真型开关柜模拟缺陷下的局部放电试验研究

中国电力ELECTRIC POWERVol. 52, No. 2Feb. 2019

真型开关柜模拟缺陷下的局部放电试验研究

范敏，叶会生，段肖力，黄海波

(国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙　410007)

摘　要：由于目前开关柜带电检测数据多为间接状态量，难以直接反映开关柜内部局部放电量的大小，容易造成对缺陷的误判。为此利用真型开关柜搭建了开关柜缺陷模拟试验装置，首先利用该装置模拟针板放电缺陷，采用超声波检测法（AE）、暂态地电位检测法（TEV）、特高频检测法（UHF）与脉冲电流法（PC）的比对找出针板放电的规律，包括带电检测信号的典型图谱以及与局部放电量对应关系。最后针对该装置提出了后续的研究范围。

关键词：开关柜；局部放电；带电检测；试验装置；针板放电

中图分类号：TM83           文献标志码：A           DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.201804075 

0 引言

金属铠装式开关柜因其占地面积小、成本低在电力系统中得到了广泛应用。由于生产工艺和技术水平的限制，开关柜内不可避免地会出现一些绝缘缺陷，这些缺陷会导致局部放电的出现。在局部放电作用下，绝缘加速劣化最终导致绝缘故障。为减少此类故障的发生，及时发现开关柜内潜伏性缺陷，基于局部放电的带电检测技术应用越来越广泛。

目前，常用的金属铠装式开关柜局部放电带电检测主要包括超声波法（AE）、暂态地电位法（TEV）和特高频法（UHF）等，具有使用方便、灵敏度高、抗干扰能力强的优点。由于带电检测技术本质上属于间接检测技术，在实际使用中，带电检测仪的输出值只能定性反映放电强度的大小，不能给出实际的视在放电量，可能会影响缺陷程度的判断[1-4]。

本文利用自主设计的真型开关柜搭建了开关柜缺陷模拟试验装置，先期利用该装置模拟针板放电缺陷，采用超声波检测法（AE）、暂态地电位检测法（TEV）、特高频检测法（UHF）与脉冲电流法（PC）的比对找出针板放电的规律，包括典型图谱、带电检测信号与局部放电量关系，为带电检测技术的实际应用和缺陷判断提供依据。

收稿日期：2018−04−25； 修回日期：2018−09−03。

1 局部放电检测原理

1.1 脉冲电流法

局部放电发生时，试品两端会出现一个瞬时电压变化，此时与试品两端相连接的耦合电容和检测阻抗回路会产生一个脉冲电流，脉冲电流在检测阻抗两端形成一个脉冲电压，通过检测这一脉冲电压来定量分析试品的局部放电量即是脉冲电流法。

脉冲电流法是IEC60270标准推荐的检测方法，是定量检测局部放电的最常用方法。该方法优点在于易获取局部放电的视在放电量，通过标定源可定量分析局部放电量，缺点在于电力设备运行现场检测中易受各种电磁干扰影响，检测精度难以保证，故不适用于现场检测[5]。脉冲电流法检测的局部放电信号值越大，代表放电强度越大。1.2 超声波检测法

局部放电发生时，在局部放电发生区域中的气体分子瞬间受热而膨胀，放电结束后气体分子体积收缩，此过程宏观上会产生超声波，通过检测频率大于20 kHz的超声波信号来判断局部放电强度的方法称为超声波检测法[6-9]。该方法优点在于受现场电磁环境干扰小，且可以利用信号时间差准确定位放电源，缺点在于开关柜内的部件机械振动等非放电性缺陷、超声波信号本身的快速衰减和折反射可能会干扰检测。单一使用超声波方法进行局部放电检测具有一定的局限性。

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第 2 期范敏等：真型开关柜模拟缺陷下的局部放电试验研究

1.3 暂态地电位检测法

局部放电发生时，交变的电场与磁场相互激发形成电磁波，电磁波通过开关柜不连续的屏蔽层传输到柜体表面，在柜体表面产生感应电流，此电流通过柜体表面波阻抗形成一个暂态对地电位，通过检测该暂态地电位来反映局部放电强度的方法称为暂态地电位检测法[10-13]。该方法优点在于电磁波信号传播过程衰减小，检测灵敏度高，且灵敏度与脉冲上升沿陡度正相关，尤其适用于绝缘件内部放电，缺点在于对放电脉冲陡度较低的绝缘件表面放电灵敏度较低。1.4 特高频检测法

局部放电发生时，在开关柜内部会激发出频率在0.3~3 GHz的特高频电磁波，其脉冲上升沿陡度极高、持续时间为纳秒级，利用特高频传感器检测该频段电磁波来反映局部放电强度的方法为特高频检测法[14-18]。特高频检测法的优点主要在于特高频电磁波频率很高，可以有效避开低频率电磁干扰，具有较高的灵敏度，可以及时准确地检测到绝缘故障。

2 模拟局部放电试验装置

2.1 试验装置搭建

本文以真型开关柜为基础研制了开关柜局部放电缺陷模拟试验装置，装置内部包括现场实际运行开关柜中的所有部件，如母线、断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器、绝缘子、带电显示器等。从大容量无局部放电试验变压器获取试验电压，采用高精度局部放电检测仪和检测阻抗搭建脉冲电流法测试回路以检测模拟缺陷下局部放电的视在放电量，利用带电检测仪获取模拟缺陷下局部放电超声波、暂态地电位、特高频等带电检测信号典型图谱和幅值。试验装置结构如图1所示。

图1中，C、Z共同构成的阻容分压装置与高精度局部放电测试仪组成了局部放电脉冲电流法测试回路，R为限流保护电阻，带电检测仪具备超声波、暂态地电位和特高频典型图谱和幅值测试功能。2.2 针板放电模拟缺陷

高压开关柜中引起局部放电故障的缺陷主要包括：绝缘件表面污秽、受潮和凝露；高压母排连接处或断路器动静触头接触不良；导体、柜体

R带电检测仪局部放电C阻容检测仪Z分压装置无局部放电变压器 高压开关柜图 1 开关柜带电检测试验装置结构

Fig. 1 The test device of live detection for switch cabinet

内表面上有金属尖端；柜体绝缘件表面有可移动的金属微粒；绝缘件内部裂纹、空隙等[19-22]。

本文根据高压开关柜运行中出现最多的金属尖端放电缺陷设计了针板放电模型用于开展局部放电试验研究，为后续其他类型的放电模型研究奠定基础。针板放电模型的构建为在高压母排上绕制铜丝，铜丝一端绑接一长为70 mm铁钉，铁钉尖端距地10 mm，放置在开关柜后下柜中部。试验中，各种带电检测法的测试点包括柜体前上、前中、前下、后上、后下5个测试点，试验记录值为5个测试点的最大值。

理论研究表明，针板放电缺陷下超声波检测法的连续模式信号有效值和峰值都会明显增大，

且50 Hz频率相关性较强，100 Hz频率相关性较弱。特高频检测法在一个工频周期中只有一簇放电聚集点，放电相位大约在270°。

3 试验结果和分析

3.1 试验步骤

在开关柜内模拟针板放电缺陷并按图1进行接线后，首先测量试验装置的环境噪声，包括脉冲电流放电信号值和各种带电检测信号值，以便与试验过程中的实际测试值相比较。然后利用试验变压器从0 kV开始加压直到局放检测仪出现明显局部放电信号，所加电压不超过12 kV的开关柜最高运行线电压。与此同时，利用脉冲电流法和各种带电检测法分别进行局部放电定量和图谱测试。超声波检测法判断依据主要包括信号幅值和典型图谱，暂态地电位检测法判断依据主要是信号幅值，特高频检测法判断依据主要是典型图谱，脉冲电流法所检测的视在放电量作为各种带135

中国电力第 52 卷

电检测方法检测信号幅值的参照值，视在放电量越大代表放电强度越大。3.2 试验典型图谱

开关柜局放带电检测技术中，超声波检测法和特高频检测法的判断依据包括局部放电信号的典型图谱。在针板放电模拟缺陷下，超声波检测连续模式下的局部放电典型图谱如图2所示、相位模式下的局部放电典型图谱如图3所示，特高频检测法PRPS(phase resolved pulse sequence，相位分辨的脉冲序列)和PRPD(phase resolved partial discharge，相位分辨的局部放电)模式下的局部放电典型图谱如图4所示。

从图2~4中可以看出，对于针板放电缺陷，其局部放电超声波检测信号特点是在一个工频周超声波(AE)幅值4−1530有效值/dB18−1530周期最大值/dB−10−1530频率成分1 50 Hz/dB−15−1530 频率成分2 100 Hz/dB图 2 超声波检测连续模式典型图谱Fig. 2 The typical images under continuous mode of AE2015VM/值10幅50060120180240300360 相位/(°)图 3 超声波检测相位模式典型图谱Fig. 3 The typical images under phase mode of AE

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Max=56 dB

0

0°90°T=50180°270°360°

个周期

图 4 特高频检测PRPS和PRPD典型图谱

Fig. 4 PRPS and PRPD images of UHF

期中只有一簇放电聚集点，50 Hz相关性较强，

其特高频检测信号特点是在1个工频周期中只有一簇放电聚集点，放电相位在270°左右，与理论研究结果相符。

3.3 超声波、暂态地电位信号与视在放电量关系

开关柜局部放电带电检测技术中，超声波检测法和暂态地电位检测法的判断依据包括带电检测信号值的大小。在针板放电模拟缺陷下，超声波检测信号与局部放电的视在放电量对应关系如图5所示。3025B20d/号信15波声10超5004 0008 00012 00016 000 视在放电量/pC图 5 针板放电超声波信号与视在放电量关系Fig. 5 The relation between AE signal and apparent

charge under pin-to-plate discharge

从图5可以看出，局部放电超声波检测信号幅值与视在放电量大小呈明显对数关系，放电量较小时，超声波信号幅值不明显，随着放电量增大，超声波信号幅值逐步增大并随之加速，当放

电量增大到一定数值后，超声波信号趋于稳定。可将超声波检测信号与视在放电量测试数据拟合成经验公式为y=10.95ln x–73.84，横坐标x为视在放电量，纵坐标y为超声波检测信号值。

第 2 期范敏等：真型开关柜模拟缺陷下的局部放电试验研究

在针板放电模拟缺陷下，暂态地电位检测信号与局部放电的视在放电量对应关系如图6所示。3025Bd/20号信测15检位10电地态5暂004 0008 00012 00016 000 视在放电量/pC图 6 针板放电暂态地电位信号与视在放电量关系Fig. 6 The relation between TEV signal and apparent

charge under pin-to-plate discharge

从图6可以看出，局部放电暂态地电位检测信号幅值同样与视在放电量大小呈明显对数关系，放电量较小时，暂态地电位信号不明显，随着放电量增大，暂态地电位信号幅值逐步增大并随之加速，当放电量增大到一定数值后，暂态地电位信号趋于稳定。可将暂态地电位检测信号与视在放电量测试数据拟合成经验公式为y=13.61ln x–101.7，横坐标x为视在放电量，纵坐标y为暂态地电位检测信号值。

3.4 针板放电缺陷的带电检测分析

通过针板放电缺陷下的带电检测信号特征可提出现场检测步骤。在现场检测中，可先通过超声波和特高频的图谱来判断缺陷类型是否为针板放电缺陷，如是可根据超声波和暂态地电位的经验公式将实际测量的dB值转换成近似的pC值，通过pC值大小来判断开关柜绝缘缺陷的程度。

同时，从图5、图6可以看出，针板放电缺陷下，出现超声波起始信号视在放电量小于出现暂态地电位起始信号视在放电量，在相同视在放电量的情况下，超声波检测信号大于暂态地电位检测信号，故可推断针板放电缺陷的超声波检测灵敏度要大于暂态地电位灵敏度。

4 结论

通过试验和分析，得出如下结论。

（1）本文利用自主设计的真型开关柜搭建了开关柜缺陷模拟试验装置，利用该装置可获取模

拟缺陷下局部放电的视在放电量、带电检测信号和典型图谱。

（2）本文获取了针板放电模拟缺陷下超声波和特高频带电检测信号的典型图谱、超声波和暂态地电位检测信号与局部放电量对应关系，并给出了经验公式，现场使用时可先通过图谱对比判断缺陷是否为针板缺陷，如是再通过经验公式将实际测量的超声波信号值转换成视在放电量值来判断开关柜针板绝缘缺陷的程度。

（3）从试验结果可看出，对于针板放电缺陷来说，超声波检测灵敏度要大于暂态地电位灵敏度。

（4）必须依靠超声波、暂态地电位、特高频等多种带电检测方法的综合分析才能准确判断开关柜局部放电缺陷的类型和程度。

（5）本文已通过针板放电模拟缺陷验证了试验装置的有效性，后续将利用该装置模拟悬浮放电、沿面放电和内部放电，获取相应的超声波、特高频检测典型图谱，以及超声波、暂态地电位检测信号与局部放电量的经验公式。研究各类模拟缺陷下各种带电检测方法的灵敏度，为构建开关柜绝缘缺陷诊断系统奠定基础。

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(下转第143页)

第 2 期张刘春：特高压半波长输电线路绝缘配合深化研究

ZHANG Liuchun, ZHANG Cuixia, JIAO Fei, et al. Insulationcoordination of UHV half-wavelength power transmission system[J].Power System Technology, 2011, 35(9): 13–16.

作者简介：

张刘春(1977—)，女，博士，高级工程师（教授级），注册设备监理师，从事交直流电力系统过电压防护和绝缘配合以及高电压与绝缘技术研究，E-mail: zhangliuchun@epri.sgcc.com.cn。

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（责任编辑　张子龙）

Further Research on Insulation Coordination of UHV

Half-Wavelength Power Transmission Line

ZHANG Liuchun

(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Abstract: Ultra high voltage half wavelength transmission (UHV HWACT) is a kind of transmission mode with large capacity andlong distance, which has the advantages that it is not necessary to install reactive compensation devices of the line and to build switchsubstations, and will be widely used in China. Research results on insulation coordination will be the base of UHV HWACTtechnique applied to engineering construction. Firstly, this paper determined the continuous operating voltage, the rated voltage andthe absorbed energy of the UHV HWACT lightning arrester; secondly, the line insulator configuration was determined by the designmethod of polluted external insulation, and the air gap distance was also determined; finally, research on insulation coordination wasalso carried out when considering power fluctuation.

This work is supported by the Science and Technology Project of SGCC (No.XT71-16-005).

Keywords: UHV; half wavelength AC power transmission; transmission lines; insulation coordination; lighting arrester

(上接第138页)

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作者简介：

范敏(1987—)，男，高级工程师，从事过电压/开关试验研究工作，E-mail: 525587499@qq.com。

（责任编辑　张子龙）

Partial Discharge Experiment Research under Simulated Defect of

Real Switch Cabinet

FAN Min, YE Huisheng, DUAN Xiaoli, HUANG Haibo

(State Gird Hunan Electric Power Corporation Limited Research Institute, Changsha 410007, China)

Abstract: Most of the live detection data of switch cabinet are indirect state quantities, which can hardly reflect the partial dischargevalues of switch cabinet and may easily cause erroneous judgment of defects. Therefore, a defect simulation test device is set upbased on a real switch cabinet. Firstly, it is used to simulate the needle plate discharge. Then, the characteristics of needle platedischarge are identified through comparing the results of such detecting methods as acoustic emission, transient earth voltages, ultrahigh frequency and pulse current, including typical images of live detection signal and the relationship with PD values. Finally,subsequent research techniques for this device is put forward.

Keywords: switch cabinet; partial discharge; live detection; test device; needle plate discharge

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