TEV及超声波检测方法在开关柜状态检修中的应用
1、前言
高压开关柜广泛用于电力系统中，其柜内电气设备在长期运行或异常条件下可能会存在绝缘性能下降，异响、放电、闪络等情况，严重时会导致开关柜爆炸，造成用户停电，影响配网供电可靠性。通过大量的数据统计和研究发现：大多数情况下局部放电既是绝缘缺陷的征兆，也是导致绝缘事故的最终原因。开展开关柜wWw.LWlm.com带电局部放电测试是目前监测开关柜运行状况、预防事故发生的有效方法。 2、检测原理 局部放电是不完全地跨接电极的放电，主要包括有内部放电、尖端放电、表面放电三种放电类型。通常局部放电程度是很小的，然而这个不断积累的过程最终也会导致绝缘层的损坏，甚至造成停电事故。局部放电通常都以下面的形式释放能量： 电磁形式：无线电波、光、热 声波形式：声音、超声波 气体形式：臭氧、一氧化二氮 因此可以通过检测局部放电伴随的现象和释放的能量，来检测有无局部放电。目前非嵌入式测试的最实用的技术是基于电磁波（TEV法）和超声波的检测。 2.1 TEV法 根据麦克斯韦电磁场理论，局部放电现象的发生将产生出变化的电场。变化的电场激起磁场，而变化的磁场又会感应出电场，这样，交变的电场与磁场相互激发并向外传播形成电磁波。为了减小设备尺寸，使得结构更加紧凑，开关柜制造厂家在制造中采用了大量的绝缘材料，如环氧浇注的电流互感器、电压互感器、静触头盒、穿柜套管、相间隔板等，如果这些绝缘材料内部存在局部放电，放电电量先聚集在与放电点相邻的接地金属部分，形成电流脉冲并向各个方向传播。通过放电产生的电磁波大部分被开关设备的金属外壳所屏蔽，小部分通过金属箱体的接逢处或气体绝缘开关的衬垫传播出去，同时产生一个暂态电压，然后通过设备的金属箱体外表面而传到地下去。这些电压脉冲是于1980年由约翰·里弗博士首先发现,并把它命名为暂态对地电压(Transient Earth Voltage)。电气设备内部放电过程中，由局部放电脉冲产生电磁波，通过开关柜的缝隙传播出去，同时在设备的金属封闭壳体上产生TEV信号，我们可以通过特制的电容耦合探测器捕捉这个TEV信号。 局部放电产生的TEV幅值大小可由放在开关接地金属壳上的电容探头测量。同样的原理，如果把两个探头放在金属制品上，根据时间差原理比较TEV脉冲信号到达探头的时间先后顺序，就可能找出存在放电的具体设备部件。 2.2 超声波法 电力设备局部放电过程中，带电质点由于电场的作用而获得加速，同时由于电弧产生的高温，空气分子剧烈的热运动，都会使空气分子发生碰撞，从宏观上看，局部放电对与放电通道相邻的空气产生了压力，使之向外运动，而由于空气的弹性作用，产生了阻力，使这部分空气达到最大位移后又开始向平衡位置运动，这样就在平衡位置附近产生振动，这种振动通过相邻的空气媒质会一直传播下去。这种媒质质点的机械振动由近及远的传播就是声振动的传播，称为声波。由于每次放电的时间很短，因此它产生的声波的频谱很宽，可以从几十Hz到几MHz，其中频率低于20kHz的信号能够被人耳听到，而高于这一频率的超声波信号必须用超声波传感器才能接收到。 从局部放电的机理可知，局部放电的初期是微弱的辉光放电，放电释放的能量很小，放电的后期出现强烈的电弧放电，此时释放的能量很大，可见局部放电的发展过程中放电所释放的能量是从小到大变化的，所以声能也是从小到大变化的。因此根据超声波信号的特征，判断局部放电的强度以及对安全的威胁，就可以在仅出现微弱的放电时，发现它并采取措施，将事故的苗头消灭，避免更大的损失。 由于超声波，人耳是不可闻的，所以需要借助超声波传感器（换能器）来检测。超声波传感器的作用是接收在空气传播的声信号，将声信号转换为电信号，它实现了一种形式的能量转换为另一种形式的能量，所以又称为换能器。超声波传感器一般可以分为以下几类：压电式传感器、磁致伸缩式传感器、电磁换能器、静电换能器。 目前由于压电陶瓷作为敏感元件的压电式声传感器具有体积小、性能好、成本低等优点，压电式声传感器的应用最为广泛。 3、检测仪器 3.1 便携式局部放电声电波检测仪 便携式局部放电声电波检测仪采用电磁波（TEV）及超声波两种检测方法，检测开关柜的局部放电现象，显示局部放电的幅值、脉冲数和严重程度，可通过耳机中听到放电声音，方便现场快速检测开关柜局部放电状况。 主要功能优点如下：(1)可以使用TEV法检测开关设备的内部放电活动，TEV检测下有两种模式，单个检 测和连续检测，每种模式下都有三种检测界面：幅值检测界面下可以显示幅值，并用绿、黄、红三色来指示放电的严重程度；脉冲检测界面下可以显示幅值、脉冲数（两秒钟内）以及剧烈程度;PDL检测界面下可以手动调整幅值，可以更准确了知道检测信号的触发值。(2)可以使用超声波法检测开关设备的表面放电活动，显示出所测得的幅值wWw.LWlm.com，并有绿、红两种颜色来指示放电的严重程度，增益有60、80、100三档可调，主机可以连接耳机，可从耳机中听到放电声音；(3)现场可快速检测开关柜局部放电状况，使用方便，体积小，重量轻，便于携带。 3.2 局部放电定位仪 局部放电定位仪采用TEV法检测开关柜的局部放电，具有单通道和双通道模式，对检测到的每一次局放活动以指示灯、声音提示，并可测出显示局部放电产生的TEV幅值大小（dB），同时通过双通道模式的时间差功能可找出瞬时脉冲路径的方向，最小的时间分辨达到2ns，进而确定具体的局部放电点的所在位置。 4、应用分析 首先，通过便携式局部放电声电波检测仪的超声波检测模式对高压室内所有开关柜进行超声波信号普测，均未发现有放电现象。 由于高压开关室外的电磁波信号同样能够在开关柜的表面产生暂态对地电压，因此在使用TEV检测时，首先需要检测环境的背景值，即在金属门、金属栅等金属制品上检测。因此在现场的检测过程中，我们首先测试空气中、门和窗上的TEV信号，再测试开关柜上的TEV信号，对应于柜前中部和下部，柜后上部、后中部、后下部，共测试6个部位。 现场检测过程中，首先测得五里亭变电站的环境背景比较大，现场可能存在有局部放电信号或干扰信号，具体如下所示。 表1 然后，现场通过使用TEV模式对高压室内所有高压开关柜进行TEV信号普测，得到相应的TEV幅值大小，普遍明显大于背景值，因此可以判断信号应该来源于开关柜，而不是外界的干扰信号。将每个开关柜的最大测试值按开关柜的顺序排列，可以得到相应的数据分布图。 5、结语 通过运用TEV和超声波检测技术对运行中的开关柜局部放电进行非嵌入式检测，有效了克服传统检测方法的不足及单一检测方法的局限性，声电联合技术可以检测不同类型的局部放电，现场检测过程无需改变开关柜的运行状态，不需要提供高压试验源，相关的检测数据可以有效判定开关柜的运行状况，从而为开关柜的状态检修提供技术依据，在某种程度上可以取代传统的预防性试验，对开关柜的状态检修具有重要的实际意义，可以有效提高电网的供电可靠性。 参考文献 [2]王培义,朱伯涛.开关柜局部放电超声波在线检测技术的应用[J].河北电力技术,第29卷第6期:26.