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淺析開關柜局部放電及監(jiān)測技術

摘  要

局部放電對絕緣起到的破壞作用，會降低絕緣壽命，影響設備安全運行，因此局部放電越來越收到人們的重視。本文針對高壓設備出現(xiàn)的局部放電問題，介紹了開關柜局部放電的產生機理、種類以及產生的危害，并對幾種常見的局部放電監(jiān)測技術進行了闡述。

關鍵詞：開關柜 局部放電 監(jiān)測技術

                                                                                                                                      

引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)對電能質量的要求越來越高，保證供電安全性、可靠性，十分重要。絕緣中的局部放電是引起電介質老化的重要原因之一。如果電氣設備在正常運行電壓下，其絕緣中就已經出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，這意味著絕緣內部存在局部性缺陷，而且這種過程必然會在整個運行期間繼續(xù)發(fā)展，達到一定程度后，就會導致絕緣的擊穿和損壞。測定電氣設備在不同電壓下的局部放電強度和發(fā)展趨勢，就能判斷絕緣內是否存在導致缺陷已經介質老化的速度和目前狀態(tài)。因而電氣設備制造廠和電力系統(tǒng)運行部門都很重視局部放電的問題，它已經成為確定產品質量和進行絕緣預防性試驗的重要項目之一。

1  局部放電基本概念

1.1  定義  

局部放電是指絕緣結構中由于電場分布不均勻、局部電場過高而導致的絕緣介質中局部范圍內的放電或擊穿。它可以產生在固體絕緣孔隙、液體絕緣氣泡或不同介質特性的絕緣層中。如果電場強度高于介質所具有的特定值，也可能發(fā)生在液體或者固體絕緣中。

局部放電逐漸發(fā)展，會對其周圍的絕緣介質不斷侵蝕，最終可能導致整個系統(tǒng)的失效，所以局部放電是造成絕緣惡化的主要原因，同時它也是絕緣惡化的重要征兆和表現(xiàn)形式，它與絕緣材料的劣化和擊穿過程緊密相關，能有效地反映電力設備內部絕緣的故障，尤其對突發(fā)性故障的早期發(fā)現(xiàn)。

1.2  產生機理

局部放電又叫“游離”，也就是靜電荷流動的意思。局部放電是電介質中的一部分原子或者分子產生電離和去電離的運動形式。電離是從外施電場中吸取能量，生成新的原子和分子。該過程會產生持續(xù)時間非常短的脈沖電流，發(fā)射電磁波，相應地會在電介質中出現(xiàn)發(fā)熱、發(fā)光和振動（聲波和超聲波）等物理現(xiàn)象。

局部放電逐漸發(fā)展，會對其周圍的絕緣介質不斷侵蝕，最終可能導致整個絕緣系統(tǒng)的失效，所有局部放電是造成絕緣惡化的主要原因，同時它也是絕緣劣化和擊穿過程密切相關，能有效地反應電力設備內部絕緣的故障，尤其對突發(fā)性故障的早期發(fā)現(xiàn)，它比介質損耗測量、油氣體含量分析等方法要有效得多。局部放電釋放能量的形式見表1。

類型	方式
電磁形式	無線電波、光、熱
聲波形式	聲音、超聲波
氣體形式	臭氧、一氧化二氮

 

表1 局部放電釋放能量的形式

1.3  產生原因

    局部放電是由于電氣設備絕緣中存在薄弱點，在一定外施電壓下發(fā)生的局部重復擊穿和熄滅現(xiàn)象。如果電氣設備在運行電壓下長期存在局部放電現(xiàn)象就會對設備絕緣造成損害。局部放電過程中的視在放電量是判斷設備絕緣是否老化的關鍵參數(shù)，視在放電量越大，表明絕緣設備的老化程度越深，存在的風險就越大。

高壓開關柜中引起局部放電的主要原因有：

1）導體、外殼內表面上的金屬突起，常常是由于制造和安裝時造成金屬表面有較尖的毛刺；

2）絕緣介質的缺陷、老化和表面的污穢造成絕緣內部或表面出現(xiàn)局部放電；

3）高壓母線連接處、開關電路觸頭接觸不良或斷路器觸頭接觸不良造成造成的局部放電；

4）高壓設備里的可以移動的金屬微粒，主要在制造、裝配和運行中產生，當靠近高壓導體并未接觸時，就很有可能導致放電。

 

             

                              圖1 常見故障缺陷

2  局部放電的種類

2.1懸浮放電

懸浮放電在幅值分布上表現(xiàn)為放電幅值比較大而且均勻，在譜圖中表現(xiàn)為中間較密集，上下都有一些小信號，但是相對比較稀疏。如果基準工頻相位正確，則可分析其相位分布。懸浮放電在譜圖上表現(xiàn)為發(fā)生在過零點附近。從放電間歇性來看，有的懸浮放電比較連續(xù)，但也有懸浮放電間歇性較大，因此，從間歇性無法判斷。

懸浮放電多見于某部件（如連接螺栓、引線、接頭等）發(fā)生表面氧化、接觸不良、松動等現(xiàn)象。

圖2 懸浮放電

2.2尖刺放電

從分簇情況來看，尖刺放電可能是一簇或者兩簇。因此，若在譜圖上只有一簇放電，則是尖刺放電的可能性較大。如果基準相位準確，則此簇放電多發(fā)生在負峰值附近，如左圖。

尖刺放電，根據(jù)故障模型與發(fā)展階段的不同，也可能出現(xiàn)兩簇放電，如果基準相位準確，兩簇放電會集中在正負峰值附近。

從幅值分布看，尖刺放電的小信號較多，表現(xiàn)為下面較密集。分為兩簇時，兩簇的幅值分布極不對稱，一簇信號較大，另一簇則表現(xiàn)為小而寬。有的尖刺放電會表現(xiàn)出一定的放電間歇性。尖刺放電多見于高壓部件表面有劃痕或金屬突出物等情況。

圖3 尖刺放電

2.3沿面放電

電氣設備中用來固定支撐帶電部分的固體介質，多數(shù)是在空氣中。當電壓超過一定限制時，常在固體介質和空氣的分界面上出現(xiàn)沿著固體介質表面的放電現(xiàn)象，稱為沿面放電(或稱沿面閃絡)。

從相位分布來看，沿面放電分為兩簇，且分別出現(xiàn)在第一、第三象限。在沿面放電發(fā)展過程中，放電由峰值處逐漸向過零點發(fā)展。比如，第一象限的放電在沿面放電發(fā)展初期，放電會發(fā)生在90°附近，隨著放電的發(fā)展，其逐漸向0°發(fā)展。

從幅值分布看，沿面放電也是小信號居多，即在譜圖上表現(xiàn)為下面較為密集。兩簇之間幅值特征較為接近，也會具有一定的不對稱型，但其不對稱性不如尖刺放電那樣明顯。

沿面放電是一種特殊的氣體放電現(xiàn)象，沿面閃絡電壓比氣體或者固體單獨作為絕緣介質時的擊穿電壓都低。影響沿面放電電壓的主要因素有:電場分布情況、電壓波形、介質表面狀態(tài)、空氣污穢程度、氣候條件等等。

 

圖4 沿面放電

2.4氣隙放電

絕緣介質在加工的過程中，由于工藝和材料的缺陷，絕緣體內會存在雜質或氣隙，形成絕緣介質中的缺陷。一般情況氣隙中充滿空氣或碳氫氣體，壓力接近大氣壓。當外施交變高壓時，絕緣缺陷處將發(fā)生局部的、重復的擊穿。該現(xiàn)象通常是在高電場強度下，在絕緣體內電氣強度較低的部位發(fā)生，產生局部放電的條件取決于絕緣裝置中的電場分布和絕緣的電氣物理性能。

氣隙放電從相位分布與幅值分布來看，都與沿面放電極為相似，只是氣隙放電中，兩簇的對稱性更強一些，兩者很難區(qū)分。

通過專門的試驗可以區(qū)別兩種放電，即：逐漸加壓，隨著電壓的提高，氣泡放電表現(xiàn)為放電次數(shù)增多，沿面放電表現(xiàn)為放電幅值增大。

圖5 氣隙放電

3  局部放電的危害

局部放電發(fā)生在一個或幾個很小的區(qū)域內（如絕緣內部氣隙或氣泡），放電的能量是很小的，所以它的存在并不影響電氣設備的短時絕緣強度。但是，如果在運行電壓下長期存在著局部放電現(xiàn)象，即使是微弱的放電，也會對開關柜造成危害，它的破壞作用大致有兩種：

1）放電點長期對絕緣件轟擊造成絕緣局部損壞，逐步擴大后，最終使絕緣擊穿；

2）長期放電產生的臭氧、氧化氮等活性氣體在熱的作用下，使局部絕緣受到腐蝕，電導增加，最后導致熱擊穿。

電氣絕緣的破壞或局部老化，多數(shù)是從局部放電開始的，它的危害性突出表現(xiàn)在使絕緣壽命迅速降低，最終影響安全運行。也就是說，一臺內部存在缺陷的開關柜，盡管通過了所有的出廠和驗收試驗，但在長期正常的運行中仍有可能發(fā)生擊穿。這就是近年來人們對產品的局部放電量的監(jiān)測給予高度重視的原因。

               圖6 開關柜局部閃絡                              圖7 電纜接頭破損空穴放電

4  局部放電的監(jiān)測方法

局部放電監(jiān)測是以發(fā)生局部放電時產生的電、光等現(xiàn)象為依據(jù)來判斷局部放電的狀態(tài)。從監(jiān)測源分析，局部放電監(jiān)測技術主要分為聲信號和電信號兩部分。其中，聲信號監(jiān)測技術又分為接觸式和非接觸式兩種；電信號監(jiān)測技術包括暫態(tài)地點波監(jiān)測法和超高頻電磁波監(jiān)測法。目前有脈沖電流法、超聲波監(jiān)測法、特高頻監(jiān)測法等多種監(jiān)測方法。

4.1  脈沖電流法

脈沖電流主要通過監(jiān)測阻抗來監(jiān)測變壓器套管末端接地線、外殼接地線、中性點接地線、鐵芯接地線以及繞組中由于局部放電引起的脈沖電流，或得一些基本放電量。監(jiān)測放電脈沖的電流傳感器通常用羅格夫斯基線圈制成，與被測變壓器僅有磁耦合，而無電氣連接。此法靈敏度高、應用廣泛。

當發(fā)生局部放電時，試品兩端會出現(xiàn)一個幾乎是瞬時的電壓變化，在監(jiān)測回路引起一高頻電流，將它變換成電壓脈沖后就可以用示波器等測量其波形或幅值，由于其大小與視在放電量成正比，通過校準就能得出視在放電量（一般用pC）。

圖8 脈沖電流檢測原理圖

4.2  超聲波監(jiān)測法

是用超聲波傳感器接受電氣設備內部或電力傳輸線局部放電產生的超聲波，由此來監(jiān)測局部放電的大小和位置。由于超聲監(jiān)測法受電氣干擾小以及它在局部放電定位上的廣泛應用，因此人們對超聲監(jiān)測法的研究較為深入，近年來，由于聲-電換能器效率的提高和電子放大技術的發(fā)展，超聲監(jiān)測法的靈敏度有了較大的提高，尤其是在大容量電容器的局部放電監(jiān)測方面，其靈敏度甚至高于電脈沖法。

該方法具有可以避免電磁干擾的影響；可以方便的定位；可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，且在線監(jiān)測與離線監(jiān)測的結果相同等優(yōu)點。但由于超聲波在電氣設備內部的傳播過程是一個很復雜的過程，造成在一些情況下超聲定位實驗不能成功；目前無法利用超聲波信號對局部放電進行模式識別和定量判斷，主要作為一種輔助測量方法。

圖9 超聲檢測原理圖

4.3  地電波監(jiān)測法

當局部放電活動出現(xiàn)在高壓開關柜絕緣層中時，會產生電磁波。放電產生的電磁波大部分被開關柜的金屬外殼所屏蔽，小部分通過金屬殼體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊傳播出去，同時產生一個地電波，通過設備的金屬殼體外表面?zhèn)鞯降叵氯?。?/span>電波在幾個毫伏至幾伏的范圍內，存在時間很短，只是幾個納秒的上升時間。可以在開關柜工作時將探頭放在開關柜的外表面監(jiān)測柜內局部放電活動。

圖10 地點波檢測原理圖

 

4.4  特高頻監(jiān)測法

特高頻監(jiān)測法是通過特高頻信號傳感器接收局部放電過輻射的超高頻電磁波，實現(xiàn)局部放電的監(jiān)測。不同類型的局部放電產生不同頻率成分的電磁暫態(tài)和電磁波，頻段為0.3~3GHz。UHF監(jiān)測技術是一種非接觸的監(jiān)測方法，依據(jù)“場”的原理，通過天線傳感器接受局部放電過程中輻射的超高頻電磁波，從而實現(xiàn)局部放電的監(jiān)測。由于電力系統(tǒng)的干擾信號主要分布在低于UHF的頻段，利用UHF傳感可避開主要的干擾源，且可以實現(xiàn)基于電磁波視差測量的放電定位，有效區(qū)分設備內部的局部放電和設備附近的放電型干擾。

圖11 特高頻監(jiān)測拓撲圖

 

總結

隨著我國機械工業(yè)和電力事業(yè)的飛速發(fā)展，人們對于電力系統(tǒng)運行水平和質量都越來越重視，為避免出現(xiàn)生產安全事故，必須用過多種電監(jiān)測方法對高壓開關柜進行局部放電監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)開關柜的運行故障，提前預防事故的發(fā)生。電力生產是國計民生的大事，電力工作人員還需要對高壓開關柜的局部放電的干擾技術進行深入研究，對所出現(xiàn)的放電現(xiàn)象進行及時的判斷和處理，以保證和提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定及可靠運行。

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