高压开关柜局部放电在线监测系统设计与应用

高压开关柜局部放电在线监测系统设计与应用

王宁

山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司 山西省 035503

摘要：随着电网规模迅速扩大，由开关柜故障造成的经济损失也呈逐年上升态势。国内外运行经验和研究成果表明，大部分高压开关柜事故是由绝缘问题引起。局部放电是加速电力设备绝缘劣化的主要原因，同时也是表征绝缘状态的最有效手段。通过局部放电实时在线监测，可定性或定量分析绝缘劣化程度，对预测开关柜运行寿命、保障其可靠运行具有十分重要的意义。

目前，应用于高压开关柜局部放电检测的方法主要有暂态地电压法、特高频检测法及超声波检测法等。以上方法所测得信号皆为局部放电过程产生的伴生信号，检测结果与视在放电量之间并无直接联系，仅可做定性分析而无法定量校准；同时，由于现场运行环境强电磁干扰源多，实际局放信号幅值小，消噪难度大，若滤波器带宽选择不当，还易造成采集信号发生畸变。鉴于以上情况，亟待寻找一种局放测量新方法用于开关柜局部放电在线监测。

关键词：高压开关柜；局部放电；脉冲电流法；在线监测

引言

开关柜作为变电站内的一次设备，其数量最为庞大，是站内与用户联系最为紧密的设备之一，一旦因设备故障造成相关线路停电，将严重影响供电可靠性。柜内绝缘件受潮、老化等各类绝缘缺陷，是引起运行中开关柜故障的最主要原因。开关柜的绝缘故障通常有一个发展过程，其前期会以局部放电(简称“局放”)的形式表征出来。通过局放检测技术对潜在的缺陷进行预警并告知检修人员处理，能够有效避免事故的发生。

1开关柜局放信号提取

1.1超声波信号提取

由于开关柜局放是电荷的快速释放和迁移过程，而电荷在释放以及迁移的过程中，放电位置周围的电场及机械应力会发生变化，导致粒子力打破平衡状态，并发生粒子振荡变化。由于快速振荡的粒子会引起放电位置周边介质的振动，会有声波信号产生，因此基于此理论实现开关柜局放过程中的超声波信号提取。

1.2电磁波信号提取

根据麦克斯韦电磁场理论，当介质中产生局放时，介质中电场会发生变化，由于电场的变化，会导致磁场发生变化，之后，在变化的磁场中会感应出电场，由于电场与磁场的交变相互激发，并不断向外传播信号，就形成了电磁波。基于此原理，若开关柜内部产生局部放电，会有一部分能量以电磁波的形式由柜体内部转移至柜体表面，由于柜体接地，能在其表面感应出高频电流信号。

2系统概述

2.1信号耦合器

设计的高压开关柜局部放电传感装置主要由

1）耦合电容。作为传感装置的重要组成部分，乃至整个测量系统重要环节，其容值选取具有严格条件限制，固定的测量仪器仅能与特定容值的耦合电容相匹配。为提高开关柜局放检测准确性，本处选用静电容量为1nF、额定电压为10kV的高压陶瓷电容芯棒作为耦合电容Ck。

2）检测阻抗模块。通常情况下，用于局放测量的检测阻抗被分为两类：RC型及RLC型。当对单位时间内的局放脉冲数进行统计并要求对脉冲波形做相关分析时，通常选用不引发振荡的RC型检测阻抗；当出于反干扰要求，测量仪表的放大电路前端连接有带通或调谐滤波器时，选用振荡频率与滤波器谐振频率相吻合的RLC型检测阻抗更为恰当。基于后续电路设计要求，本处设计选用RLC型检测阻抗，通过合理选用电容、电感、电阻等元件，使工频电压输出限定在行业规定的人体安全电压限值36V以下，同时尽可能不影响局放脉冲信号输出。

2.2仪表硬件系统

1）信号调理单元。监测仪表的信号调理单元主要利用无源及有源滤波技术，程控增益放大技术，绝对值峰值检波技术等，对局部放电信号进行相关调理变换。选择合适的检测频带宽度是局放监测系统硬件设计的基础，当高压开关柜通电运行并发生局部放电时，为避免无线电干扰，同时期望增加系统对绝缘状态监测的覆盖面，系统设计信号检测频宽为100kHz~10MHz；同时，因每次放电量大小分布随机性较强，少则几pC，多则上万pC，一般系统测量范围很难满足要求。为解决该问题，本系统采用输入电压范围较宽的程控增益放大电路；通过有源、无源滤波技术，提高测量信号的信噪比，从而增加系统局放检测灵敏度。

2）CPU系统。完成对局放信号的数据采集；完

成信息的本地显示和告警；完成与后台系统的通讯和信息交互。

3）电源系统。依据仪表硬件系统供电要求，将现场照明用电转换，电源输出经纹波处理后分别为信号调理电路、CPU系统及外围电路供电。

3局部放电检测技术

3.1超声波检测方法

高压开关柜的局部放电是指不断释放电荷导致放电的过程。局部机械应力，电场应力和粒子力不平衡，从而引起振动和变化。机械应力和粒子力的波动将导致介质振动，从而产生声音信号。超声检测方法使用检测器来获得局部超声信号，以检测高压开关柜的局部放电。这种检测技术的特点是传感器和电路不连接，也不会受到电磁干扰。但是，超声波检测技术的实际应用将取决于外围设备的振动和外部噪声。

3.2特高压检测方法

特高压检测方法使用特高压传感器设备检测由局部放电产生的特高压电磁波信号，并获取诸如局部信号的幅值和相位之类的信息。高压开关柜是封闭的金属设备。特高压信号只能通过机柜中的检测孔或狭缝传输。特高压信号只能通过将外部传感器放在机壳孔隙口中来检测。与超声检测相比，特高压检测方法具有更好的抗干扰能力。可以根据波形的特性来确定缺陷的类型，并且可以通过测量电磁波的时间差来精确地确定放电的位置。它可以有效消除高压开关柜及其周围区域的局部放电，并区分放电类型。

4基于泛在电力物联网的开关柜局放监测系统构建

4.1感知层

开关柜智能传感器可以周期性检测开关柜超声波局放信号、暂态地电压局放信号并测量柜体表面温度、湿度。传感器采用电池供电，使用磁吸式固定，安装在开关柜外表面，可根据现场需要配置传感器数量。设置检测周期后，传感器定期采集环境温度、湿度以及开关柜的超声波局放信号、TEV局放信号，通过物联网将采集的数据上传至站内集控单元，实现开关柜多元数据的感知上送。

4.2网络层

网络层由站内集控单元组成，其负责对站内所有开关柜智能传感器进行集中控制，通过物联网与智能传感器间进行通信，全程自组网，无需人工干预，可将所有智能传感器采集到的多元数据进行处理、存储及上送。与AI大数据云平台间目前采用4G通信，保留RJ45及光纤接口，具备后期接入电力内网的条件。现场可采用固定式、移动式安装，AC220V供电。

结语

本系统基于脉冲电流法，可以有效、直观地反映开关柜内部绝缘状况，能够有效降低整个系统的运维成本并有效预防灾难性故障的发生。

1）通过该装置可以有效测量高压开关柜上的局部放电现象，提高了开关柜局部放电数据获取的准确性和可靠性，实现了开关柜局部放电全寿命周期监测自动化、智能化；

2）本系统可以有效解决开关柜绝缘状态分析对数据的在数据“量”和数据全面性方面的需求，为绝缘状态分析提供可靠的数据保障。

参考文献

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