第6章-暂态地电压检测技术

第六章暂态地电压局部放电检测技术第一节暂态地电压检测技术概述一、暂态地电压检测技术的发展历程暂态地电压检测技术（又称为TEV，TransientEarthVoltage）最早是由英国的Dr.JohnReeves于1974年首次提出，他发现电力设备内部局部放电脉冲激发的电磁波能在设备金属壳体上产生一个瞬时的对地电压，这些瞬时的电压脉冲可在设备外表面安装一个特制的电容传感器所检测到，从而判断设备内部绝缘状态。当时的英国国家配电行业研究中心（EATechnology公司的前身）基于此原理，陆续研制开发了PDL1、UltraTEV、UltraTEVPlus等一系列暂态地电压检测仪器，在英国的电网公司得到了广泛使用，并逐步被全世界其它电网公司采用。国内的电网公司于2005年前后陆续开始引入暂态地电压检测技术，一些科研院校和设备制造企业也开始相关研究与研制工作。目前，暂态地电压检测技术已经有30多年的现场应用经验，成为电力设备绝缘类缺陷简单有效、使用广泛的带电检测技术。二、暂态地电压检测技术适用性暂态地电压检测技术是一种检测电力设备内部绝缘缺陷的技术，广泛应用于开关柜、环网柜、电缆分支箱等配电设备的内部绝缘缺陷检测。但由于暂态地电压脉冲必须通过设备金属壳体间的间断处由内表面传至外表面方可被检测到，因此该检测技术不适用于金属外壳完全密封的电力设备（如：部分GIS、C-GIS等）。放电模型模拟试验研究结果表明，暂态暂态地电压检测技术对尖端放电、电晕放电和绝缘子内部放电比较敏感，检测效果较好，而对沿面放电、绝缘子表面放电不敏感（见表6.1），因此，在电力设备绝缘缺陷检测时，暂态暂态地电压检测技术常常与超声波检测技术一起使用。目前，暂态地电压检测主要以带电检测方式为主，采用手持式仪器对电力设备内部放电进行检测；部分仪器配置两个暂态地电压传感器，可通过时差法对局放源进行定位；对于需要连续监测电力设备内部放电的场合，也可采用固定安装方式，实施在线监测。表6.1各放电模型检测技术区别放电模型暂态地电压检测技术超声波局放检测技术沿面放电模型不敏感敏感、有效尖端放电模型敏感、有效敏感、有效绝缘子内部缺陷模型敏感、有效不敏感三、应用情况上世纪70年代，暂态地电压检测技术被首次提出，由于其简单、实用的特性，逐步被各国电网公司认可。目前已在英国、中东、新加坡、香港等40多个国家和地区广泛应用，积累了30多年的现场应用经验。2005年前后，暂态地电压检测技术开始传入国内。2006年起，通过与新加坡新能源电网公司进行同业对标，以北京、上海、天津为代表的一批国内电网公司率先引进暂态地电压检测技术，开展现场检测应用，并成功发现了多起开关柜内部局部放电案例，为该技术的推广应用积累了宝贵经验。暂态地电压检测技术在2008年北京奥运会、2010年上海世博会、2010年广州亚运会等大型活动的保电工作中发挥了重要作用。国家电网公司在引入、推广暂态地电压检测技术方面做了大量卓有成效的工作。2010年，在充分总结部分省市电力公司试点应用经验的基础上，结合状态检修工作的深入开展，国网电网公司颁布了《电力设备带电检测技术规范（试行）》和《电力设备带电检测仪器配置原则（试行）》，首次在国网电网公司范围内统一了暂态地电压检测的判据、周期和仪器配置标准，暂态地电压检测技术在国网电网公司范围全面推广；2014年，国网电网公司修订了《输变电设备状态检修试验规程》，正式将暂态地电压检测技术列为开关柜设备的常规带电检测试验项目之一；同年年底，为进一步规范仪器选型，指导现场检测应用，国网电网公司颁布了《暂态地电压局部放电检测仪技术规范》和《交流金属封闭开关设备暂态地电压局部放电带电测试技术现场应用导则》，初步建立起完整的暂态地电压检测技术标准体系。第二节暂态地电压检测技术基本原理一、基础知识1、暂态地电压的产生机理当配电设备发生局部放电现象时，带电粒子会快速地由带电体向接地的非带电体快速迁移，如配电设备的柜体，并在非带电体上产生高频电流行波，且以光速向各个方向快速传播。受集肤效应的影响，电流行波往往仅集中在金属柜体的内表面，而不会直接穿透金属柜体。但是，当电流行波遇到不连续的金属断开或绝缘连接处时，电流行波会由金属柜体的内表面转移到外表面，并以电磁波形式向自由空间传播，且在金属柜体外表面产生暂态地电压，而该电压可用专门设计的暂态地电压传感器进行检测。具体如图6.1所示。图6.1：暂态地电压信号的产生机理示意图由于配电设备柜体存在电阻，局部放电产生的电流行波在传播过程中必然存在功率损耗，金属柜体表面产生的暂态地电压也就不仅与局部放电量有关，还会受到放电位置、传播途径以及箱体内部结构和金属断口大小的影响。因此，暂态地电压信号的强弱虽与局部放电量呈正比，但比例关系却复杂、多变且难以预见，也就无法根据暂态地电压信号的测量结果定量推算出局部放电量的多少。暂态地电压传感器类似于传统的RF耦合电容器，其壳体兼做绝缘和保护双重功能。当金属柜体外表面出现快速变化的暂态地电压信号时，传感器内置的金属极板上就会感生出高频脉冲电流信号，此电流信号经电子电路处理后即可得到局部放电的强度。如果在配电设备柜体表面同时放置两只暂态地电压传感器，则局部放电源发出的电磁波脉冲经过不同的路径先后传播到两只暂态地电压传感器，仪器通过比较或者测量电磁脉冲到达两只传感器的时间先后或者大小，则可以判断出局部放电源的空间位置。2、暂态地电压检测的量度指标暂态地电压法局部放电检测技术属于间接法局部放电检测技术，其信号波动范围大，随机性强，而且检测结果与放电源的位置和传播途径存在复杂的关联关系，因此难以按照IEC60270标准的要求进行标定。为了实现对高压开关柜局部放电严重程度的带电检测，并考虑间接法检测的实际特点和检测设备设计的复杂性，其指标体系经常采用无线电电子学的测量单位，最经常使用的单位主要有dBmV、dBμV和dBm。2.1、dBmV对于高压开关柜来说，其局部放电所产生的暂态地电压信号的幅值一般在1mV~1V左右。暂态地电压测量系统一般以电压为基准，以dBmV为单位进行测量。按照标准定义，dBmV是以1mV为基准，测量电压mV（有效值或者峰-峰值）以mV为单位进行的测量。即有：mVVdBmVm1log20（6-1）根据定义，对于1mV的暂态地电压信号，其对应的dBmV值为0；而对于1V的暂态地电压信号，其对应的dBmV值则为60。显然，幅值变化范围为1000倍的暂态地电压信号被压缩到100以内。2.2、dBμV对于高压开关柜来说，其局部放电所产生的超声波信号幅值变化比暂态地电压还要大，范围约在0.5μV~100mV之间。超声波测量系统一般以电压为基准，以dBμV为单位进行测量。按照标准定义，dBμV是以1uV为基准，测量电压mV（有效值或者峰-峰值）以μV为单位进行的测量。即有：VVdBuVm1log20（6-2）根据定义，对于0.5μV的超声波信号，其对应的dBμV值为-6；而对于100mV的超声波信号，其对应的dBμV值则为100。显然，幅值变化范围为20000倍的超声波信号被压缩到100以内。2.3、dBmdBm是dBmW单位的缩写。无论是dBmV还是dBuV，都是一种电压测量体系，与负载阻抗没有关系，而dBm则是一种功率测量体系。根据标准定义，dBmW或dBm是以1mW为基准，信号功率mP以mW为单位进行的测量。即有：mWPdBmm1log10（6-3）对于大多数射频测量设备，输入阻抗和负载阻抗一般为50欧姆。根据定义，有：将式（6-1)代入（6-3），则有：99.46100050log101log20110001log102250dBmVmVVmVRohmVdBmmm（6-4）其中，mV单位是mV，mP单位是mW。对于75欧姆测量系统，则有：75.48100075log101log20110001log102275dBmVmVVmVRohmVdBmmm（6-5）2.4、dBmV、dBμV和dBmW之间的相互转换根据前面的定义，可知：6060dBmVdBuVdBuVdBmV（6-6）75.4899.467550dBmdBmdBmV（6-7）二、暂态地电压传感器的工作原理暂态地电压传感器的原理电路如图6-2所示。开关柜金属盘传感器绝缘层传感器主体引出线带电体图6-2：暂态地电压传感器原理示意图暂态地电压传感器是一个前面覆盖有PVC塑料的金属盘，并用同轴屏蔽电缆引出。PVC塑料一方面充当绝缘材料，另一方面对传感器起到保护和支撑作用。测量时，暂态地电压传感器抵触在开关柜金属柜体上面，裸露的金属柜体可看作平板电容器的一个极板，而暂态地电压传感器则可看作平板电容器的另一个极板，中间的填充物则为PVC塑料。对于由金属柜体、PVC材料和暂态地电压传感器构成的平板电容器来说，金属柜体表面出现的任何电荷变化均会在暂态地电压传感器的金属盘上感应出同样数量的电荷变化，并形成一定的高频感应电流。该高频电流经引出线输入到检测设备内部并经检测阻抗转换为与放电强度成正比的高频电压信号。经检测设备处理后，则可得到开关柜局部放电的放电强度、重复率等特征参数。耦合电容器的电压-电流关系为：dtduCitevPD（6-8）其中，PDi为暂态地电压传感器输出的电流信号；tevu为测量点处的暂态地电压信号；C为用电容量表征的暂态地电压传感器设计参数。式(6-8)表示的高频电流信号在检测设备内部被检测阻抗变换为电压信号。dtduRCutevm（6-9）值得注意的是，根据式（6-9），不同厂家设计的暂态地电压检测仪器可能在同一次检测中得到不同的检测结果，主要原因有：（1）暂态地电压检测设备的测量结果与暂态地电压传感器的设计参数密切相关，如果不采取补偿措施，不同的传感器设计参数可能会得到不同的检测结果；（2）暂态地电压检测设备的测量结果与暂态地电压信号的频谱特性密切相关。不同放电类型的放电，即便具有相同的放电强度，暂态地电压检测设备也可能会给出不同的检测结果；（3）暂态地电压法的测量结果与检测仪器内部的阻抗参数有关。三、暂态地电压检测设备的基本组成及原理暂态地电压检测仪器的组成框图见图6-3，主要分暂态地电压信号检测和信号定位两大功能。TEV传感器1信号调理1数模转换器1微处理器人机接口数据存储通讯接口电源管理TEV传感器2信号调理2数模转换器2触发逻辑2触发逻辑1时序鉴别逻辑增益控制1增益控制2图6-3：暂态地电压检测设备框图1、暂态地电压检测功能暂态地电压检测仪器由TEV传感器及其信号调理电路、模数转换电路、微处理器电路、人机接口、存储器、通讯接口和电源管理单元组成。信号调理电路负责将微弱的暂态地电压信号转换为合适的信号电平、波形和频率；模数转换电路负责将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号，并提供给微处理器系统，实现信号的处理、分析和存储；人机接口电路实现操作者与检测设备的信息交互；数据存储电路实现检测数据和设备信息的就地存储；通讯接口电路用于实现检测设备终端与数据管理系统的信息交换；电源管理单元负责电源的电压变换和储能部件的充电管理及监测。其中，最核心的是暂态地电压信号调理电路，其原理框图如图6-4所示。其中，模拟滤波电路用于对暂态地电压传感器馈入的模拟进行处理，限制其带宽，以最大限度地降低外部环境的电磁干扰和提高局部放电检测的灵敏度；对数放大电路用于对暂态地电压信号进行非线性放大；峰值检波电路用于对持续时间短至ps级的局部放电信号进行处理，提取对局部放电检测最为重要的幅值信号，而将其持续时间展宽至μs级，以降低后续采样与转换电路的设计指标要求。模拟滤波电路对数放大电路峰值检波电路图6-4：暂态地电压信号调理电路原理示意图暂态地电压信号调理电路具有下列基本特征：（1）信号调理电路的频谱特性需要兼顾灵敏度和抗干扰特性的要求。对于主导频率处于所设计频带范围之外的局部放电现象，检测设备