摘要：随着我国经济的快速发展，电力行业已经成为国民经济发展中的支柱性产业。电网改、扩工程不断加快，变电站的数量呈现不断增长趋势，电力设备正向着高智能化、高可靠性的方向发展。高压开关柜是使用最广、数量最多的开关设备，它的运行及维护直接影响到局部区域的供电可靠性。根据多年的运行经验，高压开关柜主要存在机构缺陷、过热缺陷及绝缘缺陷三大方面的缺陷问题，开展带电测试或在线监测，能有效降低设备故障率。近几年，局部放电在线监测技术已经在国内多个运行单位推广使用。目前，该项技术对绝缘问题的监督效果不仅与停电试验相比较没有降低，而且由于采用的是不停电监督方式，减少停电时间及事故的发生，使供电可靠性得到了提升，进一步提升自动化程度，具有进一步的研究推广的价值。
关键词：高压试验；高压开关柜；局部放电；在线监测
随着我国经济的快速发展，电力行业已经成为国民经济发展中的支柱性产业。电网改、扩工程不断加快，变电站的数量呈现不断增长趋势，电力设备正向着高可靠性、高智能化的方向发展。高压开关柜是城市配电网中重要基础设施，其运行的稳定性直接影响到城市经济的发展,人民生活水平质量的提高。因此，高压开关柜的可靠性直接决定了用户供电的可靠性。
根据多年的运行经验，高压开关柜主要存在机构缺陷、过热缺陷及绝缘缺陷三大方面的缺陷问题，开展带电测试或在线监测，能有效降低设备故障率。近几年，局部放电在线监测技术已经在国内多个运行单位推广使用。目前，该项技术对绝缘问题的监督效果不仅与停电试验相比较没有降低，而且由于采用的是不停电监督方式，减少停电时间及事故的发生，使供电可靠性得到了提升，进一步提升自动化程度，有进一步的研究推广的价值。
1、高压开关柜的局部放电
在高压开关柜绝缘系统中，各部位的电场强度存在差异，某个区域的电场强度一旦达到其击穿场强时，该区域就会出现放电现象，施加电压的两个导体之间并未贯穿整个放电过程，即放电未击穿绝缘系统，这种现象即为局部放电。每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢，而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。这是使高压开关柜绝缘损坏的一个重要因素。因此，设计高压开关柜的绝缘时，要考虑在长期工作电压的作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。对运行中的高压开关柜要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。
2、高压开关柜局部放电的监测方法
高压开关柜的局放检测与故障诊断，是开关柜类设备实现状态检修的重要状态信息量，是保证设备安全可靠运行的关键。局部放电的测试方法可分为的非电量测量法和电量测量法。局部放电的非电量测量法主要有光测法、声测法、化学检测法红外检测法。局部放电的电量测量法主要有以下几种：
（1）脉冲电流法。脉冲电流法是通过测量阻抗、外壳接地线等由于局部放电引起的脉冲电流信号，由此测出放电量。这是最早使用，也是应用最广的一种监测方法，脉冲分辨率高，但是存在着不足，比如抗干扰能力差，信噪比较低。
（2）泄漏电流测量法。泄露电流测试法主要用于对绝缘子或者绝缘环氧套管表面的泄露电流和局部放电的测试，使用特制的引流环拾取泄露电流信号，根据泄漏电流的大小来判断绝缘情况，具有较高的准确性。
（3）超高频法。超高频法是依据超高频传感器接受放电过程中产生的电磁波来检测放电信号的。该方法的灵敏度相对较高，且具备较强的抗干扰能力，实际应用过程中，局放信号的检测可以利用两个探头来进行，将探头检测到信号的时间顺序作为判断依据，放电源的距离较近，就会被先检测到，探头位置不断变化，可以将放电源的大致位置逐步判断出来。
（4）超声波检测法。超声波检测属于机械振动波的一种，基于能量的角度而言，局部放电的过程即为能量瞬时爆发的过程，电能通过声能、光能、热能以及电磁能的形式释放出去，电气击穿发生在空气间隙，瞬间就可以完成放电，此时电能也会在一瞬间转化为热能，放电中心的气体受到热能的作用会发生膨胀，通过声波向外传播，传播区域内气体被加热后形成一个等温区，其温度超出环境温度。等到这些气体冷却后开始收缩，则会产生后续波，后续波的频率以及强度均比较低，包含各种频率分量，有很宽的频带，超声波的频率大于20kHz。因为局部放电的区域相对较小，所以局放声源即为点声源。
3、高压开关柜在线监测的方法
高压开关柜的“在线监测”是监测设备长期运行时，当高压开关柜绝缘部分的表面或者内部降解，特别是受到环境应力或者电应力时，在老化过程开始后，运行状况会变得至关重要，标准的维护过程通常不能检测并解决该问题。高压开关柜工作的可靠性直接影响电力系统的安全稳定运行，随着传感器技术、信号处理技术的迅猛发展和人工智能化的广泛应用，使得高压开关柜在线监测成为一种可能，为高压开关柜的在线诊断提供了技术支持。
近几年，局部放电在线监测技术已经在国内多个运行单位推广使用，随着高压开关柜故障在线诊断技术的发展，针对不同的在线监测对象，发展了多种局部放电在线监测方法，例如高压开关柜局部放电UHF在线监测系统的研究、暂态对地电压检测技术、泄漏电流法的高压开关柜局部放电在线监测的研究等。
（1）UHF在线监测GIS设备局部放电
UFH局放监测系统由超高频天线传感器、信号调理单元、高频同轴电缆、数据采集卡以及装有虚拟仪器系统软件的计算机组成，UHF法的关键是超高频信号的采集。GIS设备的基本构造由特高压电杆和金属外壳构成的同轴电导体，相当于将不同特性阻抗的低损同轴传输线进行串联，构成了传播电磁波的导波。随着时间的变化，局部放电所产生的电磁振动会产生电磁波，在固体与气体介质中，局部放电脉冲会发生很高的电磁波超高频分量，最高可达数GHz。根据GIS设备内超高频局部放电信号的传播特征，获取GIS超高频局部放电信号的常见方式有外置传感器和内置传感器两种采集方式。内置传感器采集方式可以直接接收被测信号，具有较高的传导性，但安装要求较高。只能在生产时进行安装，对于已运行的设备则无法加装内置传感器。而且对空间本不大的GIS设备，安装内置传感器可能会影响内部电场的分布。外置传感器的出现，克服了内置型传感器安装所存在的不足，还具有使用便捷，不受环境限制，可定位放电点等特点。此时UHF高频天线传感器采集到局放信号，将电磁波信号转换为微电压信号，通过50Ω的高频双屏蔽同轴电缆将微电压信号传输到信号调理单元。信号调理单元由放大电路、放大滤波电路、频谱搬移电路、偏置电路组成。由于局部放电信号产生的电磁波信号频带较宽，而且现场的环境也存在大量电磁干扰信号，放大电路将微电压信号进行放大后，用前端滤波放大电路采用带增益的带通滤波，保留带宽为300kHz-1200kHz 的高频信号。由于高频信号不利于 A/D 转换器的采样，所以由频谱搬移电路完成高频信号到低频信号的变换。再由偏置电路实现电路的加法运算，将最终输出信号转变为符合数据采集卡要求的 0~3V 的电压信号。通过50Ω的高频双屏蔽同轴电缆将微电压信号传输到装有虚拟仪器系统软件的计算机上。计算机运用软件提取出恢复后的频谱信号的特征参量和在实验条件下得出的各放电类型的特征参数模式识别，来诊断放电信号的类型。最后，统计出放电发生的频率次数和幅值作为表征放电强度的参数，将所有的放电强度的参数传送至监控室上位机，当监测到放电情况严重时，就会触发出声光报警信号。UHF超高频对GIS设备放电在线监测单元结构如图所示。
（2）暂态对地电压检测高压开关柜局部放电
当高压开关柜在发生局部放电的过程中，将产生电磁波，电磁波首先传到金属外壳的内表面，然后从金属箱体的内表面通过箱体的连
接处或绝缘衬垫等处传播出去，同时产生一个暂态对地电压（TEV），并且暂态对地电压（TEV）只有几伏安且只能维持几十纳秒，通过设备的金属箱体外表面而传到地下去。
我们可以通过在运行中的高压开关柜的金属外箱壳上安装一个探测器来检测暂态对地电压（TEV），以此来判断高压柜中的局放情况。这种（TEV）信号的大小与局部放电的激烈程度及放电点的远近有直接关系。可以利用专门的耦合探测器进行检测。这样相应地产生了一门在外部检测不同型号、不同电压等级的设备绝缘状况的先进技术。
为了简单明了，我们用相对的读数（dB）和放电脉冲频率，来描述局部放电活动程度。通过检测局部放电产生的（TEV）信号，不仅可以对运行中的开关柜内的设备局部放电状况进行定量测试，又可通过同一放电源到不同位置的时间差异来对局部放电源进行定位，同时还可以对现场的开关设备的局部放电状况进行在线监测。TEV电压信号（mV）与信号输出分贝值（dB）的转换关系为dB=20log（mV）。
利用暂态对地电压（TEV）测量技术，对高压开关柜进行在线监测，改变了传统的测试方式，大大提高了发现设备绝缘缺陷的几率，同时还可结合设备巡视进行定期局放在线监测，延长定检周期，也为今后设备的检修提供了依据。
4、展望
高压开关柜是智能电网的重要组成部分，主要在电力系统的发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制、保护作用，其运行的稳定性直接影响到电网的安全稳定运行。高压开关柜局部放电在线监测是一个多学科相互交叉的应用型研究，是一个具有实际应用价值的课题。其中超高频法作为局部放电的一种重要的检测方法，由于其检测灵敏度高、抗干扰能力强具有较好的应用前景。
局部放电的超高频在线监测是一种实时监测设备局部放电状况，发现绝缘故障隐患，实现故障预警的有效手段，目前为止，国内外学者对其进行了大量的研究。UHF法率先在英国、法国、日本和德国展开了部分理论分析和试验研究。日本东芝电气公司曾应用UHF法对2个300kV变电站的局部放电进行过测量，发现可以通过对比传感器超高频信号的幅值定位放电源。
开发一种适用范围广、安全可靠性强的局部放电在线监测系统，对运行中的高压开关柜进行实时监测，通过实时的运行状态数据，来判断设备的运行情况，掌握设备运行情况，及时发现故障隐患，及早采取措施，可以避免事故进一步扩大，也减少了不必要的维修，实现预知性、针对性的维护，对保障电网安全稳定运行具有深远的理论意义和广泛的实用价值。
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论文作者:王育松
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/21
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