高压开关柜内部缺陷的局部放电信号特征研究

郑莹莹 ，吕俊涛 ，黄 锐 ，周大洲 ，任敬国

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；3.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

高压开关柜广泛应用于电力系统的所有电压等级变电站中，是站内电气设备的重要组成部分。随着状态检修工作的推进，开关柜运行检修工作重点将逐步从停电例行试验转移到设备状态检测［1-3］。通过红外成像、暂态地电压、超声波局部放电和特高频局部放电检测4种带电检测手段，实现对开关柜状态的全面诊断。其中，红外成像技术已经比较成熟，而局部放电检测技术研究，尤其是内部缺陷的局部放电信号特征研究，直接影响基于不停电检测的开关柜状态检修工作开展，对内部缺陷检测的现场实用化技术和诊断判据有重要意义［4-7］。

1 高压开关柜局部放电信号模拟试验平台

为实现高压开关柜内部缺陷的局部放电信号识别和分析，搭建试验平台，物理模拟金属尖端、悬浮电极、自由金属颗粒和绝缘气隙4种缺陷，并对每种缺陷的暂态地电压、超声波和特高频局部放电信号进行分析。

高压开关柜内部缺陷的局部放电信号试验平台包括无局部放电高压电源、开关柜、数字式局部放电检测系统、暂态地电压、超声波和特高频检测装置及变电站局部放电检测与定位系统PDS-G1500等，系统接线见图1。

无局部放电电源由隔离变压器T1和升压变压器T2组成，输入采用380 V交流电源，输出电压最大为50 kV。隔离变压器用于实现供电电源与试验回路的隔离；升压变压器用于进行电压调整，其高压端串接一个1 MΩ的限流电阻，防止试品击穿时回路电流过大而损坏变压器。

数字式局部放电检测系统包括耦合电容、测量阻抗和数字式局部放电仪。耦合电容与测量阻抗串联，测量阻抗连接数字式局部放电仪，用于试验回路局部放电量的定量观测。整个电源设备连接处和设备内部均做了防电晕处理，高压端为表面光滑的圆形铝制均压环且中间可引出高压导线，试验回路放电量小于2 pC。

变电站局部放电检测与定位系统PDS-G1500用于实现暂态地电压、超声波和特高频局部放电信号的检测以及幅值分析、频谱分析等功能。

开关柜模拟装置从结构上分为4个部分，包括负荷开关、母线、电缆和控制保护等。负荷开关采用三工位开关，SF6气体绝缘，环氧树脂外壳结构，具有合闸、分闸和接地3种位置。

送电前需先确认负荷开关的状态为接地，然后分开接地开关，再合负荷开关。停电时需先确认负荷开关的状态为合闸，然后分开负荷开关，再转至接地位置，然后再开门更换模型试品。某一相在进行加压试验时，需要确认另两相及外壳可靠接地。

2 局部放电缺陷模型

目前，开关柜中最常见的内部缺陷模型包括金属尖端、悬浮电极、自由金属颗粒和绝缘件内部气隙4种。其中，金属尖端放电包括导体或柜体表面的毛刺、内部非移动金属异物等；悬浮电极放电主要是松动部件的悬浮电位放电；自由金属颗粒放电主要是金属颗粒和开关柜部件之间的放电；绝缘件内部气隙放电包括绝缘件内部空隙、裂缝等。4种缺陷的物理模拟模型如图2所示。

图2 缺陷物理模型

4种缺陷模型采用同样的圆筒状结构，上端为高压电极，下端为接地端，中间采用有机绝缘玻璃作为支撑件，内部设置相应的缺陷模型。为提高绝缘性能，模型内部可充绝缘油。

金属尖端模型采用高压端向下延伸的金属尖端结构。悬浮电极模型高压端和接地端向内部延伸，形成小段距离的平板电极，电极间采用环氧树脂浇注并内置小块金属片。自由金属颗粒模型高压端向下延伸形成较大的平板电极，在接地端上放入金属颗粒。绝缘气隙模型高压端和接地端向内部延伸，形成小段距离的平板电极。高压电极内置小块金属件与接地电极的环氧树脂浇注件，两者间形成气隙。

按照以上设计原则，在试验平台10 kV开关柜内设置了4种缺陷模型如图3所示。

图3 缺陷实物模型

3 局部放电信号特征分析

采用数字式局部放电仪进行局部放电量标定，利用变电站局部放电检测与定位系统PDS-G1500对4种缺陷的暂态地电压、超声波和特高频信号进行幅值和频谱分析。

3.1 金属尖端局部放电信号分析

金属尖端模型的起始放电电压为5 kV，放电量为54.72 pC，放电幅值较稳定、次数较多，且分布在负半周的第三、四象限内，如图4（a）所示。

金属尖端放电的暂态地电压信号幅值最大值约270 mV，频率分布在 0～30 MHz范围内，其中在4～10 MHz频率范围内信号较为丰富，且在5 MHz和8 MHz处有信号尖峰，如图 4（b）和图 4（c）所示。

金属尖端放电的特高频信号幅值最大值约75 mV，这是由于特高频传感器所适用的频率高于300 MHz，针对低频率的信号幅值响应略低。特高频信号频率主要分布在300 MHz以下，在150～250 MHz频率范围内信号较为丰富，如图 4（d）和图 4（e）所示。

金属尖端放电的超声波信号幅值最大值约250 mV，频率分布在 10～120 kHz范围内，在15～70 kHz频率范围内信号较为丰富，如图4（f）和图4（g）所示。由于超声波信号时间跨度较长，且金属尖端放电次数多，所以信号图谱会存在混叠。

图4 金属尖端放电信号

3.2 悬浮电极局部放电信号分析

悬浮电极模型的起始放电电压为3.5 kV，放电量为318.45 pC，放电次数少，且对称分布在第一、三象限，如图 5（a）所示。

悬浮电极放电的暂态地电压信号幅值最大值约800 mV，频率分布在50 MHz以下，在4～22 MHz频率范围内信号较为丰富，且在6.0 MHz、7.4 MHz、18.4 MHz和20.4 MHz处有信号尖峰，如图5（b）和图5（c）所示。

悬浮电极放电的特高频信号幅值最大值约1.3 V，信号频率主要分布在1.5 GHz以下，在200～400 MHz频率范围内信号较为丰富，如图 5（d）和图 5（e）所示。

悬浮电极放电的超声波信号幅值最大值约270 mV，频率分布在10～160 kHz范围内，在75～90 kHz频率范围内信号较为丰富，如图5（f）和图5（g）所示。

图5 悬浮电极放电信号

3.3 自由金属颗粒局部放电信号分析

自由金属颗粒模型的起始放电电压为5 kV，放电量为14.25 pC，放电次数和幅值无规律，如图6（a）所示。

自由金属颗粒放电的暂态地电压信号幅值最大值约60 mV，且与其他类型放电相比衰减时间较长。信号频率分布在22MHz以下，在16～19 MHz频率范围内信号较为丰富，如图6（b）和图6（c）所示。

自由金属颗粒放电的特高频信号幅值最大值约320 mV，信号频率主要分布在200 MHz～2 GHz范围内，其中在300～400 MHz、0.5～1 GHz频率范围内信号较为丰富，且在350 MHz、900 MHz处有信号尖峰，如图 6（d）和图 6（e）所示。

自由金属颗粒放电的超声波信号幅值最大值约1.1 V，频率分布在～120 kHz范围内，在90～105 kHz频率范围内信号较为丰富，如图 6（f）和图 6（g）所示。

图6 自由金属颗粒放电信号

3.4 绝缘气隙局部放电信号分析

自由金属颗粒模型的起始放电电压为2 kV，放电量为102.99 pC，放电信号呈正负半周对称，如图7（a）所示。

绝缘气隙放电的暂态地电压信号幅值最大值约600 mV，频率分布在 3～30 MHz，在 3～10 MHz频率范围内信号较为丰富，且在8.5 MHz、4.5 MHz处有信号峰值，如图 7（b）和图 7（c）所示。

绝缘气隙放电的特高频信号幅值最大值约1.3 V，信号频率主要分布在1.5GHz以下，在200～370 MHz、550～750 MHz频率范围内信号较为丰富，如图7（d）和图 7（e）所示。

绝缘气隙放电的超声波信号幅值最大值约8mV，信号幅值非常小。频率分布在20～110 kHz范围内，在20～40 kHz频率范围内信号较为丰富，且存在信号混叠，如图 7（f）和图 7（g）所示。

图7 绝缘气隙放电信号

4 结语

搭建高压开关柜内部缺陷和局部放电信号模拟的试验平台，在实验室环境下实现了金属尖端、悬浮电极、自由金属颗粒和绝缘气隙等缺陷的模拟，并详细地对各缺陷暂态地电压、超声波和特高频信号进行放电量、幅值和频谱分析，为开关柜的局部放电信号检测、模式识别和诊断等提供了重要参考。