第5章高频局部放电检测技术

《电网设备状态检修技术（带电检测分册）》第五章高频局部放电检测技术目录第1节高频局部放电检测技术概述 图5-3所示，装置实物图如图5-4所示。图5-3高频局部放电检测装置结构图图5-4高频局部放电检测装置实物图传感器高频局部放电检测HFCT传感器按安装位置不同主要分为接地线HFCT和电缆本体HFCT。安装在电力设备接地线或电缆交叉互联系统上的HFCT传感器，内径一般为几十毫米；安装在单芯电力电缆本体上的HFCT传感器，内径一般在100毫米以上，传感器灵敏度相对接地线HFCT较低。接地线HFCT传感器又可根据检测需要分为分体式和整体式。分体式HFCT线圈可开合，方便测试时安装和拆卸，可以使用一个传感器对设备多个位置进行测量。整体式HFCT传感器需要在设备接地线安装时同时进行安装，适合长期监测用。现有的HFCT传感器下限截止频率大多在1MHz以下，上限截止频率为几十MHz。一般要求传感器的-6dB下限截止频率不高于1MHz，上限截止频率不低于20MHz，在输入10MHz正弦电流信号时传输阻抗不小于5mV/mA（频带以及传输阻抗定义见GB/T7354）。信号处理单元针对传感器的输出信号，需要进行滤波和放大。实际测量中会有各类噪声和干扰信号，因此需要配合硬件滤波器或后续数字滤波功能进行滤波。滤波过后信号幅值会有一定程度的衰减，须经过宽带放大器放大，从而达到提高局部放电信号信噪比的目的。对于具有电压同步功能的高频局部放电检测装置，可以通过外部触发信号为检测装置提供电压同步。同步信号可由分压电容、电源或工频电流互感器提供。某些设备还会对经过滤波放大的局部放电脉冲信号进行检波处理，从而降低对后续信号处理的要求。信号处理单元的性能主要由上、下限截止频率和放大倍数来衡量。一般要求仪器能够在叠加40kHz~500kHz固定频率正弦信号的情况下能够有效检测出100pC放电量。信号采集单元信号采集单元主要有数据采集卡构成，将实际采集到的模拟信号转化为可供进一步处理的数字信号。信号采集单元的主要性能参数为采样率、采样分辨率、带宽以及存储深度。常用的高频局部放电检测设备采样率在几MS/s到100MS/s。采样率越高越能够还原局部放电信号的高频分量。数据处理终端数据处理终端往往采用笔记本电脑，安装有专门的数据处理与分析诊断软件，主要用于显示测量结果。常规高频局部放电检测装置所提供的检测结果包括：单脉冲时域波形显示、单周期（20ms）时域波形显示、多周期局部放电谱图、PRPD谱图、局部放电脉冲频谱分析等。有些仪器还具有数字滤波功能、局部放电类型模式识别功能、局部放电定位功能、多通道同步测量以及多种测量检测方法联合测量等功能。一般要求仪器的整机灵敏度不小于100pC，并且能够有效检测且识别出电晕放电。第3节高频局部放电检测及诊断方法3.1检测方法高频局部放电检测具有非嵌入式检测，不同电力设备结构区别较大，从而对应的高频检测方法略有不同，但检测原理及局部放电检测装置基本一致。下文对电力电缆及其它电力设备分别介绍高频局放检测的具体操作方法。3.1.1电力电缆电力电缆局部放电带电测试前，需对检测系统进行性能校验，其方法可参考IEC60270局部放电测量方法中7.3部分进行校验，确保检测系统可以正常工作。在线带电测量时，针对局部放电检测系统的灵敏度校验，CIGREB1.28工作组提出可在一端HFCT处直接注入校准脉冲，在各接头或另一端进行测量。但该方法受传感器性能、电缆长度及电缆种类等因素影响，倍受质疑。因此利用高频电流互感器进行带电检测时其系统灵敏度校验方法一直没有达成统一共识[16]。电力电缆局部放电带电测试时，HFCT测量位置示意及实物安装图如图5-5、图5-6所示。通常HFCT卡装在电缆本体、中间接头接地线以及终端接地线上。对于直埋电缆，可以在电缆中间接头检修工井电缆外护套交叉互联接地线或直接接地线上卡装HFCT方法进行检测，如果条件允许可以开挖电缆接头及本体，在电缆接头和本体上卡装HFCT进行辅助检测；对于隧道内电缆，应综合采用以上两种方法进行检测；对于电缆终端头，在保证安全、具有充分手段和条件情况下，可在电缆终端头接地线上卡装HFCT进行局部放电检测。测试过程主要包括如下基本步骤：（1）安装高频局放传感器，连接检测装置的电源线、信号线、同步线、数据传输线等一系列接线，并开始检测；（1）观察数据处理终端（笔记本电脑）的检测信号时域波形与对应的PRPD谱图，排除干扰并判断有无异常局放信号；（2）确定存在异常局放信号后，可利用去噪、模式识别以及放电聚类等方法进一步识别（详细介绍见诊断方法）；（3）对放电源进行定位，结合放电特征及放电缺陷诊断结果给出检测诊断结论，并提出检修建议。图5-5电缆本体及接头HFCT安装示意图图5-6中间头三相交叉接地箱内HFCT安装图现场电缆局部放电带电测试时应注意以下事项：根据现场测试环境应准备相应的防护和工作器具，如在电缆隧道内工作应确认隧道内是否存在有毒易燃气体并采取相应手段予以排除。对于在电缆互层交叉互联接地线和直接接地线上进行的测试工作应使用合适的工具打开接地箱，在开启过程中严禁接触裸母排等导体，传感器的卡装等操作应佩戴10kV电压等级绝缘手套。对于电缆终端下方的测试应保证所有操作处于电气安全距离范围内。3.1.2其他电力设备对于其他电力设备，如旋转电机、开关设备以及变压器等，利用高频电流互感器进行局部放电检测方法与电缆类似，都是在连接设备电缆本体或接地线上进行测量，图5-7是几种利用HFCT进行带电或在线监测时的检测示意图。对于这些设备，在进行局部放电测试前，同样需要对局部放电检测系统进行校验，以确保检测设备的正常运行。由于开关柜、旋转电机等正常运行时电压均较高，在进行传感器安装、设备调试过程中务必佩戴相应等级的绝缘手套以及在一定的电气安全距离内操作，确保人生安全。图5-7带接地引下线设备高频局部放电检测原理图3.2诊断方法对于不同电力设备，高频局部放电检测的诊断方法基本一致，主要包括两大部分：噪声抑制及放电信号区分、局部放电源的准确定位。噪声抑制、干扰排除及局放缺陷诊断对不同电力设备进行高频局部放电检测时，高频传感器耦合出来的信号并非单纯的放电信号，而是混合着电磁干扰噪声，如何将干扰噪声去除是局部放电带电检测过程中较为困难和关键的问题之一。按照时域波形特征，外部背景噪声主要包括周期型干扰信号、脉冲型干扰信号和白噪声干扰信号。针对不同干扰信号的特征和性质，需采用不同的抑制措施。在已有的各种系统中，干扰信号抑制主要包括硬件和软件两个方面的措施。虽然硬件抑制方法有一定的效果，但是现场干扰会随着环境、设备负载以及运行方式的改变而改变，硬件抑制方法难以达到理想的效果。随着数字信号处理技术的发展，高频局部放电检测中的干扰抑制措施主要依靠软件实现。目前常用的数字化抗干扰方法主要有：脉冲平均法、数字滤波法、信号相关法、神经网络法以及小波分析法。小波变换是基于非平稳信号的分析手段，在时域、频域同时具有良好的局部化性质，非常适合于不规则、瞬变信号的处理，越来越多的用于高频局部放电检测的干扰抑制措施中。对于放电信号的区分，一方面可利用前述的抗干扰技术，将外界干扰噪声抑制到较小水平，另一方面也可通过与不同缺陷放电特征数据库进行对比，即进行放电信号的模式识别。模式识别的主要步骤包括放电信号的测量、放电信号特征提取与分类和特征指纹库比对三个步骤，从而判断所测信号是否为真实的放电信号以及是何种放电。一种模式识别方法是利用相位统计谱图的形状特点，通过计算统计谱图的偏斜度、陡峭度以及相互关联因素等特征参数，从而对缺陷类型进行确认和识别。另外一种是聚类分析法，该方法主要将放电信号按其各自的等效频率、等效时长或其它与波形相关的特征参量进行分类，形成时频域映射谱图。时频谱图的特点是多个放电源、不同放电类型的局部放电脉冲会被映射到不同聚点，这样便于在局部放电相位谱图上将真实放电和噪声干扰区分开来如图5-8所示。还有一种聚类原理是利用三相同步局部放电检测技术，对耦合到的信号进行幅度、相位或频率的计算，从而进行分类，如图5-9所示。图5-8局部放电时频映射谱图[16]图5-9三相局部放电同步检测聚类谱图[28]（二）放电源的定位对于电力电缆运行情况下局部放电源的定位，较为简单的方法是利用高频局部放电检测传感器在电缆终端、各个接头处分别进行局部放电信号的检测，通过对比分析不同传感器位置放电信号的时域和频域特征，来进行放电源的大致定位。该方法主要利用的是放电脉冲信号在电缆中传输衰减原理，随着放电信号的传播，放电信号幅值减小，上升时间下降、脉冲宽度变宽，信号高频分量严重衰减等，因而可利用这些特点大致判断出放电源的位置。但值得注意的是该方法较为粗略，精度较低，仅能大致判断出在哪个接头附近或哪两接头间存在缺陷。另一种方法是利用分布式局部放电同步检测技术。该方法与上述方法类似，但不同的是在连续几个接头处进行同步测量，根据不同测量处耦合到同一脉冲信号的幅值大小、极性以及到达时间的不同而准确定位放电源的位置。该方法已在电缆在线局部放电监测中逐渐展开应用，如图5-10所示。图5-10分布式同步局部放电检测技术还有一种方法是进行双端局部放电定位。该方法采用的仍为脉冲反射（TDR）原理。对于较长电缆，放电信号的严重衰减会导致反射脉冲不可分辨，因此有必要进行双端局部放电定位：在电缆两端分别安装高频检测传感器，在电缆远端同时安装便携式应答装置和大幅值脉冲发生器。当在远端检测到放电脉冲信号时（高于设定阈值），便携式应答装置被启动，触发大幅值脉冲发生器发出一个幅值较大的脉冲，从而可根据原脉冲与大脉冲信号之间的时间差对电缆缺陷进行准确定位。对于其他电力设备，如变压器、互感器等，利用高频局部放电检测传感器定位的应用较少，对应的局部放电源定位可采用超声波、特高频等方法实现。第四节典型高频局部放电案例分析4.1110kV电缆GIS终端内部气隙局部放电缺陷案例（一）案例经过2013年9月，对某110kV电缆线路进行巡视时发现其变电站内部分存在局部放电信号，精确定位结果显示局部放电缺陷位于该电缆线路B相GIS终端电缆仓内。随后，对B相电缆仓进行开仓检查并更换电缆终端，更换后异常信号消失。对更换下来的GIS终端进行X光检测和解体发现在环氧套管地电位金属内衬件端部存在3.9mm不规则气腔，验证了局部放电检测的有效性。（二）检测分析方法采用高频局部放电检测仪器对上述110kV电缆终端接地箱进行检测，检测图谱如图5-11所示。由检测图谱可知，在三相电缆接地箱处均能检测到明显的局部放电信号，其中，B相幅值最大，达到200mV左右；A、C相幅值较小均在80mV左右。且在同一同步信号下，A、C相放电信号与B相信号极性相反，表明局部放电信号穿过B相传感器的方向与穿过其他两相传感器的方向相反，即局部放电信号沿着B相电缆终端接地线传播，再经同一接地排传播至其他两相的接地线，因此确定局部放电源位于B相GIS电缆终端。同时，采用特高频传感器和高速示波器对上述局部放电源位置进行了确认。（a）A相检测图谱（b）B相检测图谱（c）C相检测图谱图5-11110kV电缆终端接地箱处高频局部放电检测图谱采用GE数字化放射摄影系统（CT）对该环氧套管进行X光扫描，扫描结果如图5-12所示，由图可见，在该GIS终端套管底部内衬件端部存在3.9mm不规则气隙，解体切割后的气隙如图5-13所示。图5-12环氧套管CT扫描重建横向与纵向断面图图5-13解体切割后的气隙（三）经验体会（1）该案例表明高频局部放电检测不仅能发现电缆中间接头的局部放电缺陷，通过在电缆终端接地箱处进行检测，还能有效发现电缆终端甚至GIS仓体内部的局部放电缺陷。（2）通过对三相高频检测图谱中时域脉冲的极性和幅值分析，可以很容易的辨别出缺陷的相别。（3）对缺陷设备进行的X光检测和解体分析验证了高频带电检测的有效性，对于该项技术的推广应用具有重要意义。参考文献刘晓鸥.用于局部放电在线监测的高频电流传感器研究[D].上海交通大学,2007.CooperJ.Onthehigh-frequencyresponseofaRogowskicoil[J].JournalofNuc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