敞開式真空斷路器局部放電的聲電聯(lián)合檢測

王錄亮，李炳康，李巖，吳育毅，徐鐘祝

(1. 南方電網(wǎng)海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，海南 ?？?571900；2. 華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

敞開式真空斷路器具有電氣壽命長，維護工作量小，可頻繁操作等優(yōu)點，在變電站中廣泛應(yīng)用[1-4]。實際經(jīng)驗表明，此類斷路器的典型故障為密封欠佳，導(dǎo)致瓷套進水，絕緣硅脂劣化，最終在斷路器瓷套內(nèi)部產(chǎn)生閃絡(luò)擊穿引起爆炸[5-6]。當(dāng)前缺乏應(yīng)對這種故障的有效檢測方法，只能在故障后進行停電檢修，這種方式不僅成本高，而且造成不良的社會及經(jīng)濟影響，亟需開發(fā)經(jīng)濟可行的技術(shù)手段開展針對敞開式斷路器的帶電檢測。

局部放電是發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備早期故障的重要指標，廣泛應(yīng)用于各種電氣設(shè)備中[7-9]。在斷路器發(fā)生上述典型故障前，也會出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，因此，通過對局部放電的檢測可以有效發(fā)現(xiàn)敞開式斷路器的早期故障。局部放電現(xiàn)象同時伴隨著聲、光、電現(xiàn)象，針對局部放電的檢測也可從這幾方面入手。針對斷路器內(nèi)部局部放電，典型的檢測方法有脈沖電流法、超聲波法、特高頻法等[10-12]：脈沖電流法適于停電檢測；超聲波法可避免電磁干擾，但容易漏檢[13]；特高頻法能夠有效避開現(xiàn)場電暈等干擾，檢測靈敏度較高；將超聲波法和特高頻法結(jié)合的聲電聯(lián)合法廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場局部放電檢測[14-17]。羅艷等基于聲電聯(lián)合方法成功定位換流變壓器中的局部放電[18]。張曉新等利用聲電聯(lián)合法對開關(guān)柜局部放電進行檢測[14]。王輝等采用聲電聯(lián)合方法對GIS局部放電進行檢測[19]。然而，將聲電聯(lián)合法應(yīng)用到敞開式斷路器局部放電檢測中有以下挑戰(zhàn)：①傳統(tǒng)聲電聯(lián)合法普遍采用特高頻信號作為電信號，需要高采樣率硬件設(shè)備(如示波器)，其成本高，便捷性差；②敞開式斷路器的瓷套結(jié)構(gòu)對傳感器的布置安全和局部定位提出挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的聲電聯(lián)合法可以直接在接地體上測試(如變壓器外殼)，這種測試可以輕易改變測點位置，輔助定位，但是敞開式斷路器瓷套表面帶電，操作難度大。

為此，本文提出改進的聲電聯(lián)合檢測方法：針對挑戰(zhàn)①，采用射頻傳感器替代特高頻傳感器，在更低頻段檢測局部放電電磁波，結(jié)合超聲檢測，實現(xiàn)更低成本、更便捷的檢測方案；針對挑戰(zhàn)②，結(jié)合斷路器瓷套結(jié)構(gòu)設(shè)計交叉射頻傳感器，方便貼附在瓷套表面，同時提高傳感器對局部放電信號的方向判別性能，提高定位精度。利用改進多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法對本文所提的聲電聯(lián)合檢測方案與傳統(tǒng)的超聲加特高頻的檢測方案進行對比[20-21]，驗證本文所提方案的優(yōu)勢。進而對復(fù)合傳感器設(shè)計進行探討，分別討論超聲傳感器和射頻傳感器的設(shè)計：對于超聲傳感器，介紹相關(guān)設(shè)計理論基礎(chǔ)；對于射頻傳感器，采用針對斷路器的定向天線布置以提升檢測精度。為了防止傳感器內(nèi)部放電，基于有限元法校核其絕緣水平。最后，開發(fā)一體化傳感器并搭建實驗平臺，對斷路器內(nèi)部局部放電進行檢測。

1 敞開式斷路器局部放電復(fù)合傳感器設(shè)計

1.1 斷路器結(jié)構(gòu)

本文以35 kV敞開式斷路器為研究對象，該設(shè)備單相結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該斷路器由上進線端、真空滅弧室瓷套、支架、下出線端、絕緣拉桿、支柱瓷套和底架構(gòu)成。斷路器內(nèi)部擊穿性故障多由于瓷套密封不嚴導(dǎo)致進水，誘發(fā)放電故障，因此瓷套內(nèi)部是局部放電檢測的重點部位。

圖1 35 kV斷路器示意圖(單相)

1.2 聲電聯(lián)合復(fù)合傳感器設(shè)計

為達到更好的檢測效果，本文采取聲電聯(lián)合的局部放電檢測方案。設(shè)計開發(fā)一體式復(fù)合傳感器，傳統(tǒng)的復(fù)合傳感器由超聲傳感器和特高頻傳感器構(gòu)成。特高頻傳感器測量靈敏度好，但對硬件要求高，常用的示波器觀測方法便攜性差，為此，本文提出頻帶較低的射頻傳感器設(shè)計。表1為2種方式對比?？梢钥闯?，雖然射頻傳感器在抗電暈干擾能力等方面存在劣勢，但是其對采樣率要求低，成本低，避免使用示波器，易集成，便攜性好，且檢測頻段同樣能夠覆蓋局部放電的典型頻譜，完全可以實現(xiàn)斷路器局部放電的檢測功能。

表1 特高頻傳感器與射頻傳感器對比

1.2.1 超聲傳感器設(shè)計

局部放電的脈沖會產(chǎn)生壓力，通過超聲的形式傳播，因此可以利用超聲傳感器檢測局部放電信號。壓電材料是超聲傳感器的核心材料，其厚度決定了傳感器的響應(yīng)頻率，厚度越小，對應(yīng)的響應(yīng)頻率越高，一般來說，壓電晶體需要切割到所需響應(yīng)頻率對應(yīng)波長的一半。為了提高信號強度，一般需要在壓電材料與被試品表面間增加阻抗匹配層，結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中的底層結(jié)構(gòu)會影響傳感器帶寬。阻抗匹配層阻抗值

圖2 超聲傳感器示意圖

(1)

式中：ZS為貼附超聲傳感器的表面材料對應(yīng)的超聲阻抗，本文中為瓷套材料的超聲阻抗；ZPZT為壓電材料超聲阻抗。

KLM(Krimholtz, Leedom and Matth)模型可以用來設(shè)計超聲傳感器響應(yīng)頻率[22]，該模型最大的優(yōu)勢是隔離傳感器的超聲部分和電氣部分，如圖3所示。圖3中：d為壓電晶體厚度，A為電極面積，Z0為壓電晶體的超聲阻抗，ZB為底層材料超聲阻抗，ZM為阻抗匹配超聲阻抗，UIN為施加在壓電晶體上產(chǎn)生壓力F2對應(yīng)的電壓，v2為壓電晶體中粒子速度。另外，KLM模型還納入了輸入電容C0和輸入電感Xl，超聲部分和電氣部分通過變壓器連接，該變壓器將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槌曋怠?/p>

圖3 KLM模型示意圖

KLM模型相關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)表達為[23]:

(2)

(3)

式中Za為超聲傳輸線輸入阻抗。ZIN為隨頻率變化的函數(shù)，該函數(shù)最小值對應(yīng)壓電材料最大振幅。為了增強超聲傳感器輸出信號強度，一般在壓電傳感材料輸出端直接連接信號放大器。典型超聲傳感器檢測頻段為20～500 kHz，其中小于100 kHz為低頻段，100～400 kHz為中頻段，大于400 kHz為高頻段。不同頻段的超聲傳感器對不同電氣設(shè)備、不同位置、不同類型的局部放電檢測靈敏度有差異，如電纜中的超聲信號極低，約2 kHz，難以用常規(guī)的超聲傳感器檢測到[24]，而套管中局部放電的超聲信號為0～80 kHz[25]。本文設(shè)計的超聲傳感器測量帶寬10～100 kHz，放大電路增益約100倍。

1.2.2 射頻傳感器設(shè)計

局部放電的脈沖電流中僅有一部分能量轉(zhuǎn)換為超聲波，因此，超聲傳感的靈敏度欠佳，為了改善這一問題，采用聲電聯(lián)合檢測方案，在超聲檢測的基礎(chǔ)上，利用射頻傳感器檢測局部放電電磁波，2種傳感器對應(yīng)局部放電的2種物理特性，可以有效提升檢測精度。本文采用的射頻傳感器由磁環(huán)線圈配合可調(diào)電容構(gòu)成，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖4中：U為射頻電磁波耦合出的電壓，Rrad為輻射電阻，Rloss為線圈和線芯電阻，L為等效電感，C為等效電容。接收信號中心頻率[26]

圖4 射頻傳感器等效電路模型

(4)

L=μmμ0ScoilG.

(5)

式(4)、(5)中：μm為磁芯相對磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率；Scoil為線圈面積；G為計算因子。

通過調(diào)整線圈、磁芯參數(shù)，獲得約350 μH電感，有效監(jiān)測頻段為1～30 MHz，該頻段的選取可以降低對數(shù)據(jù)采集速度的要求，進而顯著降低成本。為了增強傳感器對斷路器內(nèi)部局部放電的辨識能力，獲得更好的測量結(jié)果，2組射頻傳感器按圖5所示交叉放置，形成交叉定向天線。該結(jié)構(gòu)可以卡在斷路器瓷套傘裙間，不僅形成物理支撐，便于帶電檢測，還可以達到對定向區(qū)域內(nèi)(斷路器瓷套內(nèi))更高的檢測精度。

圖5 射頻傳感器正交放置

1.3 傳感器絕緣有限元仿真

為了實現(xiàn)帶電檢測，需要將傳感器貼附到斷路器瓷套外表面上。帶電狀態(tài)下瓷套表面有電勢，傳感器上同樣會出現(xiàn)感應(yīng)電壓，為了避免該感應(yīng)電壓導(dǎo)致的傳感器內(nèi)部放電，需要對傳感器進行絕緣處理。本文通過有限元仿真分析傳感器置于斷路器瓷套表面后感應(yīng)電壓情況，為傳感器絕緣處理提供參考。斷路器瓷套沿面電場電場仿真控制方程為：

(6)

式中：D為瓷套表面任一點電位移矢量；ρ為電荷密度；E為任一點場強矢量；U為任一點電壓，為該點位置矢量的函數(shù)。建立全尺寸三維瓷套模型，獲得瓷套電勢分布如圖6(a)所示。為了設(shè)計傳感器封裝絕緣強度，需要計算傳感器置于瓷套表面后內(nèi)部感應(yīng)電壓，為此，在瓷套周圍設(shè)置2個等效電極，表征傳感器2極，對2極間電壓差計算仿真，發(fā)現(xiàn)傳感器2極電勢差最大約1 kV，結(jié)果如圖6(b)所示。據(jù)此，考慮到絕緣裕度和尺寸規(guī)格配合，設(shè)計傳感器封裝絕緣強度5 kV。

1.4 基于改進多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法的方案對比

為了科學(xué)對比傳統(tǒng)聲電聯(lián)合測試中使用的特高頻傳感器和本文所提的射頻傳感器，采用改進多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法對2種方案進行分析[20-21]。多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法是融合層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度理論的評價方法，本文將該方法應(yīng)用到聲電聯(lián)合復(fù)合傳感器設(shè)計方案的對比。為了進一步提高對比方法的科學(xué)性，在多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法的基礎(chǔ)上，使用熵值法修正指標權(quán)重，稱為改進的多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法。該方法的局部步驟為：首先提出評價指標，通過層次分析法確定各指標權(quán)重；其次使用熵值法修正指標權(quán)重，修正后的指標可以更加客觀地反映指標影響力。其原理是指標信息熵數(shù)值越小，系統(tǒng)內(nèi)部無序化程度越大，即各方案在該指標下的指標值差異程度越大，則該指標在方案評價中的作用也就越大，權(quán)重越高；進而確定最優(yōu)的指標組合作為參考數(shù)列，計算每個比較數(shù)列與參考數(shù)列之間的灰色關(guān)聯(lián)度，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)值大小對方案進行比較，數(shù)值越大，則方案越好。

將改進的多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法應(yīng)用到斷路器內(nèi)部局部放電聲電聯(lián)合傳感器設(shè)計方案比較，對表1中2種方案各項指標進行打分并規(guī)范化處理，得到指標數(shù)值矩陣，見表2，同時對指標進行C1—C5標注。建立指標間判斷矩陣，見表3。經(jīng)過一致性檢驗后，計算得到判斷矩陣指標權(quán)重?；陟貦?quán)法修正指標權(quán)重，計算獲得特高頻和射頻傳感器的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度分別為0.5和0.8，說明射頻傳感器方案優(yōu)于特高頻傳感器方案。

表3 指標判斷矩陣

2 局部放電模擬及測試

2.1 實驗室模擬測試

根據(jù)以上設(shè)計完成制作傳感器，為了驗證傳感器特性，制作沿面放電模型，如圖7所示。將放電源模型置于斷路器上部瓷套內(nèi)，如圖8所示，模擬現(xiàn)場局部放電缺陷。搭建如圖9所示的局部放電測試系統(tǒng)進行測量。

圖7 局部放電模型

圖8 斷路器局部放電模型置入點

圖9 斷路器局部放電測試電路

利用設(shè)計的聲電復(fù)合傳感器測試斷路器局部放電信號，得到1個工頻周期內(nèi)的測試波形，如圖10所示。檢測結(jié)果表明射頻傳感器和超聲傳感器均可以檢測到同一組局部放電信號，圖10(a)中可以看到5個局部放電信號，圖10(b)相同位置也可以觀察到局部放電信號，驗證了傳感器設(shè)計和制作的可靠性。

圖10 1個工頻周期內(nèi)局部放電測試結(jié)果

2.2 現(xiàn)場測試

通過實驗室模擬測試后，在變電站進行現(xiàn)場測試。圖11展示的是所開發(fā)的傳感器安裝到現(xiàn)場斷路器上的情景，整個傳感器通過絕緣桿支撐貼附到斷路器瓷套外表面進行加壓檢測。測試結(jié)果如圖12所示，通過對比射頻傳感器和超聲傳感器測量結(jié)果可知，2種傳感器測量一致性好，后經(jīng)結(jié)合圖譜的綜合研判，確定該放電為外界干擾，而非來自斷路器內(nèi)部的局部放電。本次測試在確認現(xiàn)場斷路器良好狀態(tài)的同時，驗證了所設(shè)計傳感器的現(xiàn)場適應(yīng)性。

圖11 變電站內(nèi)斷路器局部放電測試

圖12 斷路器局部放電測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出了針對敞開式斷路器進行局部放電檢測以發(fā)現(xiàn)早期故障的方法，可以減少斷路器爆炸事故發(fā)生，彌補了當(dāng)前針對敞開式斷路器檢測手段缺失的不足，為敞開式斷路器早期故障的發(fā)現(xiàn)提供了解決思路。具體內(nèi)容如下：

a)提出了新的聲電聯(lián)合檢測方案，將特高頻傳感改為射頻傳感，降低成本；采用正交結(jié)構(gòu)設(shè)計射頻傳感器，更適應(yīng)斷路器瓷套結(jié)構(gòu)的同時，增強局部放電信號的方向識別能力。通過有限元仿真計算校核了復(fù)合型聲電聯(lián)合傳感器的絕緣設(shè)計。并利用改進的多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法證明了所提傳感器設(shè)計方案的優(yōu)越性。

b)為驗證傳感器特性，制作了沿面放電缺陷模型，置于斷路器瓷套內(nèi)部模擬早期故障，利用改進的聲電復(fù)合傳感器進行檢測，結(jié)果表明聲電聯(lián)合檢測結(jié)果吻合度高，一致性好，證明了傳感器的有效性。在實驗室測試基礎(chǔ)上進行了變電站內(nèi)斷路器局部放電的檢測，結(jié)果同樣證明了本文所開發(fā)的聲電聯(lián)合復(fù)合式傳感器可以實現(xiàn)敞開式斷路器局部放電檢測。