变电站高压电气设备局部放电检测方法研究

孙健

摘    要：一般认为高压电缆在正常环境中的寿命为30年以上，不过由于电缆绝缘制造过程中气泡渗入，或者安装中接头制作工艺、环境影响因素等，高压电缆可能加速绝缘老化，急需对其运行状态实时监测，以预防重大事故的发生。局部放电是电缆绝缘劣化的重要标志，有效地监测电缆绝缘的放电对于掌握其绝缘性能、控制运行风险意义重大鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对变电站高压电气设备局部放电检测方法研究提出了一些建议，仅供参考。

关键词：变电站高压电气设备;局部放电检测方法;研究

1  引言

局部放電之所以在很多情况下都会出现，是因为其形成的原因是多种多样的。首先局部放电对于物体是否具有绝缘性质没有要求;其次该现象可以发生在固相和液相中，而且在多种介质和混合的情况下也会发生。一旦电荷的运动出现异常导致电场不稳定，就有可能会造成局部放电，经过研究调查发现电荷的过集中分布是导致局部放电现象最主要的原因。如果绝缘物体的某一点，通常都是在尖锐部分，电荷的密度过大，就会引起放电。在进行后续的研究工作时，都要以此作为出发点。

2  局部放电涵义和特性

2.1  局部放电涵义

局部放电是一种比较常见而且释放的电荷量并不多的一种放电现象。通常情况下在绝缘物体与空气媒介相互接触的地方，由于电荷的密度过大就会出现局部放电现象，通常这种小规模小程度的放电现象仅限于绝缘介质的表面，并不会深入到物体的内部当中去。

2.2  局部放电特性

日常生活中的局部放电现象大多发生在阴雨雷电天气，建筑物如果不做好避电措施就会很容易引发火灾。电网中所使用的电器元件有一些是绝缘材质的，在这些元件的表面存在着程度较大的局部放电现象，有时强度大的电荷运动也会在绝缘物体的内部造成这种现象，但是不会将在整个元件击穿。由于局部放电现象在电网系统中出现的频率很高，每一次都会对电器元件造成不同程度的影响。首先是元件线路的电阻会增大，使得线路的产热增多进而加速元件老化。其次累计的局部放电会使得元件的绝缘表面逐渐失去绝缘性能，最后会造成元件被击穿，引起重大的供电事故。有些原件的材质是金属的，局部放电现象为金属表面的电化学反应提供了分子活化能，化学反应提供的能量是巨大的，严重的情况可以直接击穿金属元件，即便是轻微的局部放电，也会带来连锁反应。

3  局部放电对变电站高压电气设备的绝缘体具有致命性的破坏

通常表现为：（1）由于局部放电携带高能量的带电粒子飞速四散，带电粒子将猛烈冲撞电气设备的绝缘材料，长期冲撞将使绝缘材料内部的分子结构变异，绝缘材料劣蜕，绝缘性能降低;（2）引起电气设备绝缘材料局部温度过高，局部升高过快，导致绝缘材料碳化、氧化;（3）造成工作现在的潜在危害，由于是高压放电，工作人员长期在高压漏电的环境下工作，无法保证自身安全，严重时会危及生命。

4  变电站高压电气设备局部放电检测方法研究

4.1  基于旋转摄像头的图像采集设计

采用XilinxFPGA进行动态视频图像采集系统，其主要包括摄像头、图像采集单元、图像数据储存单元、VGA显示驱动单元。摄像头为360°旋转的OV7670摄像头，其像素为30W，采用双口通讯的RAM进行数据存储，显示图像窗口尺寸为320x240，实施立体图像无死角图像采集。其中摄像头配置为采用SCCB协议进行数据通讯，SCCB也称为I2C总线。PC接收到摄像机收到的图片时，使用结合Sobel算子的四帧差分法算法步骤分析图片，以用于指导启动哪些传感器。在分析图像时，首先对采集到视频图像的序列中连续的两帧图像做差分运算，这样可以获取现场传感器（超声波检测单元、红外线检测单元或特高频检测单元中）的运动轮廓。当在监控过程中出现异常物体运动时，相邻的两帧图像之间会出现比较明显的差异，将具有差异的两帧图像相减，得出图像相应位置的像素值之差的绝对值，进一步判断该绝对值是否大于设定的阈值，从而分析所采集到传感器的运动特征。

4.2  特高频局放检测

局部放电的特高频检测技术是应用宽带高频传感器检测GIS内部局放电流激发的频率介于300MHz～1.5GHz区间内的电磁波信号，以此来表征GIS内部发生局部放电的物理状态。特高频局放检测仪仅在该间隔相线路侧隔离开关气室气通盆子和电流互感器气室与断路器气室间的气隔盆子处检测到异常局放信号。局放信号的极性效应不明显，放电幅值较分散且相位分布较均匀，初步判断为自由金属颗粒放电缺陷。异常局放信号幅值明显强于测点，且放电次数更多，因此推断局放源位置更靠近测点，疑似在接地开关附近。由于两个盆子的距离过近且其他盆子均未检测到异常信号，因此不适用于利用时差法对局放源进行定位。

4.3  常用检测方法

局部放电检测方法有电测法和非电测法。根据局部放电过程中所产生各种放电现象，高压开关柜常用局放检测方法有ERA法（脉冲电流法）、超声波（AE）检测法、光测法、化学检测法、红外检测法、射频检测法等。

4.4  超声波局放检测

通常局部放电产生的超声信号先在SF6气体中传播，遇气体/壳体耦合界面后转为在金属壳体中传播。自由金属颗粒与局部放电所产生的超声信号有所不同。自由金属颗粒受电场力和重力影响在筒体内部不规则跳跃，与金属壳体碰撞后产生的超声信号直接在金属壳体里传播，不会受到SF6气体的衰减。因此，超声波局放检测对自由金属颗粒具有极高的检测灵敏度。

4.5  暂态对地电压（TEV，也称地电波）检测法

局部放电产生的电磁波，通过屏蔽层不连续部分在设备表面产生感应电流，设备表面存在波阻抗进而在设备外层形成一个暂态对地电压（TEV）。暂态对地电压检测法就是充分利用这一原理，采用电容耦合探测器对局部放电的幅值和放电脉冲频率进行检测。

4.6  局放放电检测应用

地电波（TEV）和超高频（UHF）检测技术在局部放电在线检测中具有不可替代的重要地位，主要是由于地电波（TEV）和超高频（UHF）检测技术通过检测电磁信号判断局部放电情况，充分利用了高压开关设备电磁波以波导的方式传播的结构特点，增强了检测的灵敏度，所以受到广泛应用。但是局部放电具有一定的复杂性，不同运行环境、不同绝缘介质、不同类型条件下会产生不同的局部放电现象，所以产生的电磁波范围也会相应有所不同，地电波频带范围为3MHz～100MHz，超高频频带范围为0.3～3GHz，所以如果开关柜局部放电现象产生的电磁信号频率超出地电波（TEV）和超高频（UHF）检测技术检测范围，则局部放电现象无法被检测到，这时就要通过超声传感器等其他传感行弥补地电波（TEV）和超高频（UHF）检测技术的不足;除此之外移动通讯信号，广播信号、电子围栏、照明灯、SF6测漏装置、轨道交通、电表柜、空调、二次回路等产生的电磁信号也会对地电波（TEV）和超高频（UHF）检测技术检测结果造成影响和干扰，此时干扰来源的判断，直接影响局部放电是否存在。

5  结束语

总而言之，如果将图像采集技术与传感器检测技术相结合实现变电站高压电气设备的局部放电检测，大大提高了检测的精度。无需工作人员在场，便可实现实时远程检测，电力工作人员只需通过软件分析的数据即可获取现场检测情况，并根据数据分析调整检测措施，大大提高了检测工作的安全性。

参考文献：

[1] 张洋.GIS局部放电带电检测技术研究与应用[D].华北电力大学，2018.

[2] 姜文贤，陈君宝，胡海涛.铁路牵引变电站高压开关柜局部放电检测技术及装置的研究[J].电工文摘，2017（5）：76～79.

[3] 王新星.变电站主要设备状态监测技术及应用研究[D].华北电力大学，2017.

[4] 杨玉洲.GIS局部放电检测技术应用研究[D].华北电力大学，2017.

[5] 王立兵.GIS局部放电带电检测技术在保定供电公司的应用研究[D].华北电力大学，2017.