Исследование технологии обнаружения и метода анализа частичных разрядов в выключателе на шестифтористой сере с напольным баком

Напольный резервуарный выключатель является важным устройством управления и защиты в подстанциях и энергетических системах. Он主要用于控制和保护变电站和电力系统中的关键设备。它主要用于线路中正常负荷电流的切断、闭合和承载，并在系统故障期间切断短路电流。地装罐式断路器由灭弧元件、绝缘套管、套管式电流互感器、灭弧室、操作机构和接地外壳等部件组成，其灭弧室安装在接地金属外壳内。 六氟化硫 (SF₆) 既作为罐式断路路器的绝缘介质，又作为灭弧介质。在均匀电场中，其绝缘强度约为空气的三倍，而其灭弧能力约为空气的100倍。因此，六氟化硫断路器具有结构紧凑、占地面积小的特点。此外，地装罐式断路器还具有设备重心低、结构稳定、抗震性能好、内置电流互感器、抗污能力强以及维护方便等优点。 然而，在罐式断路器的制造、装配、运输和运行过程中，由于加工不良、碰撞、冲击和切换操作等因素，可能会出现绝缘缺陷。典型的绝缘缺陷包括导体或外壳上的突出金属物体、浮动电极和自由金属颗粒。当绝缘缺陷处的电场强度达到测试电压或额定电压下的击穿场强时，就会发生局部放电（PD）。局部放电是断路器绝缘劣化的主要原因，也是绝缘故障的前兆。因此，在故障发生之前通过在线监测局部放电信号来检测绝缘缺陷，是确保地装罐式断路器和电力系统安全稳定运行的重要手段。 根据放电过程中产生的物理信号，断路器的主要局部放电检测方法有脉冲电流法、超声波法 (AE)、瞬态地电位法 (TEV) 和超高频法 (UHF) [2-3]。本文结合实验和现场经验，回顾了六氟化硫地装罐式断路器的各种局部放电检测和分析技术，并总结了每种方法的特点。 脉冲电流法 当发生局部放电时，电荷的移动会产生脉冲电流，可以通过连接在测试电路中的耦合装置或电流传感器检测到。脉冲电流法是 IEC 60270 及相关标准中规定的唯一用于定量测量局部放电的方法。其他方法主要用于局部放电的检测或定位。脉冲电流法具有高灵敏度，但极易受到现场电磁干扰的影响。因此，有必要从检测到的信号中提取微弱的放电信号。表示局部放电量大小的物理量是视在电荷 q，可由以下公式获得。 q = i(t) * Um(t) / Rm 在公式中，i(t) 表示局部放电的脉冲电流，Um(t) 是脉冲电压，Rm 是检测阻抗值，q 是视在电荷，单位为皮库仑 (pC)。 基于电流传感器的脉冲电流法适用于在线局部放电检测。高频电流传感器通常工作在 16 kHz 至 30 MHz 的频率范围内，设计成夹钳式结构，便于安装在地装罐式断路器的接地端。 超声波法 局部放电会导致强烈的分子碰撞，产生超声波并在断路器内部传播。安装在断路器外壳上的超声波传感器可以检测到局部放电信号。超声波传感器内部的压电元件将局部放电产生的超声波信号转换为电压信号，然后传输到检测电路。超声波方法的检测电路主要由解耦器（用于分离电源信号和超声波信号）、信号放大器和滤波器组成。 图 2 显示了地装罐式断路器内部局部放电产生的超声波的时间域和频率域信号，其频率范围主要分布在 50 至 250 kHz 之间。超声波法具有成本低、安装简便、抗电磁干扰能力强及适合局部放电定位等优点。但由于断路器内部绝缘结构复杂，超声波在六氟化硫气体中传播缓慢且衰减严重，需要确定最佳检测位置。 超高频 (UHF) 法 局部放电产生的电流脉冲的上升时间和持续时间在纳秒级，激发了相当于 300 MHz 至 3 GHz 超高频范围内的电磁波。目前市场上大多数 UHF 传感器的检测频率范围为 300 MHz 至 1.5 GHz。由于信号弱且频率高，UHF 方法需要通过滤波电路、放大电路和积分电路对输入信号进行调理，然后再传输到数据采集卡进行后续分析。 同时，在使用 UHF 方法时，需要从软硬件两方面消除通信信号和照明电源信号等噪声。UHF 方法具有高灵敏度、强抗干扰能力和适合局部放电定位等特点。图 3 显示了浮电位局部放电 UHF 信号的相位分辨局部放电 (PRPD) 图案，其中包含放电幅度、相位和发生次数的信息。 瞬态地电位 (TEV) 法 当局部放电产生的电磁波传播到地装罐式断路器的金属外壳时，会在外壳表面产生感应电流，从而在接地体的波阻抗上产生瞬态地电位。TEV 传感器的工作原理可以等效于电容分压器。它通过检测传感器电极与绝缘层之间的等效电容上的电压来判断局部放电的发生。图 4 显示了六氟化硫断路器内部局部放电的瞬态地电位信号，其主要频率范围为 1 至 100 MHz。TEV 方法具有使用方便、无需额外检测电路的特点。 局部放电分析方法 局部放电分析方法用于评估放电的风险等级、去噪信号并提取放电特征以进行故障类型分类。这些方法主要包括脉冲波形法、相位分辨局部放电 (PRPD) 图案法、三相幅值关系图案法、时频图案法和基于时间的统计特征法。 脉冲波形法基于上升时间、下降时间、脉冲宽度、峰度和偏度等参数分析单个放电波形。PRPD 图案法在交流工频电压下积累局部放电信号，以获得放电的相位、幅值和发生次数分布特征。因此也称为 φ-q-n 图案法。三相幅值关系图案法用于分析三相交流电压下的局部放电。 它通过收集不同相电压下统一放电信号的放电幅值来获取放电分布特征。时频图案法收集放电脉冲，计算其等效时间和等效频率，并在等效时间-等效频率域中绘制放电分布图案。基于时间的统计特征法适用于高压直流下的局部放电分析。它根据放电量的大小和放电脉冲之间的时间差统计分析放电分布特征。 对于六氟化硫地装罐式断路器内部局部放电的定位，可以采用绝对时间差法或相对时间差法。绝对时间差法使用放电电流脉冲信号或超高频 (UHF) 信号作为放电起始时间。通过计算超声波信号与放电起始信号之间的时间差来定位放电源。相对时间差法仅使用安装在断路器罐体不同位置的多个超声波传感器。通过计算每个超声波信号与参考超声波信号之间的时间差来确定绝缘缺陷的位置。 结论 在线监测局部放电可以有效评估六氟化硫地装罐式断路器在故障发生前的绝缘性能，是确保其安全稳定运行的重要手段之一。本文结合实验和现场经验，回顾了地装罐式断路器的局部放电检测和分析方法。 在现场应用中，应使用多种检测手段和分析方法，以提高在线监测的准确性和可靠性。同时，根据泛在电力物联网建设的要求，实施无线无源传感、低功耗无线通信网络、边缘计算和大数据等关键技术，将是地装罐式断路器局部放电检测的未来发展趋势。