第6章 暂态地电压检测技术

第6章 暂态地电压检测技术 第六章 暂态地电压局部放电检测技术 第一节 暂态地电压检测技术概述 一、暂态地电压检测技术的发展历程 暂态地电压检测技术(又称为TEV，Transient Earth Voltage)最早是由英国的Dr. John Reeves于1974年首次提出，他发现电力设备内部局部放电脉冲激发的电磁波能在设备金属壳体上产生一个瞬时的对地电压，这些瞬时的电压脉冲可在设备外表面安装一个特制的电容传感器所检测到，从而判断设备内部绝缘状态。 当时的英国国家配电行业研究中心(EA Technology公司的前身)基于此原理，陆续研制开发了PDL1、UltraTEV、UltraTEV Plus等一系列暂态地电压检测仪器，在英国的电网公司得到了广泛使用，并逐步被全世界其它电网公司采用。国内的电网公司于2005年前后陆续开始引入暂态地电压检测技术，一些科研院校和设备制造企业也开始相关研究与研制工作。目前，暂态地电压检测技术已经有30 多年的现场应用经验，成为电力设备绝缘类缺陷简单有效、使用广泛的带电检测技术。 二、暂态地电压检测技术适用性 暂态地电压检测技术是一种检测电力设备内部绝缘缺陷的技术，广泛应用于开关柜、环网柜、电缆分支箱等配电设备的内部绝缘缺陷检测。但由于暂态地电压脉冲必须通过设备金属壳体间的间断处由内表面传至外表面方可被检测到，因此该检测技术不适用于金属外壳完全密封的电力设备(如:部分GIS、C-GIS等)。 放电模型模拟试验研究结果表明，暂态暂态地电压检测技术对尖端放电、电晕放电和绝缘子内部放电比较敏感，检测效果较好，而对沿面放电、绝缘子表面放电不敏感(见表6.1)，因此，在电力设备绝缘缺陷检测时，暂态暂态地电压检测技术常常与超声波检测技术一起使用。 目前，暂态地电压检测主要以带电检测方式为主，采用手持式仪器对电力设备内部放电进行检测;部分仪器配置两个暂态地电压传感器，可通过时差法对局放源进行定位;对于需要连续监测电力设备内部放电的场合，也可采用固定安装方式，实施在线监测。 表各放电模型检测技术区别6.1 放电模型暂态地电压检测技术超声波局放检测技术 沿面放电模型 不敏感 敏感、有效 尖端放电模型 敏感、有效 敏感、有效 绝缘子内部缺陷模型 敏感、有效 不敏感 三、应用情况 上世纪70年代，暂态地电压检测技术被首次提出，由于其简单、实用的特性，逐步被各国电网公司认可。目前已在英国、中东、新加坡、香港等40多个国家和地区广泛应用，积累了30多年的现场应用经验。 2005年前后，暂态地电压检测技术开始传入国内。2006年起，通过与新加坡新能源电网公司进行同业对标，以北京、上海、天津为代表的一批国内电网公司率先引进暂态地电压检测技术，开展现场检测应用，并成功发现了多起开关柜内部局部放电 案例 全员育人导师制案例信息技术应用案例心得信息技术教学案例综合实践活动案例我余额宝案例 ，为该技术的推广应用积累了宝贵经验。暂态地电压检测技术在2008年北京奥运会、2010年上海世博会、2010年广州亚运会等大型活动的保电工作中发挥了重要作用。 国家电网公司在引入、推广暂态地电压检测技术方面做了大量卓有成效的工作。2010年，在充分总结部分省市电力公司试点应用经验的基础上，结合状态检修工作的深入开展，国网电网公司颁布了《电力设备带电检测技术MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714131708777_1(试行)》和《电力设备带电检测仪器配置原则(试行)》，首次在国网电网公司范围内统一了暂态地电压检测的判据、周期和仪器配置标准，暂态地电压检测技术在国网电网公司范围全面推广;2014年，国网电网公司修订了《输变电设备状态检修试验规程》，正式将暂态地电压检测技术列为开关柜设备的常规带电检测试验项目之一;同年年底，为进一步规范仪器选型，指导现场检测应用，国网电网公司颁布了《暂态地电压局部放电检测仪技术规范》和《交流金属封闭开关设备暂态地电压局部放电带电测试技术现场应用导则》，初步建立起完整的暂态地电压检测技术标准体系。 第二节 暂态地电压检测技术基本原理 一、基础知识 1、暂态地电压的产生机理 当配电设备发生局部放电现象时，带电粒子会快速地由带电体向接地的非带电体快速迁移，如配电设备的柜体，并在非带电体上产生高频电流行波，且以光速向各个方向快速传播。受集肤效应的影响，电流行波往往仅集中在金属柜体的 内表面，而不会直接穿透金属柜体。但是，当电流行波遇到不连续的金属断开或绝缘连接处时，电流行波会由金属柜体的内表面转移到外表面，并以电磁波形式向自由空间传播，且在金属柜体外表面产生暂态地电压，而该电压可用专门设计的暂态地电压传感器进行检测。具体如图6.1所示。 图6.1,暂态地电压信号的产生机理示意图 由于配电设备柜体存在电阻，局部放电产生的电流行波在传播过程中必然存在功率损耗，金属柜体表面产生的暂态地电压也就不仅与局部放电量有关，还会受到放电位置、传播途径以及箱体内部结构和金属断口大小的影响。因此，暂态地电压信号的强弱虽与局部放电量呈正比，但比例关系却复杂、多变且难以预见，也就无法根据暂态地电压信号的测量结果定量推算出局部放电量的多少。 暂态地电压传感器类似于传统的RF耦合电容器，其壳体兼做绝缘和保护双重功能。当金属柜体外表面出现快速变化的暂态地电压信号时，传感器内置的金属极板上就会感生出高频脉冲电流信号，此电流信号经电子电路处理后即可得到局部放电的强度。 如果在配电设备柜体表面同时放置两只暂态地电压传感器，则局部放电源发出的电磁波脉冲经过不同的路径先后传播到两只暂态地电压传感器，仪器通过比较或者测量电磁脉冲到达两只传感器的时间先后或者大小，则可以判断出局部放电源的空间位置。 2、暂态地电压检测的量度指标 暂态地电压法局部放电检测技术属于间接法局部放电检测技术，其信号波动范围大，随机性强，而且检测结果与放电源的位置和传播途径存在复杂的关联关系，因此难以按照IEC60270标准的要求进行标定。 为了实现对高压开关柜局部放电严重程度的带电检测，并考虑间接法检测的实际特点和检测设备设计的复杂性，其指标体系经常采用无线电电子学的测量单位，最经常使用的单位主要有dBmV、dBμV和dBm。 2.1、dBmV 对于高压开关柜来说，其局部放电所产生的暂态地电压信号的幅值一般在1mV~1V左右。暂态地电压测量系统一般以电压为基准，以dBmV为单位进行测量。 V按照标准定义，dBmV是以1mV为基准，测量电压(有效值或者峰-峰值)m 以mV为单位进行的测量。即有: V,,m20logdBmV,,,1mV,, (6-1) 根据定义，对于1mV的暂态地电压信号，其对应的dBmV值为0;而对于1V的暂态地电压信号，其对应的dBmV值则为60。显然，幅值变化范围为1000倍的暂态地电压信号被压缩到100以内。 2.2、dBμV 对于高压开关柜来说，其局部放电所产生的超声波信号幅值变化比暂态地电压还要大，范围约在0.5μV~100mV之间。超声波测量系统一般以电压为基准，以dBμV为单位进行测量。 V按照标准定义，dBμV是以1uV为基准，测量电压(有效值或者峰-峰值)m 以μV为单位进行的测量。即有: ,,Vm20logdBuV,,,,,1,V,, (6-2) 根据定义，对于0.5μV的超声波信号，其对应的dBμV值为-6;而对于100mV的超声波信号，其对应的dBμV值则为100。显然，幅值变化范围为20000倍的超声波信号被压缩到100以内。 2.3、dBm dBm是dBmW单位的缩写。无论是dBmV还是dBuV，都是一种电压测量体系，与负载阻抗没有关系，而dBm则是一种功率测量体系。 根据标准定义，dBmW或dBm是以1mW为基准，信号功率以mW为单Pm位进行的测量。即有: P,,m (6-3) 10logdBm,,,1mW,, 对于大多数射频测量设备，输入阻抗和负载阻抗一般为50欧姆。 根据定义，有: 将式(6-1)代入(6-3)，则有: 2,,V，1ohmm,,dBm,10log502,,1000，R,1mV，，,, V,,m，，,20log,10log50，1000 (6-4) ,,1mV,, ,dBmV,46.99 单位是mV，单位是mW。 其中，VPmm 对于75欧姆测量系统，则有: 2,,V，1ohmm,,dBm,10log752,,1000，R,1mV，，,, V,,m，，,20log,10log75，1000 (6-5) ,,1mV,, ,dBmV,48.75 2.4、dBmV、dBμV和dBmW之间的相互转换 根据前面的定义，可知: dBmV,dBuV,60,dBuV,dBmV，60 (6-6) dBmV,dBm，46.99,dBm，48.75 (6-7) 5075 二、暂态地电压传感器的工作原理 暂态地电压传感器的原理电路如图6-2所示。 带电体开关柜金属盘 传感器绝缘层 传感器主体 引出线 图6-2:暂态地电压传感器原理示意图 暂态地电压传感器是一个前面覆盖有PVC塑料的金属盘，并用同轴屏蔽电缆引出。PVC塑料一方面充当绝缘材料，另一方面对传感器起到保护和支撑作用。测量时，暂态地电压传感器抵触在开关柜金属柜体上面，裸露的金属柜体可看作平板电容器的一个极板，而暂态地电压传感器则可看作平板电容器的另一个极板，中间的填充物则为PVC塑料。 对于由金属柜体、PVC材料和暂态地电压传感器构成的平板电容器来说，金属柜体表面出现的任何电荷变化均会在暂态地电压传感器的金属盘上感应出同样数量的电荷变化，并形成一定的高频感应电流。该高频电流经引出线输入到检测设备内部并经检测阻抗转换为与放电强度成正比的高频电压信号。经检测设备处理后，则可得到开关柜局部放电的放电强度、重复率等特征参数。 耦合电容器的电压-电流关系为: duteviC,PDdt (6-8) uitevPD其中，为暂态地电压传感器输出的电流信号;为测量点处的暂态地电 C压信号;为用电容量表征的暂态地电压传感器设计参数。 式(6-8)表示的高频电流信号在检测设备内部被检测阻抗变换为电压信号。 dutevuRC,mdt (6-9) 值得注意的是，根据式(6-9)，不同厂家设计的暂态地电压检测仪器可能在同一次检测中得到不同的检测结果，主要原因有: (1)暂态地电压检测设备的测量结果与暂态地电压传感器的设计参数密切相关，如果不采取补偿措施，不同的传感器设计参数可能会得到不同的检测结果; (2)暂态地电压检测设备的测量结果与暂态地电压信号的频谱特性密切相关。不同放电类型的放电，即便具有相同的放电强度，暂态地电压检测设备也可能会给出不同的检测结果; (3)暂态地电压法的测量结果与检测仪器内部的阻抗参数有关。 三、暂态地电压检测设备的基本组成及原理 暂态地电压检测仪器的组成框图见图6-3，主要分暂态地电压信号检测和信号定位两大功能。 TEV传感器1信号调理1数模转换器1 增益控制1触发逻辑1 时序鉴别逻辑 增益控制2触发逻辑2 TEV传感器2信号调理2数模转换器2 图6-3:暂态地电压检测设备框图 1、暂态地电压检测功能 暂态地电压检测仪器由TEV传感器及其信号调理电路、模数转换电路、微处理器电路、人机接口、存储器、通讯接口和电源管理单元组成。信号调理电路负责将微弱的暂态地电压信号转换为合适的信号电平、波形和频率;模数转换电路负责将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号，并提供给微处理器系统，实现信号的处理、分析和存储;人机接口电路实现操作者与检测设备的信息交互;数据存储电路实现检测数据和设备信息的就地存储;通讯接口电路用于实现检测设备终端与数据管理系统的信息交换;电源管理单元负责电源的电压变换和储能部件的充电管理及监测。 -4所示。 其中，最核心的是暂态地电压信号调理电路，其原理框图如图6其中，模拟滤波电路用于对暂态地电压传感器馈入的模拟进行处理，限制其带宽， 以最大限度地降低外部环境的电磁干扰和提高局部放电检测的灵敏度;对数放大电路用于对暂态地电压信号进行非线性放大;峰值检波电路用于对持续时间短至ps级的局部放电信号进行处理，提取对局部放电检测最为重要的幅值信号，而将其持续时间展宽至μs级，以降低后续采样与转换电路的设计指标要求。 模拟滤波电路对数放大电路峰值检波电路 图6-4:暂态地电压信号调理电路原理示意图 暂态地电压信号调理电路具有下列基本特征: (1)信号调理电路的频谱特性需要兼顾灵敏度和抗干扰特性的要求。对于主导频率处于所设计频带范围之外的局部放电现象，检测设备存在失效的可能。对于开关柜来说，局部放电所产生电磁波信号的最高频率一般不超过100MHz; (2)对数放大器对于弱信号具有很高的放大增益，因此对于轻微的局部放电现象具有较高的灵敏度。同时对数放大器对于大信号又具有很小的增益，因此对于剧烈的放电现象能够自动限制信号幅值，保证检测设备的电气安全; (3)峰值检波电路能够保留对局部放电检测最为重要的峰值信息，而忽略了局部放电原始信号的频率信息。一般来说，检波时间常数可达到100us，因此即便采用1MHz的采样率也能够正确测量局部放电。对便携式检测设备的采样率要求提出过高的技术要求毫无必要; (4)重复率过高的局部放电信号将会导致峰值检波电路的输出存在很大的直流分量，不同的信号提取算法可能会导致不同的测量结果。 2、暂态地电压定位功能 暂态地电压检测仪器的定位功能一般采用时差原理实现，一般采用硬件数字电路实现，主要包括:两路几乎完全相同的TEV传感器、增益控制电路、触发逻辑电路以及最后对电磁脉冲信号实现时序鉴别的高速逻辑电路。 增益控制电路主要用来将传感器输入的暂态地电压信号放大或者衰减到合适的电压水平，并与触发逻辑的设定值相匹配，以便精确获得暂态地电压信号的触发时刻;触发逻辑电路的主要功能是将模拟的暂态地电压信号转换为合适的数字逻辑电平，且严格保证逻辑电平的前沿与暂态地电压的出现时刻保持一致;时序鉴别逻辑电路对两路触发逻辑电路输出的脉冲信号进行优先级鉴别，并提供对 称的时序鉴别逻辑输出;微处理器读取时序鉴别逻辑的输出，则可以判断出暂态地电压信号出现的时间先后，从而帮助操作人员判断出局部放电源的大致位置。 3、暂态地电压检测的指标体系 暂态地电压检测仪器的主要技术指标包括: (1)频带范围:仪器能够正确检测的射频信号频带范围，一般为3MHz~100MHz。值得注意的是，由于局部放电信号属于非稳态高频信号，频带范围的标定标准与常见标准存在差异，一般很难沿用-3dB标准。另一方面，对于开关柜的局部放电现象，射频信号主导频率低于3MHz的几率很高，因此，对于特定类型的局部放电，不同的暂态地电压法检测设备给出的检测结果可能存在较大的差异。 (2)标称电容:暂态地电压传感器电容参数的计算值或稳态测量值，一般为pF级。不同的检测设备生产厂商根据设计要求，可能选择不同标称值的传感器，但一般不会超过100pF。 (3)测量范围:检测设备能够测量的射频信号的最大值或有效值，单位一般为dBmV。如果采用dBm标定，可根据式(6-6)、(6-7)进行变换。由于对数放大器对大信号的增益非常小，且目前尚无可靠的测量误差标定办法，因此仪器的测量范围能够满足要求即可。 (4)重复率:检测设备单位时间内或每工频周期能够正确分辨的放电活动次数。重复率仅统计放电强度超过设定水平的放电脉冲，由于每个设备厂商设定的判定标准存在差异，因此重复率的测量结果可能会存在差异。值得注意的是，局部放电活动的根本特征是放电强度和重复性。实践过程中，对于放电强度过大而重复率过小，或者放电强度过小而重复率很大的局部放电现象，可能都属于干扰的范畴。 (5)定位精度:按照时间鉴别精度标定，不大于2ns，对应的定位空间分辨率不大于600mm。 (6)增益控制精度:增益控制精度间接影响着暂态地电压脉冲的捕捉精度，是暂态地电压定位的重要误差来源，一般不高于1dB。如果增益控制的步进精度过低，可能导致逻辑触发电路无法精确地在脉冲峰值处触发，使得不同暂态地电压信号通道的数字逻辑信号前沿时刻产生偏差，导致定位结果不准确。 第三节 暂态地电压检测数据的分析 一、检测方法 1 检测流程 高压开关柜的局部放电检测在开关柜的结构和频谱特性方面与其他电力设备存在明显区别。首先，放电部件封闭于金属壳体内，检测设备的传感器难以深入开关设备内部，因此检测过程难以排除环境电磁噪声的影响。其次，开关柜及其部件主要采用空气绝缘或环氧树脂固体绝缘，绝缘强度较弱，电磁放电的频谱较低，基本上与环境电磁噪声的频带重合。因此，高压开关柜的暂态地电压检测必须遵循一定的程序，才能得出准确的结论。 背景噪声测量暂态地电压检测阈值分析横向分析放电源定位 统计分析纵向分析 图6-5 开关柜局部放电现场检测的基本流程 暂态地电压检测之前，必须采取措施首先检测现场的背景噪声并做好记录。然后，开始按照正常程序检测开关柜的暂态地电压数据，并按照一定的阈值准则综合背景噪声和实测数据，评估开关柜的实际局部放电数据。注意，阈值准则一般情况下仅能给出开关柜是否存在局部放电的信息，而放电程度的表征是很不严格的，但这种分析方法却比较直接和快捷。另外，也应当考虑背景噪声的波动特性，每隔一段时间就应当复测背景噪声，以保证背景噪声的时效性。 在简单阈值分析无法给出正确的放电信息时，特别是放电程度相对偏弱时，还可以利用横向分析技术实现对单台或多台开关柜局部放电活动的判断。 与阈值分析和横向分析技术相比，统计分析则可以从宏观角度分析和发现电力企业开关柜局部放电状态的发展演化，既能帮助企业制订正确的检修策略，也能为阈值分析提供更加符合企业自身实际的判断准则。纵向分析则是通过特定开关柜局部放电检测数据的发展变化，帮助运维人员发现配电设备存在的潜伏性缺陷。 对于检测结果判断为异常的开关柜，需要进一步采用局部放电定位技术对检测结果进行排查、确认。 2 检测仪器要求 2.1、基本功能 , 能够显示暂态地电压信号的强度; , 具备单次测试和连续测试两种测试模式; , 具备报警设置功能及告警功能; , 具备数据管理和数据导入导出功能; , 具备基于电磁波信号时差法的局部放电定位功能。 2.2高级功能 , 具备脉冲计数功能，可以显示2s脉冲数; , 可通过不同测量模式的综合分析进行局部放电定位和种类识别; , 通过数据管理软件，对开关柜进行绝缘状态分析、数据统计分析等; , 能够输出与暂态地电压信号前沿同步的脉冲信号输出。 2.3使用条件要求 , 环境温度:-10?~+55?; , 环境相对湿度:0%,85%; , 大气压力:80kPa~110kPa。 2.4 性能指标要求 , 测量量程:0dBmV ~60dBmV; , 分辨率:1dBmV; , 误差:不超过?2dBmV; , 传感器频率范围:3MHz~100MHz; , 增益调整步进精度:不大于1dB; , 时间定位精度:?2ns。 3、现场检测要求 3.1检测人员要求 , 检测人员应具备如下条件: , 熟悉暂态地电压局部放电检测的基本原理、诊断程序和缺陷定性的方法; , 了解暂态地电压局部放电检测仪的技术参数和性能;掌握暂态地电压局 部放电检测仪的使用方法; , 了解开关柜设备的结构特点、运行状况; , 熟悉相关导则，接受过暂态地电压局部放电检测技术的培训，具备现场 测试能力; , 具有一定的现场工作经验，熟悉并严格遵守电力生产和工作现场的相关 安全管理 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 。 3.2工作安全要求 , 应严格执行国家电网安监[2009]664号《国家电网公司电力安全工作规程 (变电 部分)》的相关要求; , 应严格执行相关变(配)电站巡视的要求; , 检测至少由两人进行，并严格执行保证安全的组织措施和技术措施; , 应有专人监护，监护人在检测期间应始终行使监护职责，不得擅离岗位 或兼职 其他工作; , 应确保操作人员及测试仪器与电力设备的高压部分保持足够的安全距 离; , 不得操作开关柜设备，开关柜金属外壳应接地良好; , 设备投入运行30分钟后，方可进行带电测试; , 测试现场出现明显异常情况时(如异音、电压波动、系统接地等)，应立 即停止测试工作并撤离现场。 3.3工作条件要求 , 开关柜设备上无其他作业; , 开关柜金属外壳应清洁并可靠接地; , 应尽量避免干扰源(如气体放电灯、排风系统电机)等带来的影响; , 进行室外检测应避免天气条件对检测的影响; , 雷电时禁止进行检测。 4、检测方法 4.1检测周期要求 , 新投运和解体检修后的设备，应在投运后1个月内进行一次运行电压下 的检测，记录开关柜每一面的测试数据作为初始数据，以后测试中作为 参考; , 暂态地电压检测至少一年一次; , 对存在异常的开关柜设备，在该异常不能完全判定时，可根据开关柜设 备的运行工况缩短检测周期。 4.2检测工作准备 , 检查仪器完整性，确认仪器能正常工作，保证仪器电量充足或者现场交 流电源满足仪器使用要求; , 对于高压开关柜设备，在每面开关柜的前面、后面均应设置测试点，具 备条件时，在侧面设置测试点，检测位置可参考图6-19; 后上 侧上 前中 后中 侧中 后下 前下 侧下 图6-6 暂态地电压参考检测位置示意图 4.3检测部位 , 一般按照前面、后面、侧面进行选择布点，前面选2点，后面、侧面选 3点，后面、侧面的选点应根据设备安装布置的情况确定; , 如存在异常信号，则应在该开关柜进行多次、多点检测，查找信号最大 点的位置; , 应尽可能保持每次测试点的位置一致，以便于进行比较分析; , 根据现场需要设置相应的检测位置。 4.4检测步骤 , 按4.2进行检测准备; , 测试环境(空气和金属)中的背景值，并在表格中记录。一般情况下， 测试金属背景值时可选择开关室内远离开关柜的金属门窗;测试空气背 景时，可在开关室内远离开关柜的位置，放置一块20×20cm的金属板， 将传感器贴紧金属板进行测试; , 对开关柜进行检测，检测时传感器应与高压开关柜柜面紧贴并保持相对 静止，待读数稳定后记录结果，如有异常再进行多次测量; , 一般可先采用常规检测，若常规检测发现异常，再采用定位检测进一步 排查; , 对于异常数据应及时记录保存，记录故障位置; , 填写设备检测数据记录表，进行检测结果分析; , 注意测试过程中应避免信号线、电源线缠绕一起。排除干扰信号，必要 时可关闭开关室内照明灯及通风设备。 4.5定位步骤 , 在暂态地电压检测结果出现异常时进行放电源定位; , 利用与定位仪器配套的检查设备确认定位仪器性能完好; , 将两只暂态地电压传感器分置于开关柜面板上，并保证间隔距离不小于 0.6米; , 使用自动或手动功能调节两个通道的触发电平，保证每个检测通道均能 够连续、可靠、准确地被触发; , 启动仪器的定位功能。当某个通道的指示灯点亮时，表明放电源靠近该 通道连接的传感器位置。 定位操作时的注意事项: , 如果两个通道的指示灯交替点亮，可能存在两种原因:(1)暂态地电压 信号到达两个传感器的时间相差很小，超过了定位仪器的分辨率;(2) 两个传感器与放电点的距离大致相等，导致时序鉴别电路难以正常鉴 别。解决方法:可略微移动其中一个传感器，使得定位仪器能够分辨出 哪个传感器先被触发。 , 影响放电源定位测试结果的两种情况:(1)当局部放电源距离测量位置 较远时，暂态地电压信号经过较长距离传输后导致波形前沿发生畸变， 且因为信号不同频率分量传播的速度存在差异，会造成波形前沿进一步 畸变，影响定位仪器判断;(2)强烈的环境噪声干扰也会导致定位仪器 判断不稳定。 二、诊断方法 1、背景噪声对暂态地电压局部放电分析的影响 开关柜金属柜体的暂态地电压水平从能量角度来看，可认为是外部空间的电 磁干扰与局部放电共同作用的结果。假设: 符号 定义 dB N金属门等处测量的噪声分贝值，即背景噪声值; dB NS开关柜实测的暂态地电压分贝值，包括噪声的影响，即实测值; dB S开关柜局部放电的暂态地电压理论分贝值，即实际值; 在巡检过程中可以通过测量得到的数值是dB和dB。通过公式(6-10)NNS 可以计算得到dB。 S (6-10) dB,f(dB,dB)，dBSNSNN 根据式(6-10)可以得到如下结论 1)实际值不等于实测值，也不简单的等于实测值减去背景噪声值; ( (2)实测值与背景噪声值之间的差别越大，则实测值越接近于局部放电的实际值。其中，当实测值与背景噪声值的差别达到15dB时，实测值与实际值之间的误差约为7%，基本可认为实测值接近实际值。 2、暂态暂态地电压检测结果常见分析方法 2.1阈值分析技术 阈值分析技术通过将开关柜的暂态地电压局部放电检测数据与局部放电状态判断阈值进行比较，可以初步判断出开关柜目前的运行状况。具体的阈值(推荐参考值)比较流程如下: (1)当开关室内背景噪声值在20dB以下时，这里开关柜的检测值指的是实测值。 (a)、如果开关柜的检测值在20dB以下，则表示开关柜正常，按照巡检周期安排再次进行巡检; (b)、如果开关柜的检测值在20~25dB，应对该开关柜加强关注，缩短巡检周期，观察检测幅值的变化趋势; (c)、如果开关柜的检测值在25~30dB，则表明该开关柜可能存在局部放电现象，应缩短巡检的时间间隔，必要时应使用定位技术对放电点进行定位; (d)、如果开关柜的检测值在30dB以上，则表明该开关柜存在局部放电现象，应使用定位技术对放电点进行定位。必要时，应使用在线监测装置对放电点进行长期在线监测; (2)当开关室内背景噪声值在20dB以上时，要求开关柜的检测值(即实测值)与背景噪声值之间应有较大的差别，使得开关柜的检测值接近实际值，从而从背景噪声中被区别出来判断局部放电的状态。 (a)、如果开关柜的检测值与背景值之间的差距在15dB以下时，则表示开关柜正常，按照巡检周期安排再次进行巡检; (b)、如果开关柜的检测值与背景值之间的差距在15~20dB，应对该开关柜加强关注，缩短巡检周期，观察检测幅值的变化趋势; (c)、如果开关柜的检测值与背景值之间的差距在20~25dB，则表明该开关柜可能存在局部放电现象，应缩短巡检的时间间隔。必要时，应使用定位技术对 放电点进行定位; (d)、如果开关柜的检测值与背景值之间的差距在25dB以上，则表明该开关柜存在局部放电现象，应使用定位技术对放电点进行定位，必要时应使用在线监测装置对放电点进行长期在线监测; (3)所有故障处理过的开关柜，应再次对该开关室进行局部放电检测，检测结果与跟处理前进行比较，衡量故障处理的准确性; (4)阈值比较技术比较简单，易于掌握，非常适合巡检现场使用。阈值比较技术关注于巡检时开关室内每个开关柜的局部放电检测状况，但是无法分析开关室内所有开关柜在此次巡检的整体状况。当遇到一个开关室内存在多个异常的开关柜或所有开关柜均异常时，阈值比较技术的作用有限，此时就需要采用横向分析技术来进一步分析。 2.2统计分析技术 实施暂态地电压局部放电检测初期主要采用推荐参考值进行分析和判断。但是，不同地区在开关柜配备、环境、暂态地电压局部放电检测设备配备等方面存在差异，该推荐参考值并不一定适合本地的应用。因此，需要各个地区开展广泛的、长期的现场检测，累积足够的暂态地电压局部放电检测数据，通过统计分析和计算，可以修订和完善推荐参考值，从而获得适合不同地区地方特点的暂态地电压局部放电判断阈值。 暂态地电压局部放电检测数据为统计样本可以计算得到以下的统计结果: 以 N1,VEVV;,,(),tevi,N,1i, (6-11) ,N12,σVV。,,(),tevi,N,1i, V式(6-11)中:表示统计样本的平均水平;σ表示总体样本偏离平均水平tev 的程度。 电力公司根据年度检修资金预算和人员配置的情况，合理选择允许的设备异 V常概率水平，由和σ可以计算出对应设备异常概率水平的状态判断阈值。 tev 目前国内采用的推荐参考值来源于国外电力企业近6000次开关柜局部放电暂态地电压检测数据的统计分析，其中选择与前10%样本计算对应的局部放电状态判据A=30dB，与前15%样本计算对应的局部放电状态判据A=25dB，与前25%样本计算对应的局部放电状态判据B=20dB，这三个状态判据作为暂态地电压局部放电检测值VdB的状态判断阈值，即 V,20——正常 dB 20?V,25——注意 dB 25?V,30——异常 dB 30?V——严重 dB 具体统计分析如下图6-7所示。 幅 值 前样本10% 样本前15% 前样本25% 102030406070809050100% 样本百分比 图6-7 统计分析计算状态判断阈值 2.3横向分析技术 横向分析技术就是充分考虑一组检测设备的共同性特征，并假定这些共同特征对状态数据检测具有同等的影响，从而根据实际检测结果推断单一设备状态异常程度。这些共同特征可以包括电力设备实际的空间安装位置、结构类型、制造商或制造水平、投运年限以及分属不同相别的同类部件，等等。 假如同一时间点获取的状态检测数据序列为,,，同时定义其均值: Xi n (6-12) X,X,i,1i X如果将状态检测数据序列看成维欧几里得空间，则其均值无疑位于欧几n 里得空间的中心，实测的状态检测数据偏离欧几里得中心的程度可用欧几里得距离或矩阵范数进行描述，如下式所示: ,,d,X,X,maxabs(X,X) (6-13) iii 如果确定需要实现n选1，则矩阵范数最大者往往也就是问题的关键。 横向分析可供选择的基准特征很多，开关柜的安装空间位置就是其中一项。假设开关柜呈“一”字形排列并按顺序依次编号，将其局部放电水平如图6所示描绘在直角坐标系中，其中横坐标代表柜体编号，纵坐标代表放电强度。 由于同一个开关室内开关柜基本来源于同一制造厂家，设备的绝缘水平理应不存在明显的差异。同时，由于安装空间临近，环境噪声对每面开关柜的影响也应基本一致。通过计算同次检测结果的总体平均水平，并衡量每个开关柜偏离总体平均水平的程度来判断设备是否存在绝缘缺陷。 正常情况下每面开关柜的测量结果差别不大，基本在总体平均水平上下波动，得到的曲线应是非常平缓，如图6-8所示，说明金属封闭开关柜内不存在明显的放电现象。 图6-8、绝缘水平正常情况下的横向分析曲线 当某一开关柜个体的检测结果偏离总体平均水平较大时，可以判断此开关柜存在缺陷的概率较高。如图6-9所示，间隔3的局部放电水平明显偏离平均水平，且相邻两侧的数据迅速降低，说明间隔3存在故障的几率较高。 图6-9、绝缘水平异常情况下的横向分析曲线 横向分析技术适合对开关室内一组开关柜的同一次检测数据进行分析，仅仅能够提供是否存在异常地可能性，但是无法对某一个开关柜的连续检测数据进行确切地定量分析，判断其变化趋势，而这恰恰是趋势分析技术的作用。 2.4纵向分析技术 纵向分析技术充分考虑电力设备劣化规律的特点，认为绝缘劣化属于一种缓慢累积的准稳态过程。因此，当前及未来的设备状态可通过前期检测数据提前预测，而实测值与预测值的严重偏离往往意味着设备状态的突然变化，从而判断出合适的状态检修时间。 纵向分析假定某一开关柜的绝缘水平不会发生突发性恶化，连续性的局部放电检测数据不会出现大的差异，即变化量保持稳定，且围绕平均水平波动，可以通过分析局放检测数据偏离平均水平的变化趋势程度来判断设备是否产生绝缘缺陷及缺陷严重程度。 可用于纵向分析的算法有很多，诸如递推滤波与预测技术、过程控制技术等均可以用于电力设备状态的趋势分析，以下提供几种基本的纵向分析技术: ,1,基本纵向分析 对同一开关柜不同时间的检测数据以曲线或数值形式描述其随时间的趋势变化，可利用预测值或其与实测值的差值是否越限作为控制状态检修的时刻。 图6-10给出了一种状态检修变量的基本趋势分析图。可以看出，受各种干扰因素的影响，每次状态量的实测值都会存在一定的波动，但基本围绕平均值线上下变化。随着时间的变化，状态量的实测值超过设定的控制上限，则意味着设备状态出现劣化迹象，可以提前安排检修。 6-10、基本趋势分析示意图 ,2,累积和分析技术 控制论中常称之为CUSUM图。该技术通过不断按照时间顺序对实测值与状态数据序列递推均值之差进行累加求和，从而检测出设备状态严重偏离正常水平的时刻，最终确定合适的检修时刻。 x,假如设备当前状态的检测值为，状态数据序列的递推均值为，二者之0i S差为，则控制变量可定义为: i S,(x,,)，S (6-13) ii0i,1 i,11,,x其中: ,0j,1ij,1 xSS当设备运行正常时，围绕均线随机波动，控制变量基本为零。当突iii然增大时，则意味着设备状态突然恶化，需要尽快安排检修。 图6-11给出了一种状态量的CUSUM图。与基本纵向分析不同，CUSUM曲线处理的是状态变量的偏差值，因此其曲线基本围绕0-基准线在平稳地波动。一旦出现大幅度的状态变化，则CUSUM曲线很快偏离0-基准线，意味着需要尽快安排对设备的检修。 图6-11、CUSUM图 ,3,指数加权移动平均技术 控制论中常称为EWMA(Exponentially Weighted Moving Average)技术。该技术类似于递推滤波和预测技术，指导思想就是为不同时刻的数据赋予不同的权重，近期数据赋予较大的权重，而历史数据的权重较低，从而同时兼顾时效性与平稳性的要求。 状态数据序列的EWMA值可描述为: Z,,X，(1,,)Z (6-14) tit,1 0,,,1。 其中， Z,X,,1,,0 显然，当时，，EWMA技术退化为基本趋势分析技术;当ti 时，每个状态数据的权重趋向一致，EWMA技术退化为CUSUM技术。 图6-12给出了一种状态量的EWMA图。与基本趋势分析方法不同，EWMA尽管也是处理状态变量的实测值，但分析参数优先考虑最新的状态变量，且同时考虑历史数据对当前状态变量的影响。因此，EWMA曲线较之基本趋势分析曲线更为平坦。但是，一旦出现大幅度的状态变化，则EWMA曲线也会很快超过 控制限值，意味着需要尽快安排对设备的检修。 图6-12 EWMA图 3、检测数据记录表 变电站名 开关柜母线电压(kV) 检测仪器型号 检测仪器编号 天气 晴/阴 温度 ? 相对湿度 % 空气dBmV 测试位置 环境背景值 金属dBmV 测试位置 开关柜 前中 前下 后上后中 后下侧上侧中侧下 负荷 序号 编号名称 dBmV dBmV dBmV dBmV dBmV dBmV dBmV dBmV A 前次 1 本次 前次 2 本次 前次 3 本次 前次 4 本次 前次 5 本次 前次 6 本次 数据分析结果 正常? 异常? 情况描述: 姓名: 姓名: 测试人员签名 审核人员签名 日期: 日期: 第四节 典型案例剖析 案例一 1、检测情况 在对某变电站10kV开关柜进行局放检测时，使用暂态地电压检测仪发现203 柜存在异常，再使用定位仪对203柜进行定位，初步判断母线穿墙套管附近存在局部放电。 2、处理和分析 为进一步证实检测结果，使用暂态地电压局部放电监测仪对10kV母线进线柜体进行连续在线检测。探头及天线布置情况如图所示。 俯视图 侧视图 结果显示5号、9号探头数据较正常值高很多，证实此处确实存在局部放电。使用红外成像仪对5号、9号探头附近的柜体进行温度扫描，发现B、C相热点比邻近其他部位高3摄氏度。综合分析后认为3号变压器10kV母线进线柜体内存在放电现象， 放电位置为B、C相附近。 3、停电检查及试验 对该开关柜进行停电检查和缺陷处理工作。停电后打开进线柜面板，发现母线支撑绝缘子表面尘埃严重、B相一只母线绝缘子标签脱开、C相带电显示器引 线与母线过近等现象。 (a)绝缘子表面尘埃严重 (b)绝缘子标签脱开 (c)带电显示器引线与母线过近 (d)柜内情况 绝缘电阻测试，C相绝缘电阻4000MΩ，A、B绝缘电阻大于10000MΩ;分相施加运行电压进行检测时，B、C相均出现明显超声信号，为12dB /40KHz。升高试验电压，在13kV时穿墙管根部外表面出现爬电现象，并伴随明显放电。 加压至13kV时穿墙管根部外表面出现放电 对柜内设备进行全面清扫，同时将标签脱开、C相带电显示器引线与母线过近的现象进行了处理，处理后效果如下图: 3#变10kV母线进线柜体清扫处理后情况 经处理后，绝缘电阻测量A、B、C三相绝缘电阻均大于10000MΩ。施加运行电压进行检测，未发现超声波异常的信号;施加试验电压30kV时，穿墙管处出现明显放电现象，但较之前13kV时电压明显提高。经进一步核对检查，该穿墙管为瓷质绝缘，内壁没有均压材料或装置。 4、结论 从整个柜体内部的情况来看，引起局部放电现象存在以下几点原因: 1)203进线柜体内部沉积尘埃较多; 2)B相母线支撑绝缘子标签开裂; 3)C相带电显示器引线与母线过近; 4)穿墙套管内部无均压材料或装置。 经过对203进线柜体的清扫及检修，加压试验结果显示其内部局放现象在运行电压下已得到消除。为彻底消除引起局放的隐患，还需要对三相穿墙套管进行处理，完善其内部均压装置。 案例二 1、检测情况 检测人员在使用暂态地电压(TEV)方法对某220kV变电站进行普测时发现35kV开关室内空气中背景噪声达到43dB，为排查空气背景噪声来源，检测人员分别对室外环境与相邻GIS室内空气背景噪声进行检测。结果如下: 检测位置 室外 GIS室 35kV开关室 结果 3dB 12dB 43dB 对比结果初步排除35kV开关室内空气背景噪声来自室外的可能。 对35kV开关室内开关柜进行暂态地电压(TEV)检测发现34甲-9间隔暂 态地电压检测结果达到满量程60dB，初步判定34甲-9开关柜内部存在局部放电。 2、处理及分析 34甲-9开关柜内主要一次设备包括PT，部分35kV-4甲母线和避雷器，母线铜牌及避雷器软连接线均配有热缩绝缘外套。 首先判断局部放电是否来自PT。将PT拉至检修位置时进行暂态地电压检测，暂态地电压信号仍存在，初步判断PT无故障，局部放电可能存在于母线或避雷器上。 为判断局放产生的位置及处理故障，对该段母线进行了停电。 在拉出34甲,9小车至检修位置，且间隔内避雷器接入母线情况下，分别对三相母线加压，并进行暂态地电压测试。分别为A、B两相加压并进行暂态地电压测试，均无局放信号产生。当对C相母线加压至8kV时，出现局部放电信号，当电压加至20kV时，局放信号加强。由此，确认局放信号来自于34甲-9间隔内C相。 为判断局放是否来自避雷器，拆除C相避雷器后，再次对C相母线加压并进行局放试验。母线加压至8kV，出现局放信号。电压加至20kV时，局放信号加强。因此，排除局部放电发生在避雷器上的可能性。认定局放发生在C相母线上。 为进一步确定局放发生位置，将C相母线于-9PT柜后部分解为两段，分别为两段母线加压并进行局部放电检测，缩小放电点排查范围。 母线分解位置如下图: 母线分解图 由于彻底分解母线较困难，且考虑到局部放电起始电压低于8kV，因此在分解位置使用热缩绝缘材料进行绝缘。下面的试验表明，在试验电压达到8kV时， 此绝缘材料不会产生局部放电信号。 母线分解后，分别从两侧加压，图中下侧加压未出现局放信号，上侧加压至8kV信号出现。判断局放仅发生在分解位置至PT套筒内一小部分母线内。经对此部分所有连接部分进行仔细检查后，在套筒与母线连接的螺栓及螺母处均发现烧灼痕迹。 烧蚀的螺栓 烧蚀的螺母 3、结论 在施工过程中，由于未将母排部位热缩套剥除，就强行拧入连接螺栓，螺栓旋入母排时，挤压部分热缩材料，导致母排与螺栓搭接不良，产生放电，经处理后，对C相母线进行恢复。恢复后，再一次进行局部放电试验。试验电压加至20kV时，无局放信号产生。 母线排套筒 绝缘热螺栓塑材料 挤入螺栓的绝缘热 塑材料 案例三 1、检测情况 在对某变电站35kV开关柜进行暂态地电压局放普测时，测得现场空气背景噪声达到25dB，室外为5dB。同时，301间隔和303间隔的结果偏大，且存在较弱的超声信号。 某35kV变电站35kV金属封闭式开关柜超声局放检测结果 开关柜名称 幅值(dB) 后面板 TEV(dB/2秒) 超声(dB) 上部(穿墙套管部位) 39 中部 301 26 下部 21 上部 38 中部 303 20 下部 25 一周后对该变电站进行开关柜局部放电复测，发现35kV开关室内背景噪声达到40dB以上，同时使用超声波检测发现在301、303开关柜后面板缝隙处有较强超声信号，初步判断柜内有局部放电。 对该站进行重点监测，每日进行一次局放检测，发现放电发展很快，两日后放电声响已达到人耳可听的强度，立即安排停电检修。 2、处理及分析 通过对开关柜进行超声及暂态地电压局放定位，初步判断局放产生于开关柜上部，组织厂家对301、303开关柜进行停电检修，结合定位结果，在柜顶母线套筒内及搭接弹簧片上发现明显烧蚀痕迹。 烧蚀的套筒 烧蚀的弹簧片 3、结论 此次故障主要是由于连接的软弹簧片与套筒内壁均压环连接不良，造成放电，并产生明显烧蚀痕迹。经与厂家沟通，确认由于工艺原因，该批弹簧片普遍存在与套筒内壁搭接不良的情况，属家族性缺陷，随即对该批弹簧片进行了更换。 母线排 均压环此两处搭接 不良造成悬连接软弹簧片浮放电 绝缘套筒 案例四 1、检测情况 某公司在巡视中发现311、301等开关柜绝缘套筒放电声音比较大而且有强烈的臭氧味。随后采用超声波检测仪和暂态地电压检测仪进行了检测。发现该站的35kV开关柜普遍存在暂态地电压局部放电信号，且超过了20dB。下表为某110kV变电站35kV金属封闭式开关柜暂态地电压局部放电测试结果。 某110kV变电站35kV金属封闭式开关柜暂态地电压局放检测结果 幅值(dB) 开关柜名称 前面板(TEV) 后面板(TEV) 上 9 14 中 302-2 7 15 下 5 13 上 7 10 中 302 12 12 下 8 11 上 6 33 中 314 7 20 下 9 12 上 14 31 中 312 14 23 下 10 24 上 7 25 中 35-9PT 8 18 下 9 11 上 8 30 中 345 12 20 下 10 21 上 14 27 中 345-4 13 24 下 13 21 上 13 31 中 34-9 9 21 下 11 11 上 11 20 中 301 12 22 下 10 16 上 7 17 中 301-2 9 12 下 5 12 由于检测结果异常的设备范围较大，并未立即对该站进行停电检修，但运行中对该站的35kV金属封闭式开关柜进行了多次超声及暂态地电压局部放电测试，测试结果和本次测试的数据基本吻合。而且，超声局部放电信号还有明显增强的趋势。 运行一个月后，决定对该站进行停电检修，检修前再次进行了带电检测。在302-314母线筒、301与311间隔母线筒连接处，314后柜上下部接缝处、311前柜左侧接缝处以及301后柜上下部接缝等多处测得强度为15dB的超声信号，且在311柜左侧接缝处可用人耳直接听见放电声响。 2、处理及分析 经过和超声就暂态地电压检测数据的对比验证，发现两种方法判断的放电位置基本吻合，都存在与开关柜的中部或上部，初步认为放电发生在开关柜的触头盒内。 通过对该站进行停电，对35kV开关柜内部设备进行了检查和缺陷处理。在对开关柜内设备的逐步检查中，发现开关柜触头盒内存在明显放电痕迹，与之对应的，在母排上也存在大量放电痕迹，母排外热缩套被烧蚀，如下图所示: 放电烧蚀的母排 发生放电的触头盒 3、结论 通过对局部放电点的分析和研究，判断产生局部放电的主要原因为触头盒内部母排端部存在毛刺和尖端，在高电压的作用下，母排尖端对触头盒内表面产生局部放电现象。产生母排端部毛刺的原因，主要为施工过程中，没有很好对母排端部进行尖角的打磨处理，造成了局部放电隐患的存在。对11面开关柜触头盒内的母排尖端，按照技术要求重新进行倒角处理，隐患消除。 案例五 1、检测情况 在对某变电站巡视中发现，10千伏2段母线室有一丝轻微地间隙性的疑似放电声，于是用暂态地电压局放仪进行测量，经排查后发现,号主变10千伏甲开关仓所测的数据在13-22db之间变化，虽然数据绝对值不大，但对照历史数据表明设备可能存在不安全的隐患。 2、处理及分析 在打开2号主变10千伏甲开关后仓后(流变仓)立即发现，绝缘挡板面板上结了一层露水，侧面与顶面绝缘板之间有多处放电痕迹，变电检修班立即对绝缘挡板进行了拆卸，对仓位内设备进行烘干、并对绝缘挡板外形尺寸也进行了合理的改进，送电后再用暂态地电压检测仪进行测量，数据稳定在6db左右。 处理前局放检测数据: 前中 前下 后上 后中 后下 侧上 侧中 侧下 开关柜名称 dB dB dB dB dB dB dB dB 二号主变10千伏8 6 15 19 22 12 14 18 甲开关柜 处理后局放检测数据: 前中 前下 后上 后中 后下 侧上 侧中 侧下 开关柜名称 dB dB dB dB dB dB dB dB 二号主变10千伏8 6 8 6 6 7 6 8 甲开关柜 绝缘板结露情况 绝缘板放电痕迹 3、结论 开关柜电缆仓内的隔板安装位置，一端接地另一端固定在B相铜排上，当隔板受潮时易造成放电。另外主变10千伏开关柜因下面没有电缆仓使得散热、散潮性能较差，也是导致此次故障的原因。 总结 状态评价的目的，是在掌握设备状态的基础上对设备的健康状况做出准确评价，以便制定合理的停电及检修 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，因此带电检测作为一种掌握设备状态的手段，在实施过程中应达到对故障点进行定性、定量和定位的目标。所谓定性就是确定局放的类型，定量就是确定放电量的大小，定位就是要知确定放电发生的部 位，三者缺一不可。 超声局部放电检测技术，不仅能够对设备的放电进行定量测试，而且可对放 电源进行初步定位，对于比较陡的脉冲比较敏感，对导体毛刺、悬浮放电和绝缘 子的表面脏污、潮湿都比较敏感，但对电场作用下的颗粒运动不敏感。该方法操 作简便，已经成为继红外热成像检测技术之后的又一项重要状态检测技术。 由以上案例分析可以看到，现场检测中受仪器精度及干扰的影响，经常会产 生误判和漏判。漏判会增加设备的运行风险，而误判增加了停电检修的时间和经 费，尤其是在开展状态监测的初期，甚至会降低对带电检测的信心。 但在现有的技术水平下，无论哪一种测试方法都有一定的局限性，无法准确 的检测到所有类型的放电，而各种检测方法之间又具有较好的互补性，因此，为 提高检测的准确性和可靠性，应根据现场的干扰源类型及开关柜的特点，综合超 声、暂态地电压、红外等多种检测方法对开关柜状态进行针对性检测，并根据检 测的结果、设备的结构、现场的条件及历史检测结果进行综合分析，才能够较为 准确的掌握设备的状态，最终达到制定有针对性的检修策略的目的。 参考文献 [1]国家电网公司，电力设备带电检测技术规范(试行),2010年1月. 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