开关柜局部放电传感器监测方案及仿真研究

谢荣斌，马春雷，朱 俊，薛 静，张 霖

(贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州 贵阳 550000)

高压开关柜是一种集测量、控制、保护功能于一体的电力设备，在电力系统中的发电厂、变电站中大量安装，对电网的安全运行发挥着至关重要的作用。由于生产工艺存在局限性，经过长期运行后开关柜内会形成各种形式的局部放电(简称“局放”)，并可能引起一系列绝缘故障发生。根据不完全统计，开关柜绝缘故障引起事故的台次占开关柜总事故台次的68%和事故总容量的74%，是引起开关柜事故的主要原因。因此，及时监测到开关柜内的局部放电并进行诊断，进而发现潜在绝缘故障，就可以有效减少事故发生，提高设备及电网的稳定性[1]。

文献[2]基于Vivado设计开发了一套配电开关柜绝缘在线监测及防凝露调控系统，实现对开关柜的防凝露调控。文献[3]针对高压开关柜局放问题,采用监控装置对开关柜现场进行监测，并通过工业电荷耦合器件(CCD)摄像机进行实时变换立体空间,从而360°无死角地实现开关柜监测的视频、图像采集，并引用结合Sobel算子的四帧差分法，对所采集到的视频、图像进行计算、分析。文献[4]提出了采用超声波技术的开关柜局部放电超声波定位方法，该方法可忽略波形模态的影响,无需直接进行时延估计。文献[5]针对运行中的开关柜寻找到一条在带电情况下可利用局放信号提取回路,设计了专用开口式高频宽带电流传感器,实现开关柜组局放在线监测功能。文献[6]详细介绍了高压开关柜局放方面的监测技术，在科学的检测技术下，使得相关电力人员可以在最短的时间内掌握局部放电现象的原因和部位，最快恢复高压开关柜的正常运转。

暂态地电波(Transient Earth Voltage，简称TEV)局放监测方法的主要应用方式是定期的带电巡检，不仅会消耗大量的人力物力，还会因为监测人员水平和经验的不足而导致漏判误判。由于对开关柜内部局放位置与严重程度尚未进行深入研究，分布式传感器节点部署位置并未有实际方案。

基于开关柜绝缘故障的原理，提出一种改进的TEV局部放电检测方法，传感器采用非侵入式监测手段实现在线监测，可以发现一些潜在的绝缘故障。对开关柜内部局放位置进行研究，结合传感器数据采集特点进行开关柜的局部放电监测，优化监测效果。仿真及试验结果验证了本文方法的有效性和可行性。

1 开关柜内局放电磁波传播机理

利用麦克斯韦方程分析开关柜内局放电磁波的传播机理，可以得到均匀介质中电磁场的波动方程：

(1)

引入标量势φ和矢量电势A，分析得到方程的解：

(2)

由式(2)可知，局放所产生的高频电磁波是沿着r方向进行的，传播速度为v，这说明电磁波产生之后向周围空间均匀辐射和扩散。

2 仿真分析

2.1 开关柜仿真模型的建立

受制于计算力与仿真时间的限制，在开关柜建模过程中仅保留一些主要设备[7-10]。

针对该类型开关柜进行仿真建模，柜体大小为800 mm×1 500 mm×2 300 mm，如图1所示。

图1 开关柜仿真模型(单位：mm)

各个组件材料的电磁参量如表1所示。

表1 各个组件材料电磁参量

2.2 仿真分析

通过仿真模型探究开关柜内电场强度的分布规律，以及局放脉宽、局放幅值与检测距离对传感器测量信号的影响。

(1)对开关柜内部的YZ平面内部的场强变化进行监测，如图2所示。由图2中场强的变化可知，在刚开始时，缝隙处的场强逐渐增大，在经过一段时间后，电磁波穿过开关柜缝隙向外部传播，在时间为7.1 ns时，缝隙处场强比柜体中央表面大25 dB左右。由此可知，电磁波在经过缝隙时，一部分向空气传播，另一部分沿着开关柜表面传播，形成暂态地电压，并且在边界处场强最大。

图2 开关柜内YZ平面的场强变化过程

(2)探究局放源脉宽对TEV信号幅值的影响。不同放电源下脉冲宽度与TEV信号幅值的关系：检测点的TEV幅值随着电源脉冲宽度的增加而呈指数衰减，TEV的脉冲宽度也随着电源的脉宽增加而增大。

(3)局放源幅值对TEV信号的影响。在开关柜外表面上设置分布式传感器的探测单元检测暂态地电波信号。结果表明，局放源的幅值越高，传感器监测到的局放信号幅值越强。

(4)检测距离对TEV信号幅值的影响。对测量到的电压幅值进行归一化处理，结果表明，随着监测距离由100 mm增加到600 mm时，传感器采集的局放信号脉冲宽度稳定之后不变；而局放信号的幅值随着监测距离的增大由47.72 μV逐渐减少到2.11 μV，显然局放信号的幅值随着局放源与分布式传感器之间的监测距离增大而呈现逐渐衰减趋势。

3 TEV分布式传感器位置部署

开关柜内部局放产生的电磁波以球面波的形式向外传递[11-13]。在根据开关柜内易发生局放的位置设置监测点，比较在相同局放源下各监测点测量得到的局放幅值与方差大小，确定TEV分布式传感器的部署位置。

(1)根据开关柜内易发生局部放电的位置，设置局放源与传感器的部署点。

(2)对仿真的数据进行归一化处理。计算各检测点电压幅值，如表2所示。

表2 各检测点电压幅值

由表2各个检测点的电压幅值可知，根据归一化结果，由于放电位置的不同，开关柜外表面各个点的检测情况不一样，这与开关柜内部的结构有关，也与电磁波的折反射有关。实际开关柜在运行过程中，电缆放电发生的情况最多，因此综合考虑之后，选择前柜门左侧中央l点作为最佳的传感器安装位置。

4 试验验证

针对仿真试验得到的部署方案，进行试验验证。

依次在开关柜后柜门左上角、前柜门底边G点、前柜门左侧中央一级前柜门顶边部署分布式传感器。设置不同放电缺陷模型于开关柜中指定位置，证明前柜门中央处可以作为分布式传感器部署点。

(1)电缆尖板放电的验证。将局放传感器放置在与仿真模型相对应的检测点E，G，I和K的位置上，B相电缆终端放置尖板放电模型，计算不同检测位置的波形幅值平均值及其归一化幅值。尖板放电实测与仿真曲线如图3所示。

图3 尖板放电实测与仿真曲线图

(2)电流互感器内部气隙放电(Q2)的试验验证。计算不同检测位置的波形幅值平均值及其归一化幅值。气隙放电实测与仿真曲线如图4所示。

图4 气隙放电实测与仿真曲线图

(3)断路器支撑绝缘子沿面放电(Q3)的试验验证。将局放传感器放置在与仿真模型相对应的检测点E，G，I和K的位置上，B相断路器支撑绝缘子下方表面附近放置沿面模型，同样也记录不同监测位置的波形幅值平均值及其归一化幅值。沿面放电实测与仿真曲线如图5所示。

图5 沿面放电实测与仿真曲线图

(4)断路器悬浮放电试验验证。悬浮放电实测与仿真曲线如图6所示。

图6 悬浮放电实测与仿真曲线图

由图3至图6可知，I点是该开关柜局放信号的TEV传感器的最佳安装地点(前柜门左侧中央)，这与仿真验证结果一致。

5 结语

开关柜制造成本较低，如果内部发生局部放电后，厂家往往选择直接换用新的开关柜，对开关柜的保护措施较为薄弱。目前局部放电传感器的部署主要排布于开关柜表面，但是对开关柜表面测量局部放电的最佳位置并未进行研究。本文建立仿真模型，通过仿真计算与试验验证，确定开关柜局部放电传感器的部署位置，在尽量保证成本的基础上，实现对开关柜局部放电的监测，具有很高的应用价值。