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【摘要】高压开关柜的安全可靠运行直接影响整个变电站的供电可靠性，对开关柜进行局放检测显得尤为重要。本文主要分析了检测高压开关柜局部放电的TEV方法与超声波方法的原理及检测方法。利用TEV与超声波相结合的方法进行了局部放电源的定位，经验证该方法精确度较高，对局放检测有一定的实用价值。
【关键词】高压开关柜；局部放电；TEV检测；超声波检测
1.引言
目前，对开关柜设备局部放电（PD）的检测方法主要有脉冲电流法（ERA）、射频法（RF）、超声法、超高频法（UHF）、暂态对地电压法（TEV）等。脉冲电流法可以测定出局部放电的一些基本量（如：视在放电量q、局部放电脉冲大小、数量与相位），该技术成熟、应用广泛，但缺点是抗干扰能力差。射频法和超高频法可以实现开关柜局部放电的带电检测，但是不能给出局部放电量。超声波法抗干扰能力强且可以很好的实现放电源的定位。暂态对地电压（TEV）法作为一种带电检测技术，具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，因此逐步在国内变电站推广使用[1]。本文分析了TEV及超声检测的原理，并自制TEV传感器，在实验室，搭建基于TEV与超声波检测的实验平台，通过示波器利用时间差法实现了局部放电源的精确定位。
2.TEV检测法的原理
2.1 暂态对地电压（TEV）
高压电气设备发生局部放电时，放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流在设备表面金属上传播。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面，屏蔽连续时在设备外部无法检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位不连续，局部放电的高频信号会由此传输到设备屏蔽外壳[2]。因此，局部放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并沿着设备金属箱体外表面继续传播，同时对地产生一定的暂态电压脉冲信号，该现象由Dr.John Reeves在1974年首先发现，并将其命名为暂态对地电压。
2.2 TEV技术基本原理
一般来说单芯10kV电缆的阻抗约为10Ω，35kV的金属外壳母线室的阻抗则约为70Ω，电缆或母线室发生局部放电产生持续10us的约100mA的弱电脉冲电流时，在金属外壳上会出现1～7V的对地电压。电压、电流脉冲沿开关柜金属外壳的内表面传播，遇开口、接头、盖板等处的缝隙传出设备，再沿着金属外壳的外表面传播至大地。目前TEV法检测设备大都采用电容性探测器来检测放电脉冲，其工作原理如图1所示。现有的局部放电检测方法常以脉冲电流法的视在放电量来表征局部放电活动的严重程度，但对TEV法来说，由于影响局部放电测量及放电量表征的因素较多，为了简单起见，在该方法中测试结果采用相对读数来表示。在局部放电过程中，局部放电信号在设备的金属封闭壳体上产生一个瞬时对地电压，可通过电容耦合传感器对其进行测量，得出局部放电的幅值和放电脉冲频率等参数。
3.超声波检测原理
发生局部放电时，在放电的区域中，分子产生剧烈的撞击，宏观上产生了声音，我们把频率大于20KHz的称为超声波。开关柜发生局部放电等缺陷时，其超声波发射频谱集中在20～100KHz。局部放电产生的超声波信号通过安装在柜体外壁的传感器接收，即超声波要从放电源传播到测量点才能被检测到，声波在传播中要衰减，频率越大，衰减越严重。超声波传感器的检测范围在很大程度上取决于其使用的波长和频率[3]。结合声波和周围环境中噪声的特点，我们选择的传感器为中心频率约为40KHz的接触式传感器，其具有较宽的检测带宽，使用超声耦合剂，增设60dB前置放大器，配合数字滤波器组成超声波检测电路具有较高的灵敏度，图2为放电源距离传感器30cm时超声波传感器接收到的针板放电局部放电的超声波信号图。
4.开关柜局部放电实验平台及局部放电信号检测
为了系统的研究开关柜中的局部放电，本文在开关柜试验平台上建立了一套基于TEV与超声波相结合的局部放电检测系统。
4.1 试验原理图
如图2所示，工频高压由YDTW15/150KV无晕工频高压试验变压器提供，高压的输出端串联一个10kΩ的保护电阻，以免试品击穿后电流过大损害变压器。C0为试验用的耦合电容器，Cx为装有针板放电模型的开关柜试品如图5，TEV传感器接示波器的CH1通道，超声传感器通过前置放大器之后在接示波器。其中TEV传感器为自己研制的传感器，其原理近似于耦合电容传感器，超声传感器为接触式超声传感器，传感器中心频率为40KHZ，检测频带比较宽，可以在宽频带范围内研究局部放电超声波信号，前置放大器其增益最大可调为60dB。经前置放大器处理的信号被传输到示波器。示波器采用YOKOGAWA的DL1540L型8位数字示波器。试验时，单次采样时间长度为一个工频周期，即20ms；采样率为5MS/s。示波器的4个通道分别采集超声信号与TEV信号。其中TEV信号作为触发用以控制信号采集起始时刻，还可以方便观察TEV信号与超声信号的时间差，便于局部放电源的定位。
4.2 局放TEV及超声波信号检测
在局部放电超声波检测和定位中，超声波信号的识别和声波在不同介质中的传播速度、衰减情况对提高检测的精度有非常重要的作用。我们在开关柜内设置针板放电模型如图3所示，模拟接近真实的放电环境进行实验，得出的结论更有实用性和参考价值。将TEV传感器吸附在开关柜体外壁上，超声波传感器用耦合硅胶贴在柜外壁，并用胶带固定保持一定的压力，接好检测电路，当所加电压达到5kV时，有局部放电产生，随着电压的升高，当所加电压达到约6kV时，放电较为明显并伴随有明显的“滋滋”声，移动传感器位置，并用四通道示波器观察输出脉冲信号。由于超声波在空气中衰减较小（50KHz的超声波常温衰减为0.98dB/m），空气中得到的检波脉冲信噪比较好。如图3所示，分别为TEV传感器（通道1）和超声传感器（通道2）接收到的信号，其中TEV传感器接收到的信号为触发信号。通道2显示的最左端较平滑的超声波脉冲与TEV传感器接收到的电信号之间有一定的时间差。移动超声波传感器位置，改变放电源和超声波传感器之间的距离，观察随着放电源和传感器之间距离的缩小，输出超声波脉冲会左移而靠近电脉冲信号，随距离的增大，超声脉冲右移而远离电脉冲。 由于声音反射以及通过不同介质传播，各种介质中的衰减强度和传播速度不一样，所以观察到的超声波脉冲没有电脉冲信号平滑。观察到的脉冲，还与传感器和放电源的位置角度有关，在一定的角度时，超声波发生全反射而接收不到。如图4所示，局部放电产生的超声波在空气中会沿不同方向传播，遇到柜体内壁会发生反射和吸收，传播过程中也会有不同程度的衰减。我们在不同位置设置超声传感器，分别观察示波器输出脉冲。路径1，即超声信号以在空气中最短的路径传播到铁柜内壁，再穿过铁皮到传感器。路径2为超声波从放电源通过空气直接到传感器位置，穿过铁皮进入传感器。由于超声波在空气和铁中的衰减情况和传播速度不一样，接收到的信号也有差异。常温下超声波在空气中的传播速度为340m/s，铁中大约为6000m/s，空气中衰减为0.98dB/m （50Hz），铁中21.5dB/（10MHz），衰减随频率的增加而增大。经试验获得的路径1与路径2的超声波波形图如图5、图6所示。由于空气比铁中衰减小速度小，所以有试验结果图可见路径2接收到的脉冲幅值比路径1大，距离TEV脉冲的时间差也比路径1大。由此可见我们在定位时取超声在介质中的传播速度时，应该考虑传播速度的衰减[4-5]，尽可能减少定位的误差。
5.结论
通过模拟基本真实的高压开关柜局部放电检测环境，搭建实验平台，获得了放电的TEV及超声波检波输出脉冲。通过对超声波传播路径及超声传播衰减的分析，得出传播速度的衰减对精确定位有一定的影响，对局部放电检测有一定的实践意义和参考价值。实验中观察到，超声传感器距离放电源较远时，信噪比还比较好，若选用灵敏度更高、接受面积大的超声波传感器，还可以提高检波电路的性能及定位的精度。
参考文献
[1]岳桂芳.局部放电产生原因及分析[J].机械工程与自动化，2005（4）：105-105.
[2]黎大健，梁基重.GIS中典型缺陷局部放电的超声波检测[J].高压电器，2009，45（1）：72-75.
[3]刘云鹏，王会斌，王娟.高压开关柜局部放电UHF在线检测系统的研究[J].高压电器，2009，45（1）：15-17.
[4]乔进朝，王进锁.开关柜非嵌入式局部放电在线检测定位研究[J].山西电力，2008（5）：24-2.
[5]李德军，沈威.GIS局部放电常规检查和超声波检测方法的应用比较[J].高压电器，2009，45（3）：99-103.
[6]郑重，谈克雄，王猛等.基于脉冲波形时域特征的局部放电识别[J].高电压技术，2010（4）：64-67.
【关键词】高压开关柜；局部放电；TEV检测；超声波检测
1.引言
目前，对开关柜设备局部放电（PD）的检测方法主要有脉冲电流法（ERA）、射频法（RF）、超声法、超高频法（UHF）、暂态对地电压法（TEV）等。脉冲电流法可以测定出局部放电的一些基本量（如：视在放电量q、局部放电脉冲大小、数量与相位），该技术成熟、应用广泛，但缺点是抗干扰能力差。射频法和超高频法可以实现开关柜局部放电的带电检测，但是不能给出局部放电量。超声波法抗干扰能力强且可以很好的实现放电源的定位。暂态对地电压（TEV）法作为一种带电检测技术，具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，因此逐步在国内变电站推广使用[1]。本文分析了TEV及超声检测的原理，并自制TEV传感器，在实验室，搭建基于TEV与超声波检测的实验平台，通过示波器利用时间差法实现了局部放电源的精确定位。
2.TEV检测法的原理
2.1 暂态对地电压（TEV）
高压电气设备发生局部放电时，放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流在设备表面金属上传播。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面，屏蔽连续时在设备外部无法检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位不连续，局部放电的高频信号会由此传输到设备屏蔽外壳[2]。因此，局部放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并沿着设备金属箱体外表面继续传播，同时对地产生一定的暂态电压脉冲信号，该现象由Dr.John Reeves在1974年首先发现，并将其命名为暂态对地电压。
2.2 TEV技术基本原理
一般来说单芯10kV电缆的阻抗约为10Ω，35kV的金属外壳母线室的阻抗则约为70Ω，电缆或母线室发生局部放电产生持续10us的约100mA的弱电脉冲电流时，在金属外壳上会出现1～7V的对地电压。电压、电流脉冲沿开关柜金属外壳的内表面传播，遇开口、接头、盖板等处的缝隙传出设备，再沿着金属外壳的外表面传播至大地。目前TEV法检测设备大都采用电容性探测器来检测放电脉冲，其工作原理如图1所示。现有的局部放电检测方法常以脉冲电流法的视在放电量来表征局部放电活动的严重程度，但对TEV法来说，由于影响局部放电测量及放电量表征的因素较多，为了简单起见，在该方法中测试结果采用相对读数来表示。在局部放电过程中，局部放电信号在设备的金属封闭壳体上产生一个瞬时对地电压，可通过电容耦合传感器对其进行测量，得出局部放电的幅值和放电脉冲频率等参数。
3.超声波检测原理
发生局部放电时，在放电的区域中，分子产生剧烈的撞击，宏观上产生了声音，我们把频率大于20KHz的称为超声波。开关柜发生局部放电等缺陷时，其超声波发射频谱集中在20～100KHz。局部放电产生的超声波信号通过安装在柜体外壁的传感器接收，即超声波要从放电源传播到测量点才能被检测到，声波在传播中要衰减，频率越大，衰减越严重。超声波传感器的检测范围在很大程度上取决于其使用的波长和频率[3]。结合声波和周围环境中噪声的特点，我们选择的传感器为中心频率约为40KHz的接触式传感器，其具有较宽的检测带宽，使用超声耦合剂，增设60dB前置放大器，配合数字滤波器组成超声波检测电路具有较高的灵敏度，图2为放电源距离传感器30cm时超声波传感器接收到的针板放电局部放电的超声波信号图。
4.开关柜局部放电实验平台及局部放电信号检测
为了系统的研究开关柜中的局部放电，本文在开关柜试验平台上建立了一套基于TEV与超声波相结合的局部放电检测系统。
4.1 试验原理图
如图2所示，工频高压由YDTW15/150KV无晕工频高压试验变压器提供，高压的输出端串联一个10kΩ的保护电阻，以免试品击穿后电流过大损害变压器。C0为试验用的耦合电容器，Cx为装有针板放电模型的开关柜试品如图5，TEV传感器接示波器的CH1通道，超声传感器通过前置放大器之后在接示波器。其中TEV传感器为自己研制的传感器，其原理近似于耦合电容传感器，超声传感器为接触式超声传感器，传感器中心频率为40KHZ，检测频带比较宽，可以在宽频带范围内研究局部放电超声波信号，前置放大器其增益最大可调为60dB。经前置放大器处理的信号被传输到示波器。示波器采用YOKOGAWA的DL1540L型8位数字示波器。试验时，单次采样时间长度为一个工频周期，即20ms；采样率为5MS/s。示波器的4个通道分别采集超声信号与TEV信号。其中TEV信号作为触发用以控制信号采集起始时刻，还可以方便观察TEV信号与超声信号的时间差，便于局部放电源的定位。
4.2 局放TEV及超声波信号检测
在局部放电超声波检测和定位中，超声波信号的识别和声波在不同介质中的传播速度、衰减情况对提高检测的精度有非常重要的作用。我们在开关柜内设置针板放电模型如图3所示，模拟接近真实的放电环境进行实验，得出的结论更有实用性和参考价值。将TEV传感器吸附在开关柜体外壁上，超声波传感器用耦合硅胶贴在柜外壁，并用胶带固定保持一定的压力，接好检测电路，当所加电压达到5kV时，有局部放电产生，随着电压的升高，当所加电压达到约6kV时，放电较为明显并伴随有明显的“滋滋”声，移动传感器位置，并用四通道示波器观察输出脉冲信号。由于超声波在空气中衰减较小（50KHz的超声波常温衰减为0.98dB/m），空气中得到的检波脉冲信噪比较好。如图3所示，分别为TEV传感器（通道1）和超声传感器（通道2）接收到的信号，其中TEV传感器接收到的信号为触发信号。通道2显示的最左端较平滑的超声波脉冲与TEV传感器接收到的电信号之间有一定的时间差。移动超声波传感器位置，改变放电源和超声波传感器之间的距离，观察随着放电源和传感器之间距离的缩小，输出超声波脉冲会左移而靠近电脉冲信号，随距离的增大，超声脉冲右移而远离电脉冲。 由于声音反射以及通过不同介质传播，各种介质中的衰减强度和传播速度不一样，所以观察到的超声波脉冲没有电脉冲信号平滑。观察到的脉冲，还与传感器和放电源的位置角度有关，在一定的角度时，超声波发生全反射而接收不到。如图4所示，局部放电产生的超声波在空气中会沿不同方向传播，遇到柜体内壁会发生反射和吸收，传播过程中也会有不同程度的衰减。我们在不同位置设置超声传感器，分别观察示波器输出脉冲。路径1，即超声信号以在空气中最短的路径传播到铁柜内壁，再穿过铁皮到传感器。路径2为超声波从放电源通过空气直接到传感器位置，穿过铁皮进入传感器。由于超声波在空气和铁中的衰减情况和传播速度不一样，接收到的信号也有差异。常温下超声波在空气中的传播速度为340m/s，铁中大约为6000m/s，空气中衰减为0.98dB/m （50Hz），铁中21.5dB/（10MHz），衰减随频率的增加而增大。经试验获得的路径1与路径2的超声波波形图如图5、图6所示。由于空气比铁中衰减小速度小，所以有试验结果图可见路径2接收到的脉冲幅值比路径1大，距离TEV脉冲的时间差也比路径1大。由此可见我们在定位时取超声在介质中的传播速度时，应该考虑传播速度的衰减[4-5]，尽可能减少定位的误差。
5.结论
通过模拟基本真实的高压开关柜局部放电检测环境，搭建实验平台，获得了放电的TEV及超声波检波输出脉冲。通过对超声波传播路径及超声传播衰减的分析，得出传播速度的衰减对精确定位有一定的影响，对局部放电检测有一定的实践意义和参考价值。实验中观察到，超声传感器距离放电源较远时，信噪比还比较好，若选用灵敏度更高、接受面积大的超声波传感器，还可以提高检波电路的性能及定位的精度。
参考文献
[1]岳桂芳.局部放电产生原因及分析[J].机械工程与自动化，2005（4）：105-105.
[2]黎大健，梁基重.GIS中典型缺陷局部放电的超声波检测[J].高压电器，2009，45（1）：72-75.
[3]刘云鹏，王会斌，王娟.高压开关柜局部放电UHF在线检测系统的研究[J].高压电器，2009，45（1）：15-17.
[4]乔进朝，王进锁.开关柜非嵌入式局部放电在线检测定位研究[J].山西电力，2008（5）：24-2.
[5]李德军，沈威.GIS局部放电常规检查和超声波检测方法的应用比较[J].高压电器，2009，45（3）：99-103.
[6]郑重，谈克雄，王猛等.基于脉冲波形时域特征的局部放电识别[J].高电压技术，2010（4）：64-67.