高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

0局部放電檢測高壓開關(guān)箱是電氣系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備。內(nèi)部絕緣件的缺點(diǎn)或損壞以及電氣連接的接觸不良會使安全運(yùn)行面臨威脅。根據(jù)1989~1992年間全國電力系統(tǒng)6~10kV開關(guān)柜事故統(tǒng)計(jì),絕緣和載流引起的故障占總數(shù)的40.2%,其中由于絕緣部分的閃絡(luò)造成的事故占絕緣事故總數(shù)的79.0%。由于在事故潛伏期可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象,故可以通過對放電的監(jiān)測得到相關(guān)的信息。超高頻局部放電檢測系統(tǒng)通過接收柜體內(nèi)局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波,實(shí)現(xiàn)局放的檢測和模式識別。它可在設(shè)備不停電的情況下進(jìn)行安裝,并對設(shè)備狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測,具有極強(qiáng)的抗干擾能力和較高的靈敏度。筆者在LabVIEW軟件平臺基礎(chǔ)上,開發(fā)了一套高壓柜局部放電超高頻檢測系統(tǒng),并在實(shí)驗(yàn)室對典型放電類型進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。1uhf發(fā)布監(jiān)控系統(tǒng)1.1臂螺旋天線開關(guān)柜局部放電超高頻檢測系統(tǒng)硬件部分主要由超高頻天線傳感器、信號調(diào)理單元、高頻同軸電纜、數(shù)據(jù)采集卡以及裝有虛擬儀器系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成,其中數(shù)據(jù)采集卡裝在計(jì)算機(jī)的PCI總線接口上。硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。超高頻傳感器采用阿基米德雙臂螺旋天線,能實(shí)現(xiàn)帶寬500~1500MHz的局部放電信號檢測。它是一種非頻變天線,其電性能與頻率無關(guān),具有寬頻帶、圓極化、尺寸小、效率高及可嵌裝等優(yōu)點(diǎn)。放大器增益設(shè)計(jì)為40dB,濾波器采用貝塞爾型有源帶通濾波器。局部放電超高頻檢測通常僅關(guān)心信號的峰值及其出現(xiàn)的相位,采用包絡(luò)檢波技術(shù)可得到局部放電產(chǎn)生的超高頻信號的包絡(luò)曲線,通過普通數(shù)據(jù)采集卡即可獲得信號峰值和相位等特征,從而大大降低了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求和數(shù)據(jù)量。筆者選取ADLINK公司的PCI9812數(shù)據(jù)采集卡,該卡為32位PCI總線結(jié)構(gòu),可插到帶有標(biāo)準(zhǔn)PCI槽的普通PC機(jī)或工控機(jī)里面,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置采用奔4CPU2.6GHz,內(nèi)存為512M,計(jì)算機(jī)上的虛擬儀器軟件平臺為NI公司的LabVIEW7.1。1.2局部放電識別主程序界面見圖2,整個(gè)系統(tǒng)從功能上看,可以分為:數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)打開顯示模塊和局部放電譜圖分析模塊。數(shù)據(jù)采集前面板包括圖形顯示控件和控制命令控件,如板卡選擇、采樣頻率、樣本數(shù)、觸發(fā)源、觸發(fā)極性、觸發(fā)電平、采集通道等,通過對控件的選擇來完成對數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)的具體設(shè)置。局部放電超高頻檢測其數(shù)據(jù)量非常大,在保存數(shù)據(jù)之前,要先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,保存脈沖數(shù)據(jù)。筆者主要通過放電信號門檻設(shè)置、軟件干擾識別以及軟件峰值保持與相位計(jì)算來實(shí)現(xiàn)?；诮y(tǒng)計(jì)特征的局部放電模式識別方法,主要是利用局部放電信號的相位分布模式對信號進(jìn)行計(jì)算和分析。筆者設(shè)計(jì)了4種二維譜圖:放電幅值-相位(U-φ)、最大放電幅值-相位(Umax-φ)、放電次數(shù)-相位(N-φ)、放電次數(shù)-放電幅值(N-U)。2試驗(yàn)和結(jié)果分析2.1放電模型的制作高壓開關(guān)柜中引起放電故障的缺陷主要包括如下幾個(gè)方面:絕緣件表面污穢、受潮和凝露;高壓母線連接處及斷路器觸頭接觸不良;導(dǎo)體、柜體內(nèi)表面上有金屬突起,導(dǎo)致毛刺且較尖;柜體內(nèi)有可以移動的金屬微粒,它有積累電荷的能力,當(dāng)靠近高壓導(dǎo)體且并未接觸時(shí),放電最可能發(fā)生;開關(guān)元件內(nèi)部放電缺陷等。對此,筆者設(shè)計(jì)制作了針板放電、內(nèi)部放電、懸浮放電和絕緣子沿面放電4種典型放電模型,前3種放電模型見圖3。圖3(a)所示為模擬電暈放電的針板電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu),針電極直徑6mm,針尖曲率半徑為0.5mm,針尖到板電極距離d為1.9cm。圖3(b)為模擬固體絕緣內(nèi)部氣隙放電的電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu),試品為兩塊厚度為5mm、直徑為50mm的環(huán)氧樹脂板,將厚度1mm、中間通孔直徑10mm的環(huán)氧樹脂板夾在兩板中間形成扁平空氣隙,絕緣板間用一層非常薄的環(huán)氧樹脂膠粘合。圖3(c)為模擬懸浮放電的電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu),懸浮電極采用直徑為10mm、高度為3mm的黃銅材質(zhì)的圓柱體,高壓電極和地板電極之間用厚度為5mm、直徑為70mm的環(huán)氧樹脂板。實(shí)驗(yàn)中懸浮電極和柱電極間距為15mm。模擬絕緣子表面絕緣不良情況使用10kV環(huán)氧樹脂支持絕緣子,將表面涂上氯化鈉和硅藻土,晾干,在濕度為60%的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。文中設(shè)計(jì)的放電模型電極用黃銅加工制造,為消除電極表面尖角或毛刺的影響,電極表面和邊緣經(jīng)過特殊處理。2.2干擾措施及效果局部放電檢測系統(tǒng)見圖4,試驗(yàn)中將試品置于開關(guān)柜內(nèi)部,試驗(yàn)變壓器輸出的高壓引線經(jīng)10kV套管引至柜體內(nèi)的高壓電極端,傳感器用永久磁鐵吸附在柜體內(nèi)壁上。試驗(yàn)中主要采取了以下抗干擾措施來避免線路自身產(chǎn)生局放和減少背景噪聲:(1)采用貝塞爾型有源帶通濾波器,并將信號調(diào)理單元裝在屏蔽盒中;(2)使用同軸電纜;(3)采用粗線纜,接線處采用球形接頭,以使電場均勻,避免自身產(chǎn)生局放;(4)采用軟件抗干擾,也就是數(shù)字濾波器對采集到的放電信號進(jìn)行處理。試驗(yàn)結(jié)果表明,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠有效地采集到局放信號,表明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)抗干擾能力。2.3放電的譜圖特征空氣中局部放電的發(fā)生具有很大的隨機(jī)性,但每種放電類型都有其不同統(tǒng)計(jì)特征,因此試驗(yàn)中每次提取200個(gè)工頻周期的局部放電超高頻時(shí)域信號,針板放電因放電稀疏難于提取每次采集500個(gè)工頻周期信號。試驗(yàn)過程中,升壓至出現(xiàn)微弱局部放電,采集信號并保存數(shù)據(jù)。以后每升壓一次,采集一次信號,直至出現(xiàn)擊穿或閃絡(luò)。反復(fù)做2到3次試驗(yàn),檢驗(yàn)試驗(yàn)的可重復(fù)性。利用該軟件對采集到的放電信號進(jìn)行譜圖分析,即得到二維放電譜圖。通過對局部放電超高頻信號的相位特征分析發(fā)現(xiàn),不同的放電類型,放電發(fā)生的相位有著其一定的范圍,隨電壓升高,放電頻率增大、放電幅值增加,但統(tǒng)計(jì)譜圖特征變化不大。(1)針板放電與油中針板放電相比,空氣中針板放電較穩(wěn)定,加壓后即有明顯放電,隨電壓升高,放電幅值增大,當(dāng)加壓至14kV時(shí),放電明顯減弱,很難再聽到“噼啪”的響聲,繼續(xù)加壓至16kV以上劇烈放電,試品擊穿。針板正負(fù)半周的放電都出現(xiàn)在電壓峰值周圍,且相位分布較油中更為集中,在80°~95°和260°~275°的區(qū)間內(nèi)譜圖形狀呈錐形不對稱分布,并且負(fù)半周的放電次數(shù)比正半周多,負(fù)半周的放電幅值比正半周大。圖5為13.6kV下針板放電的二維譜圖。(2)內(nèi)部放電內(nèi)部放電很容易發(fā)生,放電比較穩(wěn)定,正負(fù)半周的放電幾乎同時(shí)產(chǎn)生,譜圖形狀也比較相似。隨著所加電壓的升高,放電幅值和放電次數(shù)逐漸增大,16kV以上試品擊穿。放電相位在0°~110°、160°~300°和340°~360°的范圍內(nèi)廣泛分布,圖6為9kV下內(nèi)部放電的二維譜圖。(3)懸浮放電懸浮放電的幅值較大,伴有很強(qiáng)的“滋滋聲”,放電譜圖特征變化不明顯。懸浮放電譜圖的相位分布較寬,但主要集中出現(xiàn)在0°~105°、145°~290°、330°~360°,放電脈沖幅值、間隔大體相等,且其二維譜圖形狀呈典型的“矩形”分布,并且放電正負(fù)半周比較對稱。圖7為16.2kV下懸浮放電的二維譜圖。(4)絕緣子沿面放電絕緣子沿面放電在較高電壓下才發(fā)生,且放電很不穩(wěn)定,電壓升高后可見其表面上有間斷的火花產(chǎn)生,此時(shí)可觀察到明顯的放電譜圖特征,在40°~140°和220°~315°的區(qū)間內(nèi)譜圖形狀呈錐形分布,放電主要出現(xiàn)在峰值附近且正負(fù)半周基本對稱。圖8為22kV下絕緣子沿面放電的二維譜圖。典型放電模型局部放電的實(shí)驗(yàn)研究表明,開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生的超高頻信號具有明顯的放電特征,特別是放電相位特征,筆者設(shè)計(jì)的4種典型放電模型其放電特征大不相同,具有明顯的可分性,根據(jù)放電特性特別是相位分布特性即可對不同類型局部放電進(jìn)行模式識別。3開關(guān)柜局部放電系統(tǒng)監(jiān)測的優(yōu)缺點(diǎn)(1)筆者采用的高壓開關(guān)