摘要：在研究高压开关柜局部放电检测原理的基础上，提出了一种基于超高频电磁波，结合超声波及紫外成像对放电源进行精确定位的方法，并对其检测原理进行了阐述，最后通过一起典型案例的应用验证了该技术能精确找到高压开关柜局部放电点，高效指导检修工作的开展。
关键词：局部放电；超高频电磁波；超声波；紫外成像；定位
Application and analysis of the combined location of sound and photoelectric joint localization of high voltage switch cabinet
Mo Zhong-hui
（Guangdong Power Gird zhanjiang Power Bureau，Zhanjiang，524005，China）
Abstrct：On the basis of studying the detection principle of partial discharge in high voltage switchgear，a method based on ultra-high frequency electromagnetic wave is proposed，which combines ultrasonic and ultraviolet imaging to locate the discharge source accurately. The detection principle is expounded. Finally，the application of a typical case proves that the technology can find high voltage switch accurately. The partial discharge point of the cabinet can effectively guide the maintenance work.
Key Words：Partial discharge；UHF electromagnetic wave；ultrasonic wave；ultraviolet imaging；location
1 引言
高压开关柜是电力系统的重要电气设备，在变电站和大型用户中得到广泛应用，其运行可靠直接关系到电力系统的电能质量及供电可靠性。因此，对高压开关柜的运行状态进行实时监测、预判和合理检修是保证开关柜安全运行的关键。
由于存在电、热、化学等因素的影响，开关柜内的电气设备在长期运行中必然存在绝缘劣化现象，从而引起局部放电。有资料表明，我国电力系统配电电压等级开关事故中机械故障占33.3%，绝缘故障占37.3%，温升故障占8.9%，其它占20.5%，由此可看出绝缘故障占有很大的比重。开关柜发生故障前在事故潜伏期内会有放电现象产生，在放电过程中，能量主要以电磁、声波和气体形式释放，这些成为局部放电检测的主要物理量，故可以通过对放电的检测能够得到绝缘隐患的相关信息。国内外对高压开关柜局部放电的超高频、暂态地电波、超声波等检测技术开展了较多的研究，但是对局部放电的精确定位技术研究并不多见[1-4]。
2检测原理
2.1超声波检测原理（AE法）
放电产生的电磁波频谱很宽，可以从几十赫兹到几兆赫兹，其中频率低于20 kHz的信号能够被人耳听到，而高于这一频率的超声波信号必须用超声波传感器才能接收到。超声波检测方法是将局部放电产生的超声波高频信号变换成音频段，经过一定的信号处理通过音频放大将信号显示或播放出来。因开关柜的噪声主要集中在低频领域，大多在20 kHz以下，所以该方法可不受外部噪声的干扰，且可实现准确定位，这是该检测方法最大的优点。
因沿面放电产生的TEV信号和电磁波频率比内部放电要弱或低，无法被TEV传感器检测到，但可以被超声波传感器检测到，故超声波检测对严重沿面放电较为敏感，特别是缺陷反应为振动信号时，有较高的灵敏度。由于超声波检测时探头完全置于设备外部，放电信号通过绝缘介质衰减严重，灵敏度较差，定量分析比较困难[5]。
2.2超高频电磁波检测原理（UHF法）
局部放电检测超高频电磁波基本原理是通过特高频传感器对电力设备中局部放电时产生的超高频电磁波300MHz～3GHz信号进行检测，从而获得局部放电信号的相关信息，实现局部放电监测。UHF检测法在近年来发展十分迅速，应用也日益广泛，相对其他电检测法具有很多无法比拟的优点，具体的优点主要有：由于UHF电磁波频率很高，可以很好的避开常规频率的电磁信号的干扰，使得该方法具有很好的抗干扰特性，具有很高的灵敏度，可以及时准确的检测到绝缘故障。根据电磁脉冲信号在传播过程中具有衰减的特点，可以利用多个传感器检测到UHF信号的时间差，进行故障定位，且定位精确度较高。
特高频信号可以输入示波器等信号处理设备，实现局部放电带电检测、定位及缺陷类型识别等功能[6]。
2.3紫外成像原理
电气设备在大气环境下工作，在某些情况下随着绝缘性能的降低，出现结构缺陷，或表面局部放电现象，电晕和表面局部放电过程中，电晕和放电部位将大量辐射紫外线，这样便可以利用电晕和表面局部放电的产生和增强间接评估运行设备的绝缘情况和及时发现绝缘设备的缺陷，在高压电器设备发生局部放电试验时可帮助寻找或定位[7]。
2.4 声光电联合定位检测原理
首先声电联合定位检测是基于电磁波在各种介质中的传播速度远远大于超声波的传播速度实现。与超声波信号相比，超高频电磁波信号的传播时间几乎是可以忽略的，故可作为参考基准。测试中以超高频信号作为参考基准，不断移动超声波传感器的位置，使获得的超声波信号时延最短，此时放电源离超声波传感器最近。然后根据放电点至超声波传感器之间的传播时间t和速度v，即可计算出放电点至传感器间的距离。同时采集超声波（声）和超高频电磁波（电）信号，则两个信号间的时间差就是超声波信号的传播时间t，如图1所示
图1 超声波信号时延图
局部放电点距离超声波传感器的距离为：
其中，v1为电磁波的速度、v2为声速，t为传播的时差。
其次在声电联合定位检测后，使用紫外成像技术进行进一步的辅助确认，电气设备由于绝缘性能的降低或出现结构缺陷时，设备表面将产生局部放电现象，放电过程中，电晕和放电部位将大量辐射紫外线，使用紫外成像仪可观察到包含局部放电信号的图像，进一步验证声电联合定位点是否准确，即为声光电联合定位。
3 检测系统
检测系统包括高精度示波器、手持式仪器、超高频传感器、紫外成像仪四大部分。其中，高精度示波器采用安捷伦6000系列示波器、手持式仪器采用广州华盛公司生产的PDS-T90便携式开关柜局放测试仪、超高频传感器采用PDS-US02C型传感器、紫外成像仪采用南非CSIR公司研制的CoroCAM 504紫外成像仪。
3.1 安捷伦6000系列示波器
示波器采用安捷伦6000系列示波器，具有4通道测量功能，提供300MHz 带宽和2.5 GS/s 实时采样速率，通道输入阻抗有50Ω和1MΩ两个档位可供选择，测试中要求传感器连接示波器的同轴电缆要长度相同，波阻抗相同，各通道横纵坐标的设置要相同。
3.2 PDS-T90便携式开关柜局放测试仪
PDS-T90便携式开关柜局放测试仪是广州华盛公司生产的用于开关柜局部放电普测的便携式仪器，采用非接触式检测方式，具有特高频测试、超声波测试、暂态地电波测试三种模式，在声电联合定位检测系统中采用其超声波测试模式。超声波传感器采用内置式、非接触式传感器，以分贝（dB）数值显示给测试者，并且具有音频输出功能，可以通过示波器分析信号时域特征或者通过频谱仪分析信号频域特征。
3.3 PDS-US02C型传感器
PDS-US02C型传感器是利用电容耦合原理获取超高频电磁波信号，该传感器具有两个输出端口，分别是RO输出端口和HO输出端口，其中RO端口输出信号是经过一系列检波处理后的信号，信号属ms级；而HO端口输出的是局部放电原始信号，信号属ns级。
3.4CoroCAM 504紫外成像仪
CoroCAM 504紫外成像仪是南非CSIR公司研制的紫外成像仪器，基于紫外光成像检测原理，将可见光图像与紫外图像采用特定的图像处理与融合方法，输出包含局部放电信号的图像，达到确定局部放电位置与强度的目的。
4典型案例
2017年9月25日，对110kV某变电站10kV开关柜进行局放巡检，发现泰汇线F19开关柜到富虹线F09开关柜等6面柜暂态地电压信号偏大，幅值对比见图2。
图2 TEV局放巡检测试数据幅值比较
从图2可以观察到，越靠近怡福线F13开关柜信号幅值越大，信号在F13开关柜处出现最大值，初步推测局部放电源在怡福线F13开关柜附近。
4.1 超声波检测
随即采用超声模式对泰汇线F19开关柜到富虹线F09开关柜等6面柜柜后缝隙处进行检测，使用耳机，在F13开关柜处可听到放电的“嘶嘶”声，在左右相邻的F11开关柜、F15开关柜没有听到明显的放电声。进一步判断局部放电源来自F13开关柜。
4.2超高频检测
使用超高频检测仪在怡福线F13开关柜柜后进行检测，可以检测到超高频信号，检测结果如图3所示。
图3 特高频PRPD&PRPS图谱
由图3可知，10kV怡福线F13开关柜存在异常特高频信号。根据图谱分析，单周期出现1簇特高频信号脉冲，脉冲幅值大小不一，初步判断为绝缘类型放电。
综上，地电波（TEV）局放检测法、超声波局放检测法、超高频局放检测法在F13开关柜均检测到局部放电信号，不同的测试方法互相印证，因此确定F13开关柜存在局部放电现象。
4.3 声电联合定位检测
通过时域波形时差确定放电位置，按照放电位置应该靠近时差最小检测点的原则，选取图4中4个位置做为超声波测试点，根据定位波形，最终确定时差最小点为④号位置，时差为2.1ms，经过折算，深度为靠近柜后面板0.6米处。根据开关柜结构初步判断局部放电点位于真空断路器底部位置。
图4 声电信号时差最小位置示意
纵座标为幅值（100mV/格），横座标为时间（1ns/格）
图5 声电联合定位波形
4.4停电检查及处理
2017年9月27日，根据带电测试的情况，安排对10kV怡福线F13开关柜进行停电检查。在检修前对开关柜整体进行交流耐压试验，并用紫外成像仪检测放电情况，发现当电压达到6kV时
图6 紫外成像图
真空泡下端的绝缘子处有明显的放电现象，使用特高频传感器和超声波传感器均能检测到放电信号，
耐压试验结束后检修人员对开关柜内的设备进行外观检查，发现A相真空泡下端绝缘子表面出现小范围的裂纹，存在轻微的放电痕迹，检修人员对此绝缘子进行了更换，并检查了另外两相的相同位置绝缘子，未发现此类情况，怀疑是个别绝缘子在制造时的工艺问题造成的绝缘缺陷，在进行完所有检查，使用酒精对所有部件进行清抹后，再次进行交流耐压试验，交流耐压试验通过，也未再观察到放电现象。此开关柜的放电现象消除，说明了本次检修的方法及策略有效，找到了开关柜局放的根源并予以消除。通过停电检查，验证了此次局放测试及定位的准确性，并及时消除了缺陷，避免设备故障的发生，保证了供电的可靠性。
5. 结论
（1）利用超高频电磁波、超声波、紫外成像三种检测原理结合的声光电联合定位检测技术，成功应用于开关柜局部放电定位检测，大大提高检测定位能力，实现局部放电点的精确定位，高效的指导检修工作的开展。
（2）通过对开关柜局部放电检测仪的应用，为预防性试验的测试结果进行补充，从而预先发现开关
柜内潜在的故障点，确保现场设备持续、安全、有效地运行，提高供电可靠性。
参考文献：
[1]周泽存，沈其工，方瑜．高电压技术[M]．北京：中国电力出版社，2004：362-363.
[2]施 围，邱毓昌，张乔根．高电压工程基础[M]. 北京：机械工业出版社，2008.
[3]陈化刚．电力设备预防性试验方法及诊断技术[M]. 北京：中国水利水电出版社，2009.
[4]田 勇，田景林．6～10 kV开关柜事故统计分析与改进意见[J]．东北电力技术，1996，（8）：5-10．
[5]任明，彭华东，陈晓清，等．采用暂态对地电压法综合检测开关柜局部放电[J]．高电压技术，2010，36（10）：2460-2466.
[6]刘云鹏，王会斌，王娟，等．高压开关柜局部放电UHF在线监测系统的研究[J]．高电压技术，2009，45（1）：15-17.
[7]迟殿林，曾庆力，孙时新．用紫外成像检测绝缘子[J]．高电压技术，2006，32（2）：71-73
论文作者:莫仲辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：开关柜论文; 局部论文; 信号论文; 超声波论文; 电磁波论文; 示波器论文; 传感器论文; 《电力设备》2018年第19期论文;