

脈沖電流法是一種利用羅氏線圈或者測量阻抗獲取各種絕緣缺陷產(chǎn)生局部放電脈沖電流信號(hào)的方法[9]。該方法已廣泛應(yīng)用于變壓器、電力電纜、GIS 等電力設(shè)備的局部放電檢測[10-12]，其原理如圖 1 所示。圖 1 中，Ca為試樣電容；Zm為檢測阻抗；D 為局部放電檢測儀；Ck為耦合電容，其作用是為局部放電信號(hào)提供高頻通道；L 為低通濾波器，其作用為阻止被測的高頻脈沖或電源中的高頻分量通過，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部的缺陷在高電壓下產(chǎn)生局部放電時(shí)，與Ca構(gòu)成的回路會(huì)產(chǎn)生脈沖電流，其頻率通常在數(shù)十千赫茲以上，由于L 的存在，高頻的脈沖電流只有很少一部分通過L 所在的回路，主要的電流都施加在了檢測阻抗Zm所在的回路里，這樣局部放電檢測裝置就可以捕捉到局部放電信號(hào)。

圖1 脈沖電流法測量原理圖

2 檢測裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

基于電脈沖技術(shù)的配電網(wǎng)開關(guān)柜局部放電檢測系統(tǒng)主要由耦合電容傳感器、主機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)3 部分組成，其系統(tǒng)整體原理流程如圖2 所示。在這3 個(gè)部分中，計(jì)算機(jī)的功能主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取、圖譜顯示與后期處理；主機(jī)的功能主要是完成對(duì)局部放電信號(hào)的預(yù)處理。開關(guān)柜局部放電檢測系統(tǒng)采用耦合電容傳感器耦合局部放電信號(hào)，通過同軸電纜傳輸至濾波放大電路，再通過選通開關(guān)和采樣保持器送給A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理進(jìn)行診斷識(shí)別。

圖2 開關(guān)柜局部放電檢測裝置原理流程示意圖

2.2 可調(diào)式耦合電容的開發(fā)

在運(yùn)行的開關(guān)柜中，由于帶電顯示裝置的存在，在開關(guān)柜中都具有帶有分壓功能的支撐絕緣子存在，這個(gè)具有分壓功能的支撐絕緣子和帶電顯示器的存在使得在開關(guān)柜上實(shí)現(xiàn)IEC 60270 標(biāo)準(zhǔn)中所描述的局部放電耦合回路得以實(shí)現(xiàn)。為了充分利用高壓開關(guān)柜及降低成本，本文提出了一種從高壓開關(guān)柜配置的帶電顯示器核相孔處取得局部放電脈沖的方法。由于開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)，每一臺(tái)開關(guān)柜都有一個(gè)帶電顯示裝置，它由安裝在開關(guān)下方的一個(gè)具有分壓電容功能的支撐絕緣子來供電，實(shí)時(shí)顯示開關(guān)的帶電狀況和核相使用，可以利用其作為耦合電容的上節(jié)。在此基礎(chǔ)上，研究與之匹配的電容，使之成為耦合電容的下節(jié)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種RLC 并聯(lián)型局部放電加強(qiáng)器，其等效電路如圖3 所示。其中，Cks為高壓開關(guān)柜內(nèi)的支撐絕緣子，Ckx為局部放電加強(qiáng)器內(nèi)的等效電容，這2 個(gè)電容串聯(lián)可形成等效局部放電耦合電容Ck，使之形成一個(gè)基于IEC60270 電脈沖局部放電標(biāo)準(zhǔn)的耦合回路。Rd和Ld分別為局部放電加強(qiáng)器內(nèi)的等效電阻和等效電感。

圖3 RLC 并聯(lián)型局部放電加強(qiáng)器等效電路圖

局部放電加強(qiáng)器安裝在高壓帶電顯示裝置的背面，如圖4 所示。首先拔掉絕緣子式電容傳感器連接電纜，然后插上局部放電加強(qiáng)器，將絕緣子式電容傳感器連接電纜連接到放大器的連接線上。由于不同型號(hào)開關(guān)柜的支撐絕緣子電容量不同，為了匹配不同型號(hào)的開關(guān)柜，局部放電加強(qiáng)器的電容、電感和電阻值均可以調(diào)節(jié)。使用時(shí)，局部放電加強(qiáng)器能夠測量出Cks的電容量，而后調(diào)節(jié)RLC 并聯(lián)回路，使得調(diào)節(jié)的Ckx與Cks相匹配。局部放電加強(qiáng)器與帶電顯示裝置、絕緣子式電容傳感器一起使用，電容傳感器可用電容量范圍為3～100 pF。

圖4 局部放電加強(qiáng)器安裝示意圖 (mm)

2.3 濾波放大電路的設(shè)計(jì)

由于耦合傳感器工作環(huán)境不可避免地有各種干擾（如電源干擾、電磁輻射干擾、懸浮電位放電干擾、工頻干擾等），因此局部信號(hào)需先經(jīng)過濾波電路，剔除工作頻帶以下的干擾信號(hào)。本文設(shè)計(jì)了一種有源二階高通濾波電路，濾波電容選擇32 pF，濾波后經(jīng)0.1 μF 隔電容輸出。經(jīng)Multisim電路仿真軟件驗(yàn)證：該濾波系統(tǒng)能夠?yàn)V除500～20 MHz 內(nèi)的干擾信號(hào)?；谶\(yùn)算放大器的RC 濾波器的設(shè)計(jì)理論已經(jīng)比較成熟，運(yùn)算芯片選擇LM6172，其工作電壓范圍為±5～±15 V，單位增益帶寬為110 MHz，轉(zhuǎn)換速率為3 000 V/μs，具有較高的轉(zhuǎn)換速度和共模抑制比，放大器的頻寬大于傳感器頻寬，能不失真地放大電流傳感器輸出信號(hào)。根據(jù)實(shí)際需要，電路放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為12 倍，為保護(hù)異常情況下硬件電路元器件的安全，電路配置了鉗位保護(hù)和浪涌保護(hù)電路。濾波放大電路如圖5 所示。

圖5 中，8k55 表示電阻值為 8.55 kΩ，R50表示50 Ω（小阻值電阻一般用R+數(shù)字表示），是仿真軟件的表示方法。

圖5 濾波放大電路圖

2.4 A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的設(shè)計(jì)

A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理采取數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital signal processor）+現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（field programmable gate array）的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合了DSP 信號(hào)處理能力強(qiáng)和FPGA 并行計(jì)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)高速微弱信號(hào)采集，硬件電路需要單獨(dú)的高速采樣A/D 模塊，并由FPGA驅(qū)動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其優(yōu)點(diǎn)是并行性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適合大規(guī)模并行運(yùn)算場合。一方面把采集的信號(hào)儲(chǔ)存到FPGA 和DSP 共享的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM（random access memory） 中，另一方面接收DSP 發(fā)來的指令，啟動(dòng)采集程序。其電路如圖6 所示。

圖6 A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊電路圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本文研發(fā)的高壓開關(guān)柜局部放電檢測裝置安裝在國網(wǎng)山西省電力公司已投運(yùn)10 a 的10 kV開關(guān)柜上，開關(guān)柜的額定電流為1 250 A，帶電指示器的電容傳感器容量為20 pF，局部放電加強(qiáng)器耦合電容為300 pF，三相核相孔直徑均為5 mm。測試局部放電類型為電暈放電，測試電壓為2.38 kV。采樣信號(hào)從帶電顯示器核相孔取得，測量得到的三相局部放電信號(hào)某一相局部放電信號(hào)譜圖如圖7 所示，利用特恩普局部放電儀采集的局部放電譜圖如圖8 所示。由圖7 和圖8 可知，利用本文研發(fā)的局部放電檢測裝置檢測到的局部放電最大幅值為190 pC，利用特恩普局部放電儀檢測到局部放電最大幅值為185 pC。對(duì)比圖7 和圖8 的測量結(jié)果，表明本裝置測量的局部放電具有較高的精確度。

圖7 本文研發(fā)的局部放電檢測裝置檢測到的局部放電譜圖

圖8 特恩普局部放電儀檢測到的局部放電譜圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于脈沖電流法的高壓開關(guān)柜局部放電檢測裝置可以有效、直觀地檢測開關(guān)柜內(nèi)部絕緣狀況，能有效防止災(zāi)難性故障的發(fā)生。通過構(gòu)建檢測回路、理論研究、裝置開發(fā)和平臺(tái)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論。

a） 本文設(shè)計(jì)的基于脈沖電流法的高壓開關(guān)柜局部放電檢測裝置，采用高速AD 芯片與FPGA相結(jié)合的方法采集局部放電脈沖信號(hào)，再通過DSP 對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示局部放電信號(hào)譜圖。其特別之處在于從開關(guān)柜配置的帶電顯示核相孔處取得信號(hào)，大大節(jié)約了裝置成本。

b） 本文專門設(shè)計(jì)的可調(diào)式耦合電容傳感器，可以對(duì)不同類型的高壓開關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測，具有精確度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)耐用等優(yōu)點(diǎn)。

c） 通過對(duì)國網(wǎng)山西省電力公司的10 kV 開關(guān)柜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，表明此裝置可以有效監(jiān)測到開關(guān)柜內(nèi)的真實(shí)局部放電信號(hào)。

d） 將本裝置檢測的局部放電相位譜圖與特恩普局部放電儀檢測的局部放電相位譜圖比較，結(jié)果表明本裝置具有較高的測量準(zhǔn)確度。