高压开关柜局放特性的研究及监测_蒋远东pdf

技术与应用高压开关柜局放特性的研究及监测蒋远东1刘显强1梁庆龙1余菲2余灯2（1.钦州供电局，广西钦州535000；2.武汉烽火富华电气有限责任公司，武汉430074)摘要高压开关柜的稳定运行对整个电网的安全稳定具有重要意义，而对开关柜中局部放电的在线监测是了解开关柜健康状态的重要手段。本文主要介绍了高压开关柜中局部放电的特点，比较了超高频检测法和脉冲电流检测法，最终采用基于罗氏线圈的高频脉冲电流检测法用于高压开关柜中的局部放电在线监测，并介绍了罗氏线圈的原理和优点。通过实验表明，该检测系统具有实时在线监测，反应迅速，灵敏度高，价格低廉，安全可靠等特点，十分适合高压开关柜中的局部放电的在线监测。关键词：高压开关柜；局部放电；脉冲电流法；罗氏线圈；实时在线监测ResearchandMonitoringofHighVoltageSwitchgearPDcharacteristicsJiangYuandong1LiuXianqiang1LiangQinglong1YuFei2YuDeng2(1.QinzhouPowerSupplyBureau,Qinzhou,Guangxi535000；2.WuhanFenghuofuhuaElectricCo.,Ltd,Wuhan430074)AbstractThesafeoperationofhighvoltageswitchgearisimportanttokeepthegridsecurityandstability,andit'sanusefulmeanstounderstandtheworkingstatusofthehighvoltageswitchgearthroughthemonitoringofpartialdischarge.Inthispaper,wedescribethecharacteristicsofpartialdischargeinhighvoltageswitchgear,andcomparetheultra-highfrequencydetectionmethodwiththepulsecurrentdetectionmethod.Accordingtothecomparison,wechosethecurrentdetectionmethodbasedonRogowskicoilformonitoringpartialdischargeinhighvoltageswitchgear.Experimentsshowthatthedetectorhadmanyadvantagesasmonitoringreal-timeandon-line，rapidresponse,highsensitivity,lowcost,safeandreliable,whichprovethatthedetectorisverysuitableformonitoringpartialdischargeinhighvoltageswitchgear.Keywords：highvoltageswitchgear；partialdischarge；pulsecurrentdetection；rogowskicoil；monitoringreal-timeandon-line目前，高压开关柜的检修主要是在停电状态下进行，实时在线监测手段应用的比较少，而开关柜的稳定运行关系到整个电网的安全稳定。由于各种原因，高压开关柜不能按照计划固定停电检修，开关柜内设备的运行情况不能被实时的掌握，因而存在安全隐患，严重威胁供电安全[1]。开关柜内局部放电一般不会导致绝缘的贯通性击穿，但会造成电介质的局部损坏以及绝缘电介质的电气强度降低，即局部放电对绝缘设备的破坏是个缓慢的发展过程，随着绝缘设备以及电介质的损坏，也会导致局部放电次数和放电量的增加，如此形成一个恶性循环。开关柜内的局部放电特性能反映开关柜设备的绝缘缺陷的特性和损坏程度，因此，对开关柜内局部放电的监测显得很有必要，不仅增加了电网的供电安全性，同时也为智能电网的建设起到积极的促进作582013年第5期用[2-3]。本文拟采用脉冲电流法对高压开关柜中的局放信号进行实时在线监测，并制作出了相应的产品，实验证明，该系统具有灵敏的反应速度，同时结合小波变换方法对信号和噪声进行处理，使得软件具有精确捕捉局放信号的能力，满足IEC-60270的局放测量标准[4]。1高压开关柜的局部放电特性局部放电（简称局放，partialdischarge）是指设备绝缘系统中部分被击穿的电气放电，这种放电可以发生在导体（电极）附近，也可发生在其他位置。局部放电主要包括：绝缘材料内部放电（固体-空穴；液体-气泡）；表面放电；高压电极尖端放电。高压开关柜中引起局部放电的主要原因有：导体、外壳内表面上的金属突起，常常是由于制造和安装时技术与应用造成金属表面有较尖的毛刺；绝缘介质的缺陷、老化和表面的污秽造成绝缘内部或表面出现局部放电；高压母线连接处、开关电路出头接触不良或断路器触头接触不良造成局部放电；高压设备里的可以移动的金属微粒，主要在制造、装配和运行中产生，当靠近高压导体并未接触时，就很可能导致放电[5]。当高压开关柜中有局部放电时，沿着放电通道将会有过程极短的脉冲电流产生，这些电流脉冲的宽度一般为ns级，并激发瞬态电磁波辐射，产生的脉冲电流会沿着电缆传输。高压开关柜在稳定状态，三相电缆的电流在三相电缆分支前的接头处叠加的总电流为0；没有局放发生时，在三相电缆分支前的接头处只能监测到均匀的噪声电流信号。若在三相电缆分支前的接头处监测到不同寻常的脉冲电流信号，满足局放特性，则可判断开关柜中发生过一次局部放电事件，当监测到柜中的局放的放电频率和放电量超过规定的阈值后，则可安排停电检修，避免设备的进一步恶化，保障高压开关柜安全运行。高压开关柜的典型特点在于开关柜四壁都是金属密封结构，对外界的电磁波有很好的屏蔽作用，同时，柜内的局放信号也无法传出开关柜，只存在于开关柜内，因此开关柜内的电磁干扰只因柜内的电气设备产生，因而对开关柜内的局放信号探测时，本身信噪比就较高，加上一些信号处理技术，更加容易检测到局放信号。2局部放电监测方法目前，用于局放监测的方法有脉冲电流法、超声波检测法、光测法、化学检测法、红外检测和超高频检测法等多种方法。其中最受人们关注的当属脉冲电流法和超高频检测法[6]。超高频检测法是近几年出现的一种新的检测方法，通过检测电气设备内部局部放电所产生的超高频（300～3000MHz）电磁波信号，实现局部放电的检测和定位。由于噪声信号主要集中于低频段，因此这种方法的测量具有很强的抗外界干扰能力，且灵敏度高，已应用于一些固体绝缘设备（如变压器等）中的局部放电检测。其缺点在于，对于结构复杂的电气设备，电磁波传播时会发生多次折反射及衰减；同时，电气设备外壁也会对电磁波的传播带来不利影响，这也增加了超高频电磁波检测的难度。因此，在开关柜中，由于柜中复杂的电气结构和金属外壁等影响，电磁波在柜内传播特性复杂，不利于使用超高频检测法检测局放信号；同时，由于不同类型的放电在超高频段的能量分布差异较大，同时天线的放置位置与放电产生位置的距离会严重影响天线耦合到的超高频信号强度，因此导致超高频检测方法无法对放电的大小进行定量分析，也就无法有效显示出开关柜内的放电严重程度。脉冲电流法是最早研究，且是迄今为止最广泛使用的一种检测方法，IEC对此制定了专门的检测标准。每一次局部放电都会发生正负电荷的中和，伴随有一个陡的电流脉冲，脉冲电流法即通过测量该脉冲电流检测到局部放电的发生。该方法通过测量阻抗在耦合电容侧或通过Rogowski线圈（简称罗氏线圈）测取由局放引起的脉冲电流，获得视在放电量、放电相位等放电信息。本系统采用基于罗氏线圈的脉冲电流传感器来测量局放信号，这种检测方法具有灵敏度高、实时性好，而且可以测得放电量、放电重复率、平均电流等，因而这种方法得到了广泛的使用。其缺点在于在线检测时，局放信号容易被噪声干扰甚至湮没，信噪比低。在开关柜内，由于外界对开关柜内的局放信号干扰很小，因此开关柜内的信噪比较高，同时可以通过引入小波变换的方法，在不改变信号可评估性的同时能显著的提高信噪比。相对于超高频检测法，脉冲电流法检测设备简便，价格上更便宜，对于开关柜局放实时在线检测，使用脉冲电流检测法更合适。2.1罗氏线圈电流传感器罗氏线圈实际上是均匀密绕在环形磁性铁心上的线圈，原理图如图1所示，等效电路图如图2所示。图1罗氏线圈原理图图2罗氏线圈等效电路图罗氏线圈的输出电压u(t)正比于被测原电流i1(t)随时间t的变化率，即2013年第5期59技术与应用u(t)Mdi1(t)/d(t)（1）式中，i1(t)垂直通过测量线圈所在的平面，M为互感系数。罗氏线圈的自积分等效电路如图2所示，其中i2(t)为线圈感应产生的感应电流，L0为线圈的自感系数，R0诶线圈绕线的电阻，C0为线圈绕线与线圈外壳间产生的分布电容，通常C0很小，可以忽略。由图2中的等效电路图，其回路方程为u(t)Mdi1(t)L0di2(t)(RR)i(t)（2）dtdt0s2若要使i2(t)与i1(ｉ)同相位，则有(R0Rs)i2(t)0（3）或L0di2(t)/dt(R0Rs)i2(t)（4）令(R0Rs)/L0（5）i(t)Ietsint（6）2m将式（6）带入式（4）可得LIetcostLIetsint0m0m（7）(RR)i(t)Ietsint0s2m测量时主要关心电流信号的第一个峰值和第一个周期，故可假设正弦衰减信号为理想状态，即α→0。并且考虑到sinωt、cosωt均为有界函数，则式（7）可转化为L0R0Rs（8）此时，式(2)可略去尾项变为Mdi1(t)/d(t)L0di2(t)/d(t)（9）对式（9）左右两边对t积分可得i1(t)Ni2(t)（10）式中，N为罗氏线圈的匝数。通过式（10）可见，i2(t)与i1(t)成线性关系且同相位[7-10]，即u(t)与i1(t)成线性关系且同相位。据此条件则可用来对高频冲击信号进行测量，即对局放脉冲电流的测量。罗氏线圈采用磁耦合方式工作，检测回路和高压回路之间无直接接电联系，非常适用于高压开关柜的局放现场监测。罗氏线圈电流传感器具有如下性能。1）在较宽的频带上具有平坦的幅频响应：3dB带宽为2～30MHz。2）响应速度很快：建立时间为ns量级。3）灵敏度高：可测量最小局放脉冲电流的幅度为±0.5mA。4）线性度好，输出失真小：局放脉冲电流幅度为±0.5～±1000mA无失真。5）安全可靠：与高压回路之间无直接连接，安602013年第5期装在中性点零电位处。根据罗氏线圈原理制作出的局放脉冲电流传感器的实物图如图3所示。图3基于罗氏线圈的局放传感器2.2小波变换原理局部放电信号的检测中，首先要解决的是噪声抑制问题，其中典型的为白噪声。局部放电是典型的非平稳信号，处理这样的信号就必须采用具有表征信号时频局部特征能力的信号分析方法，包括短时傅里叶变化、Gabor变换、Randon-Wigner变换、循环统计量理论、调幅-调频信号分析和小波变换等方法。小波变换具有多分辨率分析的优点，是近年来非平稳信号处理的研究热点。目前基于小波变换的白噪声抑制方法可分为两种：小波模极大值法和小波阈值法，前者过程比较复杂，且计算时间很长，在实际中应用很少；后者根据信号和噪声不同的Lipschitz指数变化规律，直接利用小波系数的统计特征量确定阈值，分离信号和噪声，方法简单，实际应用较多，本系统即利用小波阈值法对信号和噪声进行分离处理，具有良好的效果，显著提高了信噪比[11]。3实验测试根据脉冲电流法研制出了的一种用于高压开关柜局放在线监测系统，并编写了相关的局放测量软件。系统在高压实验大厅内进行了高压放电测试，测试结果表明，本局放在线监测系统反映迅速，灵敏度高，信噪比较高，价格便宜且安全可靠，十分适合在开关柜里面使用。