技术与应用 高压 开关柜局放特性的研究及监测 蒋远东 刘显强 梁庆龙 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 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ ＰＤ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ｊｉａｎｇ Ｙｕａｎｄｏｎｇ Ｌｉｕ Ｘｉａｎｑｉａｎｇ Ｌｉａｎｇ Ｑｉｎｇｌｏｎｇ Ｙｕ Ｆｅｉ Ｙｕ Ｄｅｎｇ￣ （１．Ｑｉｎｚｈｏｕ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｂｕｒｅａｕ，Ｑｉｎｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｘｉ ５３５０００； ２．Ｗｕｈａｎ Ｆｅｎｇｈｕｏｆｕｈｕａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｋｅｅｐ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｉｔ Ｓ ａｎ ｕｓｅｆｕｌ ｍｅａｎｓ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ，ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ—ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｗｅ ｃｈｏｓｅ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ ｃｏｉｌ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｈａｄ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｎｄ ｏｎ—ｌｉｎｅ，ｒａｐｉｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｅｈｇｅａｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ：ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｐｕｌｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｒｏｇｏｗｓｋｉ ｃｏｉｌ； ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅａ１．．ｔｉｍｅ ａｎｄ ｏｎ．．１ｉｎｅ 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 用［２－３１。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， 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ｌ１］。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 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一６０２７０的局 放测量标准＿４１。 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， ｌ 高压开关柜的局部放电特性 局部放电（简称局放，ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）是指 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 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；液体一气泡）；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 全性，同时也为智能电网的建设起到积极的促进作 Ｉ ５８ ｌ电寰霉ｌ技７ｌｔ ２０１３年第５期 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＿６Ｊ。 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 技术与应用 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）ＪＥ比于被测原电流ｉｌ（，） 随时间ｔ的变化率，即 ２０１３年第５期电耋墨薯技７ｌｔ Ｉ ５９ 技术与应用 “（ｆ）＝ ‘（ｔ）／ｄ（ｔ） （１） 式中，ｉｌ（ 垂直通过测量线圈所在的平面， 为互 感系数。罗氏线圈的白积分等效电路如图２所示， 其中ｉ２（ｔ）为线圈感应产生的感应电流， 。为线圈的 自感系数，Ｒ 诶线圈绕线的电阻，ｃ０为线圈绕线与 线圈外壳问产生的分布电容，通常Ｃｏ很小，可以忽 略。由图２中的等效电路图，其回路方程为 （ｆ）： Ｍｄｉ１（ｔ）Ｌｏｄ ｉ２（ｔ）＋（Ｒ１＋Ｒ）ｉ：—一２（ｆ）（２） ＵＺ ＵＺ 若要使ｉ２（ｔ）与ｆ１（ｉ）同相位，则有 （Ｒｏ＋ ） （ｆ）＝０ （３） 或 Ｌ】ｄｉ２（ｔ）／ ＞＞（ ＋ ） ２（ｆ） （４） 令 ＝（Ｒ０＋Ｒｓ）／Ｌ０ （５） ｉ２（ｔ、＝Ｉｍｅ ｓｉｎ ｃｏｔ （６） 将式（６）带入式（４）可得 Ｌｏｃｏｌｍｅ ｃｏｓｃｏｔ—ＬｏａＩｍｅ ｓｉｎ ｃｏｔ＞＞… （ ＋ ） ２（ ）／ｍｅ ｓｉｎｏｔ 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ｄ一０。 并且考虑到ｓｉｎｃｏｔ、ｃｏｓｃｏｔ均为有界函数，则式（７） 可转化为 Ｌｏ ＞＞Ｒｏ＋Ｒｓ （８） 此时，式（２１可略去尾项变为 ＾ ‘（ｔ）／ｄ（ ）＝Ｌｏｄｆ２（ｔ）／ｄＯ） （９） 对式（９）左右两边对ｔ积分可得 ‘（ｆ）＝Ｎ／２（ｆ） （１０） 式中，｜ｖ为罗氏线圈的匝数。通过式（１０）可见， ｉ２（ｔ）与ｉｌ（ｆ）成线性关系且同相位【 ，即“（ｆ）与６（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 为土０．５ｍＡ。 ４）线性度好，输出失真小：局放脉冲电流幅度 为土０．５￣ｉｌ０００ｍＡ无失真。 ５）安全可靠：与高压回路之间无直接连接，安 ６０ ｌ电气技柬 ２０１３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、调幅一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闽值，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ｌｌ 。 ３ 实验测试 根据脉冲电流法研制出Ｊ，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。 在高压开关柜内进行放电实验的接线图如图４ 所示，局放传感器环套在三相电缆分支前的接头处， 获取三相的全部电信号。在高压开关柜中，没有局部 放电发生时，三相的全部电信号的幅值一致，且具有 固定相位差，局放检测仪只能探测到电缆上的噪声信 号。当有局部放电发生时，局放所产生的脉冲电流会 沿着电缆传输，置放在三相电缆分支前接头处的环形 局放传感器即可探测到脉冲信号，并经过 ‘算机软件 的处理显示并记录下来。本系统的局放信号软件采用 了小波分析原理，能获得更好的信噪比。