开关柜绝缘缺陷暂态地电压检测技术研究 陶诗洋 张学哲 段大鹏 王文山 程序 任志刚 杨丰源 崔静 国网北京电力科学研究院 上海交通大学电气工程系 山东鲁亿通智能电气股份有限公司 摘 要： 暂态地电压 (transient earth voltage, TEV) 方法凭借灵敏度高、抗干扰能力强、非入侵等优点在配网开关柜带电检测中得到越来越多运用。文中在充分分析开关柜实际运行故障案例以及 TEV 实际检测效果的基础上, 设计了绝缘内部气隙放电、沿面放电、悬浮电位放电、针尖电晕放电这 4 种开关柜典型局部放电缺陷模型。分别进行加压实验并使用 TEV 传感器连接示波器、手持式 TEV测试仪 2 种方式检测。分析了不同缺陷放电的 TEV 时域波形及 PRPD 图谱, 研究结果表明:TEV 对不同放电故障的灵敏度不同;对 4 类局放缺陷的放电量、放电波形、TEV 时域波形和 PRPD 图谱具有较好识别性;使用 CST 软件仿真以及试验方法研究了开关柜检测位置不同对检测结果的影响, TEV 时域波形和手持式 TEV检测仪结果均呈现一定规律性。研究对开关柜状态检修以及 TEV 方法理论研究具有较大意义。关键词： 局部放电 (PD) ; 开关柜; 暂态地电压 (TEV) ; PRPD; 作者简介：陶诗洋 (1984) , 男, 硕士, 高级工程师, 主要从事高压电气设备状态检测诊断与研究工作。收稿日期：2017-05-13基金：国家自然科学基金项目 (51477100) Research on Transient Earth Voltage Detection Technology for Switchgear Insulation DefectsTAO Shiyang ZHANG Xuezhe DUAN Dapeng WANG Wenshan CHENG Xu REN Zhigang YANG Fengyuan CUI Jing Beijing Electric Power Research Institute; Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University; Shandong Luyitong Intelligent Electric PLC; Abstract： Transient Earth Voltage (TEV) gets more and more used in live detection of switchgears due to high sensitivity, anti-interference ability and non-invasive, etc.This article has independently developed four typical defect models which are insulated air discharge, creeping discharge, floating potential discharge and corona discharge based on fully analysis of fault cases of actual operating switchgear and the actual detection effect of TEV worked out by state grid provincial companies.TEV sensors and TEV handheld tester are used.Analysis of time-domain waveform and PRPD maps of different defects shows that: the sensitivities of TEV on different discharge are different;the discharge capacity, discharge waveform, TEV time-domain waveform and PRPD maps of four types of PD defects has a good identification;when the detection position is different, it shows a certain regularity of the results detected by TEV sensors and TEV handheld tester.It is studied by simulation of CST and tests.Contents of this paper have greater significance on the switchgear periodic general detection and theoretical research of TEV methods.Keyword： partial discharge (PD) ; switchgear; transient earth voltage (TEV) ; PRPD; Received： 2017-05-130 引言高压开关柜是电力系统输配电的重要电气设备, 主要由隔离开关、断路器、负荷开关、互感器及保护装置等部件组成。开关柜的安全运行直接决定了电网供电的可靠性。然而, 开关柜实际运行过程中, 由于设备绝缘性能劣化引起的爬电、闪络、击穿等绝缘故障, 以及接触不良、设备插件偏心等引起的载流故障往往造成严重后果1-2。据统计, 绝缘和载流缺陷引起的开关柜故障占约40%3-4。因此, 开展非嵌入式的开关柜带电检测技术研究, 并进行预防性带电检测对及时发现潜在缺陷, 减少故障有着十分重要的意义。常用的开关柜带电检测方法包括电测法和非电测法两大类。其中电测法主要有脉冲电流法、UHF 方法及暂态地电压方法;非电测法主要有超声波法和红外检测法5-7。其中, 暂态地电压方法 (TEV) 凭借可不停电检测、灵敏度高、抗干扰能力强、非入侵等优点在开关柜定期普测中得到了较大推广。然而有关 TEV方法检测机理等的研究仍处于初级阶段。文8中使用 TEV 和超声法检测了开关柜内不同典型缺陷, 得出结论是 TEV 检测信号频谱集中在 280 MHz, 高频分量 (150 MHz) 较少, 并比较了其放电脉冲相位分布图谱异同, 但并未分析相应时域波形特点。文5利用 XFDTD 软件仿真分析了 TEV 幅值和脉宽与激励源脉冲幅值、脉冲宽度、检测距离之间的关系, 但未通过实验进行有效验证。针对开关柜内不同绝缘缺陷类型, TEV 检测效果的对比性研究较少, 不同检测位置和 TEV不同检测方式同样对检测效果影响较大, 缺少足够的相关分析9-12。文中首先分析了 54 例国网各省公司实际开关柜故障统计结果, 依据案例中比例较大的 4 类开关柜故障设计了 4 种典型开关柜绝缘缺陷模型, 分别对模型进行加压实验, 研究了 TEV 时域波形和局放图谱。仿真并实验研究了检测位置不同对实验结果的影响, 并使用手持式 TEV 检测仪对比分析。1 TEV 检测原理及实际案例分析1.1 暂态地电压检测技术开关柜内部局部放电放电量主要聚集在接地屏蔽内表面, 通常屏蔽层在垫圈连接处、绝缘部位等出现破损而不连续, 局部放电产生的电磁波会通过屏蔽层不连续部分传输到开关柜表面, 并感应出感应电流, 由于表面波阻抗的存在进而形成暂态对地电压。其幅值在几毫伏几伏且存在时间一般仅几十纳秒, 频率在几十到几百兆赫范围内, 主要集中在几十兆赫13-16。由于电磁波信号传播过程中衰减较小, 因此 TEV 方法具有良好的检测灵敏度且抗干扰能力较强。并且, 根据电磁脉冲信号的衰减和时差, 能进行有效的故障定位。但若检测现场电磁环境复杂, TEV 方法受影响较大。常用 TEV 检测方式包括容性 TEV 传感器和手持式 TEV 检测仪 2 种。手持式 TEV 检测时将探头紧贴开关柜观察窗或缝隙附近金属表面, 对操作人员要求不高, 适合进行开关柜运行状态普查, 但只能提供幅值信息。TEV 传感器紧贴金属柜壁, 另一端与示波器等采集设备相连, 能够保存时域波形信息。1.2 实际案例统计分析文中统计了 20112013 年间国网各省公司上报的 54 例 1240.5 k V 开关柜典型故障案例, 结果见表 1。54 例开关柜故障的 TEV 检测结果见表 2。检测仪器是 Ultra TEV Plus+局放放电声电波检测仪或 Mini TEV 局部放电检测仪。共 54例故障, 其中 40 例有效检出, 14 例未检出明显放电。表 1 开关柜故障案例按故障类型统计结果 Table 1 The statistical results of switchgear fault cases according to the type of fault 下载原表 表 2 故障案例 TEV 检出结果统计 Table 2 The statistics of TEV detection result of fault cases 下载原表 分析表 1:开关柜实际运行过程中, 悬浮电位放电是最主要的故障类型, 超过1/3。设备运行较长时间、受潮锈蚀等导致零器件接触不良或螺丝松动是引起开关柜故障的一个重大因素, 主要引起悬浮放电或使设备产生电流致热型故障。绝缘内部放电与沿面放电共占 1/3 左右, 大都是因为生产设计或施工缺陷以及长期积灰、受潮、绝缘外壳凝露等环境问题。积灰、受潮初期可导致绝缘部件表面放电, 长期的局部放电会使设备绝缘加速劣化, 造成绝缘内部不可逆的损伤。电晕放电常见于电缆头、动静触头等接头部位, 由于积尘严重或部分受损形成电晕。另外, 还有过热型故障、电缆相间放电/对地放电、机械故障等故障类型17-20。分析表 2:对不同开关柜故障类型, TEV 检测的检测灵敏度不同。由于 TEV 方法检测频带较宽, 适合于频率、放电量较高的局部放电, 如悬浮电晕放电、电晕放电, 而对于放电能量相对较小的沿面放电、绝缘内部放电灵敏度较低。2 实验系统及模型设计2.1 高压实验系统及实验设备实验使用 100k V/AC 单相高压实验电源, 实验对象为 12 k V 开关柜 (型号:XGN15-12) 。使用 JFD-2010 多通道数字式局部放电检测仪采集放电谱图:包括局部放电检测仪、耦合电容, 检测阻抗等, 该检测仪符合局部放电国际标准IEC 60270, 以及 Lecroy 高速示波器系统 (带宽:2 GHz;采样率:20 GS/s) 。检测设备为英国 HVPD 公司生产的 TEV 传感器 (灵敏度:96.5 m V/V) , 见图 1 (a) , 以及手持式 TEV 检测仪, 见图 1 (b) 。整个实验系统接线见图 2。图 1 TEV 传感器及手持式检测仪 Fig.1 TEV sensor and handheld detector 下载原图图 2 局部放电高压实验系统接线图 Fig.2 High Voltage system of PD defects 下载原图2.2 开关柜典型缺陷模型设计结合文 1.2 节对实际开关柜运行故障案例数据分析, 设计了 4 类典型缺陷放电模型, 分别为绝缘内部气隙、沿面放电、悬浮电位、针尖电晕。模型主框架底板直径 86 mm, 高度可调节, 最大可调节高度为 50 mm。1) 绝缘内部气隙模型:高压和接地端均为铝制圆盘形电极, 缺陷主体是由环氧树脂浇注而成的直径准 34 mm、高 14 mm 的圆柱, 内部人为设计气隙缺陷, 模型原理见图 3 (a) 。2) 沿面模型:高压和接地端均为铝制圆盘形电极, 缺陷主体是由环氧树脂浇注而成的直径准