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文章编号:!""!#!$"%(&""!)!!!!!!!
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研究与分析
射频法在高压开关柜局放监测中的应用研究
关永刚,钱家骊
(清华大学电机系,北京!""")*)
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,02'&0.!*3,0&%,"&01,-45(6&%$47,#"*
+,-./01232412,56-.784398
(:;812 @;8AB,C 8D812!""")*,E<814)
摘要:本文对将射频法应用于高压开关柜内部绝缘和接触
不良等几种故障的在线监测进行了初步的探索.试验表明,
射频信号的强度可以反映故障的发展情况.传感器的位置
以及柜体的屏蔽对测量信号的影响很大,据此特性可以对故
障进行定位,并辨识外界干扰.
关键词:射频;在线监测;高压开关柜;局部放电
中图分类号::F$*&G!文献标识码:-
#89:;<=::61A<8;H4H @,A< @4I80J@ K= 1LB;82149=; IA0013981
M018A0@A< H4@A849I8;L<4@2 81<8209A42 ;N8AL<O04@I8;;A=I8 IG6A
IOB PH @8M 1A;A<4AA< 81A 1;8AB0JA4@80=;J489=@ ;,;=L<4;81;=943
A80141IL01A4LAJ489=@ G:< 81A 1;8AB0JA< ;821494LK=8@ I8;;A@0129B
4JJ LA IOBA< H0;8A8010JA< ; 1;0@41IA< ;<8 9I812G-LL0@I812A0
A< ; L<4@4LA @8;A8L;0JA< ;82149,90L4A812A< J489=@ ;41I8I 1A8JB812
A< I8;A=@O41L J@0M0=A;8I 0JA< ;N8AL @AB;C9:@4I80J@ K= 1LB;013981 M018A0@812;
<8209A42 ;N8AL<O04@I;H4@A849I8;L<4@2
!引言
目前,高压开关设备的维修方式正向状态维修
方向发展,而在线监测,诊断技术则是状态维修的重
要依据,同时也是提高设备运行可靠性的基础.
高压开关设备内部绝缘部分的缺陷或劣化,导
电连接部分的接触不良都使安全运行受到威胁.根
据!%)%R!%%&年间全国电力系统$R!"ST开关柜
事故统计,绝缘和载流引起的故障占总数的*"G&U,
其中由于绝缘部分的闪络造成的事故占绝缘事故总
数的V%G"U.而由于隔离插头接触不良造成的事
收稿日期:&""!#"'#!';修回日期:&""!#"V#!$
故占载流事故总数的V!G!U[!].可见,由绝缘和接
触不良导致的故障所占比率是很高的,宜采取适当
的方法进行监测.在上述情况下,在事故潜伏期都
可能产生放电现象,故可以通过对放电的监测得到
相关的信息.本文使用射频法对开关柜内的绝缘和
接触不良的在线监测技术进行了探索.
本文未采用+6W局部放电监测的特高频(,XY)
法,只采用简单的多匝线圈作为探头采集中,高频信
号.不同条件下的试验表明,该探头对局部放电产
生的射频信号比较敏感,输出信号强,不需放大器.
这种方法测量的是空间电磁波,不影响开关柜的绝
缘.另外,探头结构简单,成本低,实用性强.该方
法具有一定的定位和干扰辨识能力,在现场干扰不
强的条件下有应用前景.
&绝缘和接触不良时放电的模拟试验
本文对绝缘和接触不良进行了多种模拟试验.模
拟绝缘不良的试验有:绝缘板表面的电晕,沿面放电,
支持绝缘子表面的电晕,局部放电和真空灭弧室绝缘
强度降低后触头间的放电.对于导电部分的接触不
良,本文通过振荡回路对母线连接处进行了模拟试验.
&G!绝缘不良时放电的模拟
在绝缘板上安置的两个电极间施加电压,模拟
绝缘表面预放电的情况.绝缘板表面干燥,清洁,电
极间距约(LM.当外加电压达到!"ST及以上时,
可测得信号,结果如图!所示.图中上面是射频信
号,下面是外加电压.可见,在电压峰值附近,电极
处发生电晕.单次放电信号的展开波形如图&所
示,放电产生信号的主要频率约为*""SXQ.试验表
! &""!年!"月高压电器第(V卷第'期
明,外加电压不同时,信号的最大峰值强度也不同.
如外加电压依次为!",!#$%,!%,!&$%,#"'(时,测得
信号的最大峰值依次为#",)",%",*%,#%"+(.当
外加电压达到#!$%'(时,电极间击穿.可见,在外
加电压即将达到绝缘强度的极限时,信号突然加强.
用干燥,表面有灰尘的!"'(环氧树脂绝缘子的
部分表面模拟绝缘不良的情况.当外加电压依次为
!",!%,#",#%'(时,测得射频信号的最大峰值依次为
,",!"",!-%,!%"+(.当外加电压达到#&'(时,绝缘子
表面发生了闪络.试验表明,在闪络发生之前,随着放
电强度的增大,信号的强度明显增大.因此,信号强度
的变化可以反映绝缘状态.
由于没有内部气体压力升高的真空灭弧室,本文
利用了一台*'(真空接触器,将触头间隙调整为约
#++,模拟触头间绝缘不良时产生放电的情况.在放
电间隙一定而外加电压不同时,可以认为与在一定电
压下绝缘强度不同的情况近似.当触头间加压)$-'(
时,测得射频信号的最大峰值为#$)(.随着电压的升
高,信号的强度也增大,与电压基本呈线性关系.在加
压到!,'(时,触头间发生了击穿.在击穿前并未发生
射频信号明显增强的现象.
绝缘不良的模拟试验表明,放电信号的强度可
以大致反映绝缘状态.绝缘良好时,检测不到信号;
信号从无到有以及强度的增大,预示着绝缘强度的
不断下降.放电与绝缘介质及结构有关系,在绝缘
板沿面放电的试验中,击穿前信号明显加强,而在另
外两次试验中,信号虽然也随着击穿的临近而加强,
但是并未出现突然加强的情况.
#$#接触不良时放电的模拟
文[#]中通过对./0中断路器触头和连接处几
种接触不良的情况进行了模拟试验,指出最坏发展
结果将导致接触不良处产生电弧,并最终导致对地
闪络的发生.文[#]中给出的接触不良的发展过程,
如图-所示.这种故障可以通过接触的温升来进行
监测,但测温装置的造价一般较高.本文使用的是
射频法,即通过接触不良导致的放电产生的射频信
号来进行监测,可以发现某些严重接触不良的情况.
将振荡回路中放电回路的铝母线在连接处加入
少量的尘土,模拟严重接触不良时的情形.图)是
最大放电电流约为%""1时测得的信号波形,上面
是铝母线中通过的电流,下面是在距离接触不良的
连接处约!+处测得的信号.在电流起始阶段(约
#个周波),信号较强,放电次数也较多,以后逐渐减
少.试验后发现铝带间有轻微的熔焊现象,说明该
处出现过电弧.试验表明,用射频法可以监测严重
接触不良时产生的放电.当仅仅是轻度的接触不良
时,并没有发生放电现象,用射频法是不能监测的.
# 2345678#""!9:;;71 >8>4@A(5=$-&B5$%
由上述可知,用一个传感器可监测多种故障情况.
!故障的定位和信号的干扰情况
使用高压开关柜的场合一般都是多台柜并列使
用,各柜之间可能相互干扰,主要干扰途径有辐射和
经母线传导后再辐射.因此,实现在线监测的信号
除了要有一定的强度,信噪比之外,同时各柜之间的
相互干扰要小.试验证明,本文所用探头测得的射
频信号具有上述特点.图"是模拟开关柜内局部放
电的试验示意图,在开关柜内放置了高压变压器,尖
—板放电间隙接在变压器的高压输出端.当变压器
的输出电压达到一定值时,间隙将产生放电.将铝母
线连接在变压器的高压输出端,并由上方通到柜体
外.图中!,",#,$四点为试验时探头的位置.!
点位于柜内,距离放电源约#$%&;"点位于柜顶,距
离放电源约'$$%&,距离高压母线约#$%&,与高压母
线间无屏蔽;#点位于柜子的外侧上部,距离柜壁约
'$%&;$点位于柜子的外侧中部,距离柜壁约'$%&.
试验时变压器的电压均为#($")*,测量结果见表+.
!,"两点信号的强度为+,次试验测得的信号峰值的
平均值.#,$两点未测得放电信号(背景噪声峰值
"$&*).可以发现,只有!点的信号较强."点测
得的信号弱,仅为!点的'-.,说明射频信号的强度
随着距离的增加衰减得很快,沿母线传导后再辐射的
分量也很小.另外,尽管$点距离放电源比"点要
近,但在$点未测得信号,说明柜体对射频信号的屏
蔽作用很强.!点信号强,#,$两点信号很弱,这表
明,开关柜内部发生放电时,本柜内的信号较强,而传
导,辐射到开关柜外面的信号很弱.这些特点预示
着,利用射频信号监测开关柜内部的放电,受到临近
开关柜内放电的影响是很小的,可以避免发生误判的
情况.由于开关的动作是偶然的,次数是有限的,可
取开关不动作时的信号进行分析,以免因开关动作时
产生的干扰而发生误判.因此,可以利用放电源附近
信号强的特点进行定位和辨别外界干扰.
表+开关柜内放电时在柜内外各点的测量情况
探头位置!"#$
射频信号强度/*'(+$("01$($"1$($"
#结论
(+)射频信号的强度可反映一些绝缘不良的出
现和发展趋势.随着击穿的临近,射频信号增强.
(')射频信号可反映接触严重不良时的放电.
(!)可以用多匝线圈制成的探头测量开关柜内
部发生局部放电时产生的射频信号,测得的信号强,
信噪比大.
(#)高压开关柜内部发生放电产生的射频信号,
在放电源附近较强,开关柜的柜体可以很好地屏蔽
柜外放电产生的射频信号,经母线传导后再辐射的
干扰对柜内信号测量的影响也可忽略不计.
参考文献:
[+]田勇,田景林(,2+$)*开关柜事故统计分析与改进意见[3](
东北电力技术,+00,,45(-:"6+$(
[']向山翼,高木,泉邦和(他(ガス绝缘开闭装置におけゐ接触不良
进展现象[3](电学论7,平成#年(+00'),++'卷-号:8!!68!0(
作者简介:关永刚(+08#6),男(满族),博士生,现从事
高压开关设备在线监测及故障诊断技术的研究工作.
! '$$+年+$月高压电器第!8卷第"期
!
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研究与分析
射频法在高压开关柜局放监测中的应用研究
关永刚,钱家骊
(清华大学电机系,北京!""")*)
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+,-./01232412,56-.784398
(:;812 @;8AB,C 8D812!""")*,E<814)
摘要:本文对将射频法应用于高压开关柜内部绝缘和接触
不良等几种故障的在线监测进行了初步的探索.试验表明,
射频信号的强度可以反映故障的发展情况.传感器的位置
以及柜体的屏蔽对测量信号的影响很大,据此特性可以对故
障进行定位,并辨识外界干扰.
关键词:射频;在线监测;高压开关柜;局部放电
中图分类号::F$*&G!文献标识码:-
#89:;<=::61A<8;H4H @,A< @4I80J@ K= 1LB;82149=; IA0013981
M018A0@A< H4@A849I8;L<4@2 81<8209A42 ;N8AL<O04@I8;;A=I8 IG6A
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<8209A42 ;N8AL<O04@I;H4@A849I8;L<4@2
!引言
目前,高压开关设备的维修方式正向状态维修
方向发展,而在线监测,诊断技术则是状态维修的重
要依据,同时也是提高设备运行可靠性的基础.
高压开关设备内部绝缘部分的缺陷或劣化,导
电连接部分的接触不良都使安全运行受到威胁.根
据!%)%R!%%&年间全国电力系统$R!"ST开关柜
事故统计,绝缘和载流引起的故障占总数的*"G&U,
其中由于绝缘部分的闪络造成的事故占绝缘事故总
数的V%G"U.而由于隔离插头接触不良造成的事
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故占载流事故总数的V!G!U[!].可见,由绝缘和接
触不良导致的故障所占比率是很高的,宜采取适当
的方法进行监测.在上述情况下,在事故潜伏期都
可能产生放电现象,故可以通过对放电的监测得到
相关的信息.本文使用射频法对开关柜内的绝缘和
接触不良的在线监测技术进行了探索.
本文未采用+6W局部放电监测的特高频(,XY)
法,只采用简单的多匝线圈作为探头采集中,高频信
号.不同条件下的试验表明,该探头对局部放电产
生的射频信号比较敏感,输出信号强,不需放大器.
这种方法测量的是空间电磁波,不影响开关柜的绝
缘.另外,探头结构简单,成本低,实用性强.该方
法具有一定的定位和干扰辨识能力,在现场干扰不
强的条件下有应用前景.
&绝缘和接触不良时放电的模拟试验
本文对绝缘和接触不良进行了多种模拟试验.模
拟绝缘不良的试验有:绝缘板表面的电晕,沿面放电,
支持绝缘子表面的电晕,局部放电和真空灭弧室绝缘
强度降低后触头间的放电.对于导电部分的接触不
良,本文通过振荡回路对母线连接处进行了模拟试验.
&G!绝缘不良时放电的模拟
在绝缘板上安置的两个电极间施加电压,模拟
绝缘表面预放电的情况.绝缘板表面干燥,清洁,电
极间距约(LM.当外加电压达到!"ST及以上时,
可测得信号,结果如图!所示.图中上面是射频信
号,下面是外加电压.可见,在电压峰值附近,电极
处发生电晕.单次放电信号的展开波形如图&所
示,放电产生信号的主要频率约为*""SXQ.试验表
! &""!年!"月高压电器第(V卷第'期
明,外加电压不同时,信号的最大峰值强度也不同.
如外加电压依次为!",!#$%,!%,!&$%,#"'(时,测得
信号的最大峰值依次为#",)",%",*%,#%"+(.当
外加电压达到#!$%'(时,电极间击穿.可见,在外
加电压即将达到绝缘强度的极限时,信号突然加强.
用干燥,表面有灰尘的!"'(环氧树脂绝缘子的
部分表面模拟绝缘不良的情况.当外加电压依次为
!",!%,#",#%'(时,测得射频信号的最大峰值依次为
,",!"",!-%,!%"+(.当外加电压达到#&'(时,绝缘子
表面发生了闪络.试验表明,在闪络发生之前,随着放
电强度的增大,信号的强度明显增大.因此,信号强度
的变化可以反映绝缘状态.
由于没有内部气体压力升高的真空灭弧室,本文
利用了一台*'(真空接触器,将触头间隙调整为约
#++,模拟触头间绝缘不良时产生放电的情况.在放
电间隙一定而外加电压不同时,可以认为与在一定电
压下绝缘强度不同的情况近似.当触头间加压)$-'(
时,测得射频信号的最大峰值为#$)(.随着电压的升
高,信号的强度也增大,与电压基本呈线性关系.在加
压到!,'(时,触头间发生了击穿.在击穿前并未发生
射频信号明显增强的现象.
绝缘不良的模拟试验表明,放电信号的强度可
以大致反映绝缘状态.绝缘良好时,检测不到信号;
信号从无到有以及强度的增大,预示着绝缘强度的
不断下降.放电与绝缘介质及结构有关系,在绝缘
板沿面放电的试验中,击穿前信号明显加强,而在另
外两次试验中,信号虽然也随着击穿的临近而加强,
但是并未出现突然加强的情况.
#$#接触不良时放电的模拟
文[#]中通过对./0中断路器触头和连接处几
种接触不良的情况进行了模拟试验,指出最坏发展
结果将导致接触不良处产生电弧,并最终导致对地
闪络的发生.文[#]中给出的接触不良的发展过程,
如图-所示.这种故障可以通过接触的温升来进行
监测,但测温装置的造价一般较高.本文使用的是
射频法,即通过接触不良导致的放电产生的射频信
号来进行监测,可以发现某些严重接触不良的情况.
将振荡回路中放电回路的铝母线在连接处加入
少量的尘土,模拟严重接触不良时的情形.图)是
最大放电电流约为%""1时测得的信号波形,上面
是铝母线中通过的电流,下面是在距离接触不良的
连接处约!+处测得的信号.在电流起始阶段(约
#个周波),信号较强,放电次数也较多,以后逐渐减
少.试验后发现铝带间有轻微的熔焊现象,说明该
处出现过电弧.试验表明,用射频法可以监测严重
接触不良时产生的放电.当仅仅是轻度的接触不良
时,并没有发生放电现象,用射频法是不能监测的.
# 2345678#""!9:;;71 >8>4@A(5=$-&B5$%
由上述可知,用一个传感器可监测多种故障情况.
!故障的定位和信号的干扰情况
使用高压开关柜的场合一般都是多台柜并列使
用,各柜之间可能相互干扰,主要干扰途径有辐射和
经母线传导后再辐射.因此,实现在线监测的信号
除了要有一定的强度,信噪比之外,同时各柜之间的
相互干扰要小.试验证明,本文所用探头测得的射
频信号具有上述特点.图"是模拟开关柜内局部放
电的试验示意图,在开关柜内放置了高压变压器,尖
—板放电间隙接在变压器的高压输出端.当变压器
的输出电压达到一定值时,间隙将产生放电.将铝母
线连接在变压器的高压输出端,并由上方通到柜体
外.图中!,",#,$四点为试验时探头的位置.!
点位于柜内,距离放电源约#$%&;"点位于柜顶,距
离放电源约'$$%&,距离高压母线约#$%&,与高压母
线间无屏蔽;#点位于柜子的外侧上部,距离柜壁约
'$%&;$点位于柜子的外侧中部,距离柜壁约'$%&.
试验时变压器的电压均为#($")*,测量结果见表+.
!,"两点信号的强度为+,次试验测得的信号峰值的
平均值.#,$两点未测得放电信号(背景噪声峰值
"$&*).可以发现,只有!点的信号较强."点测
得的信号弱,仅为!点的'-.,说明射频信号的强度
随着距离的增加衰减得很快,沿母线传导后再辐射的
分量也很小.另外,尽管$点距离放电源比"点要
近,但在$点未测得信号,说明柜体对射频信号的屏
蔽作用很强.!点信号强,#,$两点信号很弱,这表
明,开关柜内部发生放电时,本柜内的信号较强,而传
导,辐射到开关柜外面的信号很弱.这些特点预示
着,利用射频信号监测开关柜内部的放电,受到临近
开关柜内放电的影响是很小的,可以避免发生误判的
情况.由于开关的动作是偶然的,次数是有限的,可
取开关不动作时的信号进行分析,以免因开关动作时
产生的干扰而发生误判.因此,可以利用放电源附近
信号强的特点进行定位和辨别外界干扰.
表+开关柜内放电时在柜内外各点的测量情况
探头位置!"#$
射频信号强度/*'(+$("01$($"1$($"
#结论
(+)射频信号的强度可反映一些绝缘不良的出
现和发展趋势.随着击穿的临近,射频信号增强.
(')射频信号可反映接触严重不良时的放电.
(!)可以用多匝线圈制成的探头测量开关柜内
部发生局部放电时产生的射频信号,测得的信号强,
信噪比大.
(#)高压开关柜内部发生放电产生的射频信号,
在放电源附近较强,开关柜的柜体可以很好地屏蔽
柜外放电产生的射频信号,经母线传导后再辐射的
干扰对柜内信号测量的影响也可忽略不计.
参考文献:
[+]田勇,田景林(,2+$)*开关柜事故统计分析与改进意见[3](
东北电力技术,+00,,45(-:"6+$(
[']向山翼,高木,泉邦和(他(ガス绝缘开闭装置におけゐ接触不良
进展现象[3](电学论7,平成#年(+00'),++'卷-号:8!!68!0(
作者简介:关永刚(+08#6),男(满族),博士生,现从事
高压开关设备在线监测及故障诊断技术的研究工作.
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