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高壓開關(guān)柜局部放電地電波幅值的經(jīng)驗累計分布特性
寧宇 ，熊俊
(南方電網(wǎng)廣州供電局有限公司，廣州510610)
摘 要：研究局部放電地電波幅值的分布特性有利于提高開關(guān)柜局放狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性 。文中以36 628組在運行高壓開關(guān)柜局放實測數(shù)據(jù)為分析對象 ，建立了高壓開關(guān)柜局部放電地電波法現(xiàn)場測試值的經(jīng)驗累計分右特性 ，其概率密度函數(shù)符合Gamma分布特征 ，并且，統(tǒng)計得出本地區(qū)數(shù)據(jù)庫中分布概率超過5% 、10%、25%地電波測試值樣本分布所對應(yīng)的經(jīng)驗閾值分別為32 、23 、13dB。分析表明 ，環(huán)境濕度 、運行時間及柜體結(jié)構(gòu)等7個因素對經(jīng)驗累計分布特性影響較大 。上述結(jié)果為掌握高壓開關(guān)柜絕緣健康水平及采取有效的運維策略提供了思路和建議 。
關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜 ；局部放電 ；地電波；經(jīng)驗累計分布函數(shù) ；經(jīng)驗閾值
0 引言高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中用量最大的高壓設(shè)備之一 。其內(nèi)部絕緣部分的缺陷引起局部放電會使其安全運行受到威脅 ，從而直接影響電網(wǎng)的安全可靠運行，而測量局部放電特性可以提前暴露設(shè)備局部絕緣隱患 。暫態(tài)地電波局部放電檢測法具有較高靈敏度 、便于空間定位、較好的抗干擾能力等優(yōu)點 ，被廣泛應(yīng)用于高壓開關(guān)柜的局部放電在線或帶電檢測。
地電波檢測技術(shù)(TEV)誕生于英國 ，EA公司最早將其應(yīng)用于開關(guān)柜局部放電檢測 ，能夠有效的診斷設(shè)備的絕緣裂化過程及故障情況。國外供電企業(yè)對TEV進(jìn)行局部放電的研究發(fā)展較快 ，新加坡新能源電網(wǎng)公司最早將TEV測量技術(shù)用于電網(wǎng) ，它采用Ultra TEV及PDL1型便攜式局放定位儀和PDM03局放檢測儀進(jìn)行局放檢測定位，能夠發(fā)現(xiàn)大量設(shè)備內(nèi)部絕緣缺陷 ，此外 ，澳大利亞 、英國等國家的電網(wǎng)公司也進(jìn)行了較多的實踐 。國內(nèi)對地電波技術(shù)的研究仍處于初級階段，地電波檢測設(shè)備大多為國外進(jìn)口設(shè)備重慶大學(xué)對地電波的幅值與放電源的強弱的關(guān)系進(jìn)行仿真 ，并研究出兩者的聯(lián)系。高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室用標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器向GIS的導(dǎo)電桿與外殼之間注人標(biāo)準(zhǔn)的正弦波 ，研究了檢測幅值與正弦波之間的關(guān)系 ；保定天威新域公司研發(fā)的OLM0402高壓開關(guān)及開關(guān)柜系統(tǒng)可及時對其絕緣異常狀態(tài)和放電性故障做出預(yù)警。但是 ，目前各運行單位判斷高壓開關(guān)柜局部放電數(shù)據(jù)正常與否，還是以借鑒國外的經(jīng)驗為主 。對于國內(nèi)的各個地區(qū)來說 ，現(xiàn)行的經(jīng)驗閾值可能或?qū)捇驀?yán)，尚無從知曉 。這十分不利于該項技術(shù)的本地化和實用化，另外，各地區(qū)的運行高壓開關(guān)柜局部放電總體水平研究也十分缺乏。為此，從現(xiàn)場大量測試數(shù)據(jù)的角度，有必要深人分析運行高壓開關(guān)柜局部放電測試值分布特性，以便從宏觀上掌握運行高壓開關(guān)柜絕緣健康水平。
為此 ，文中以30 773組運行高壓開關(guān)柜局部放電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究高壓開關(guān)柜局部放電測試值的經(jīng)驗累計分布函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同測試環(huán)境、不同生產(chǎn)廠家、不同運行時間、不同結(jié)構(gòu)設(shè)計、不同元器件等11個維度的經(jīng)驗累計分布函數(shù)差異比較，研究高壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)、運行環(huán)境 、老舊水平等內(nèi)部因素對局部放電測試值分布特征的影響規(guī)律 ，為采取更加合理的決策和有效的運維提供思路和建議。
1 地電波檢測1.1 檢測原理當(dāng)發(fā)生局部放電時 ，電磁波向四周傳播，在金屬殼內(nèi)表面形成電荷的短時重新分布 ，在集膚效應(yīng)作用下會在金屬殼相同區(qū)域的外表面形成同樣的電荷短時重新分配 ，形成的脈沖電流最終注人地網(wǎng)，而在這一過程中金屬殼表面將產(chǎn)生暫態(tài)對地電位的變化 。利用容性探頭即可檢測到這些暫態(tài)電位的變化，并以此間接反映開關(guān)柜內(nèi)部放電的情況,上述方法筒稱為地電波測量法 。開關(guān)柜局部放電現(xiàn)場巡檢測試采用Ultra TEV
Plus+檢測系統(tǒng) ，其有效檢測頻帶為3～80
MHz。該儀器檢測結(jié)果中 ，地電波檢測結(jié)果的單位為dB
mV(簡寫為dB)。
1.2 檢測位置開關(guān)柜局部放電現(xiàn)場檢測位置包括開關(guān)柜前 、后以及每面幵關(guān)柜上、中、下共5個部位，見圖1。測量前需記錄高壓室的環(huán)境溫度及濕度，并應(yīng)記錄檢測系統(tǒng)置于空氣中和貼近附近金屬表面時的地電波幅值作為背景干擾水平。測量時將檢測系統(tǒng)傳感器置于開關(guān)柜上的5個不同位置，測量后記錄地電波幅值。
圖1 測量示意圖 1.3 數(shù)據(jù)收集記錄高開關(guān)柜局部放電的地電波幅值，總體樣本為30 773組 ，其中2011、2012及2013年的測試樣本分別為10925、10260及9588組。為研究不同測量因素對測試結(jié)果的影響，分別記錄了不同測試部位、測試環(huán)境、運行時間及開關(guān)柜結(jié)構(gòu)等11個因素下的樣本地電波幅值。2 經(jīng)驗累計分布特性2.1 數(shù)據(jù)分析方法為了解總體X的分布形式 ，根據(jù)樣本觀測值想x1,x2,…,xn構(gòu)造一個函數(shù)Fn(x)來近似總體X的分布函數(shù)，函數(shù)Fn(x)稱為經(jīng)驗分布函數(shù)。其構(gòu)造方法是，將樣本觀測值x1,x2,…,xn按從小到大可排成x1≤x2,…≤xn，定義為
Fn(x)只在x=x(k)(k=1, 2, …, n)處有躍度為1/n的間斷點 ，若有1個觀測值相同，則Fn(x)在此觀測值處的躍度為1/ n。對于固定的x，Fn(x)即表示事件{X≤x}在n次試驗中出現(xiàn)的頻率，即
式(2)中，k為落在(-∞，x)中xi的個數(shù)
由式（1）
2011、2012及2013年的測試樣本數(shù)分別為10925、10260及9588。以這3年的局部放電數(shù)據(jù)記錄為基礎(chǔ)建立的相應(yīng)的經(jīng)驗累計分布曲線見圖3。
圖3 總體經(jīng)驗累計分布函數(shù)
根據(jù)5%、10%及25%劃分依據(jù)
表1 地電波測試樣本分布門檻值
由表1可知，分布概率超5%
為研究不同測試條件對測試結(jié)果的影響
測試部位主要考慮測試位置與測試介質(zhì)的影響：以每一面開關(guān)柜的前面中部
圖4 不同檢驗部位的累積分布函數(shù)
以開關(guān)柜
圖5 不同測試介質(zhì)的經(jīng)驗累計分布函數(shù)
由圖4、圖5得出分布概率超5%、10%
表2 不同檢測部位下地電波測試樣本分布門檻值
由表2可知，分布概率超5%、10%、25%地電波測試樣本分布門檻值在不同檢測位置比較接近
圖6 兩種經(jīng)驗累積分布曲線的差異特征
以30℃以上
由圖7得出分布概率超5%、10%
圖7 不同環(huán)境溫度下的經(jīng)驗累計分布函數(shù)
表3 不同環(huán)境溫度下地電波測試樣本分布門檻值
由表3可知
以80%以上
圖8 不同環(huán)境溫度下的經(jīng)驗累積分布函數(shù)
由圖8得出分布概率超5%
表4說明
表4 不同環(huán)境濕度下地電波測試樣本分布門檻值
以不同的空氣中讀數(shù)
圖9 不同空氣背景下的經(jīng)驗累計分布函數(shù)
圖10
不同金屬背景下的經(jīng)驗累積分布函數(shù)
其中，當(dāng)空氣中的讀數(shù)處于0～10dB
表5 不同測試背景下地電波測試樣本分布門檻值
表5說明
為研究不同開關(guān)柜自身條件對檢測結(jié)果的影響，分別從運行時間、結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件及生產(chǎn)廠家
等4個方面進(jìn)行分析
以5年以內(nèi)、5?10年
圖11 不同運行時間的經(jīng)驗累積分布函數(shù)
由圖11得出分布概率超5%
表6 不同運行時間下地電波測試樣本分布門檻值
表6說明
以KYN
圖12 不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗累積分布函數(shù)
由圖12得出分布概率超5%、10%、25%地電波 測試樣本分布門檻值見表7。表7說明，局部放電現(xiàn)
場測試讀數(shù)的分布門檻值與開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計有 關(guān)。XGN型開關(guān)柜的局部放電現(xiàn)場測試讀數(shù)的分 布門檻值要高于KYN、ZN型開關(guān)柜的分布門檻 值。箱式固定柜(XGN型)主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、工 藝要求低、規(guī)定高度和寬度偏大，而鎧裝式開關(guān)柜 (KYN、ZN型)主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸精度高、柜 內(nèi)各部件封閉性好。所以，分析認(rèn)為造成XGN型開 關(guān)柜的局部放電現(xiàn)場測試讀數(shù)的分布門檻值要高 于KYN、ZN型開關(guān)柜的主要原因之一可能是后者 內(nèi)部金屬隔板多、對信號的屏蔽作用要更明顯。
表7 不同結(jié)構(gòu)設(shè)計下地電波測試樣本分布門檻值
以曲折變柜、站用變柜、斷路器柜、PT柜、CT柜等5組局部放電現(xiàn)場測試讀數(shù)為基礎(chǔ)，其地電波測試值樣本個數(shù)為729、1148
圖13 不同元器件的經(jīng)驗累積分布函數(shù)
由圖13得出分布概率超5%
表8 不同元器件下地電波測試樣本分布門檻值
表8說明
以汕頭某電氣、廈門某公司、某合資企業(yè)、常州某廠、珠江某開關(guān)廠、廈門某廠、廣州某電器及日本某企業(yè)等8個生產(chǎn)廠家的局部放電現(xiàn)場測試讀數(shù)樣本為基礎(chǔ),其測試值樣本個數(shù)為6002、5703、2683、
2683、2222、1957、1814及1648,建立相應(yīng)的經(jīng)驗 累計分布曲線，見圖14。
圖14不同生產(chǎn)廠家的經(jīng)驗累計分布函數(shù)
由圖14得出超5%、10%、25%地電波測試樣本分布門檻值見表9。
表9不同生產(chǎn)廠家下地電波測試樣本分布門檻值
表9說明，汕頭某電氣、廣州某電器、日本某企業(yè)、珠江某開關(guān)廠的局部放電現(xiàn)場測試讀數(shù)的分布門檻值要明顯高于其他生產(chǎn)廠家，尤其以汕頭某電氣最為明顯。除上述4個生產(chǎn)廠家之外，其他4個生產(chǎn)廠家的局部放電現(xiàn)場測試讀數(shù)的分布門檻值接近。造成上述差異的原因主要是組裝工藝水平、
元器件材質(zhì)質(zhì)量等。
為更好地比較各維度下曲線的差異性，選取了累計概率的3個點5%、10%、25%下的地電波幅值作為比較對象。不同維度下5%
圖15 不同統(tǒng)計維度下的典型經(jīng)驗累計概率雷達(dá)圖分布
從圖15中可看出
建立了高壓開關(guān)柜局部放電地電波現(xiàn)場測試值的經(jīng)驗累計分布函數(shù),該曲線穩(wěn)定性、平滑性較好,其概率密度函數(shù)符合gamma分布特征。比較了不同測試環(huán)境、不同生產(chǎn)廠家、不同運行時間等11個維度的經(jīng)驗累計分布函數(shù)差異，得出以下結(jié)論：
1）不同測試位置對地電波現(xiàn)場測試值影響較小，但測試介質(zhì)、溫度、濕度及背景對測試結(jié)果具有較大影響。金屬背景上的測試值與開關(guān)柜上的測試值差值較小，環(huán)境溫度、濕度及背景噪聲越大，測試值越大。該結(jié)果有利于優(yōu)化運維人員現(xiàn)場檢測流程，提高檢測效率。
2）運行時間、結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件及生產(chǎn)廠家對測試結(jié)果也具有較大影響。運行時間越久，測試結(jié)果越大
3）XGN型號開關(guān)柜
4）通過建立本地區(qū)高壓開關(guān)柜局部放電地電波現(xiàn)場測試值的經(jīng)驗累計分布函數(shù) |
