开关柜局部放电的诊断分析及定位

3.3.1 暂态地电压局部放电诊断分析及定位

3.3.1.1 诊断流程

（1）排除干扰。测试中的干扰可能来自各个方位，干扰源可能存在于电气设备内部或外部空间。在开始测试前，尽可能排除干扰源的存在，比如关闭开关室内照明灯及通风设备。尽管如此，现场环境中还是有部分干扰信号存在。

（2）记录数据并给出初步结论。采取降噪措施后，如果异常信号仍然存在，需要记录当前测点的数据，给出一个初步结论，然后检测相邻的位置。

（3）尝试定位。假如相邻位置没有发现该异常信号，就可以确定该信号来自开关柜内部，可以直接对该信号进行判定。假如附近都能发现该信号，需要对该信号尽可能定位。放电定位是重要的抗干扰环节，可以通过强度定位法或者借助其他仪器，大概定出信号的来源。如果在开关柜外部，可以确定是来自其他电气部分的干扰；如果是开关柜内部，就可以做出异常诊断了。

（4）对检测数据综合分析给出判定。通过阈值分析、横向分析、纵向分析、统计分析等分析手段对检测数据进行分析，确定其局部放电的严重程度。

（5）保存数据：局部放电判别的准确程度取决于经验和数据的不断积累，检测结果和检修结果确定以后，应保留波形和图谱数据，作为今后局部放电类型识别的依据。

异常诊断流程图见图1-3-25。

图1-3-35　异常诊断流程图

3.3.1.2 现场常见干扰源及排除方法

开关柜及其部件主要采用空气绝缘或环氧树脂固体绝缘方法，绝缘强度较弱，电磁放电的频谱较低，基本上与环境电磁噪声的频带重合，所以易受空间电磁波的干扰。

变电站环境中其他原因产生的电磁信号（如移动通讯信号、广播信号、各种旋转电机、电子围栏、轨道交通、照明灯、SF6测漏装置、电表柜、二次回路、空调等），如果在传感器的频带范围内，会对局部放电检测结果造成干扰。此时判断干扰的来源直接影响判断局部放电是否存在的结果。

排除暂态地电压局部放电检测过程中的干扰，主要是排除基于电磁辐射原理的干扰信号。现场测试过程中，一般采用以下几种手段来实现干扰的排除。

（1）错开时间或关闭干扰源。对部分干扰源（如移动通讯信号，广播信号、轨道交通等），选择其信号较小时，进行局部放电检测，可以有效地避免该干扰信号；在检测过程中如发现存在可以关闭的干扰源（如各种旋转电机、电子围栏、照明灯、SF6测漏装置、空调等），可以将干扰源关闭，避免影响检测结果。

（2）选择合适的滤波器。对部分固定频率的干扰信号，可以加装合适的滤波器，过滤该干扰信号，以免影响局部放电检测结果。

（3）分析检测信号的工频相关性。分析检测信号的工频相关性，能够有效判断该信号是否与工频信号相关。如果相关，则该信号是在工频的环境下发出的信号，很有可能是局部放电信号，但也可能是来源于电力系统中的干扰，如灯、空调、电表柜、二次回路；如果没有工频相关性，则大多来源于干扰信号。

（4）定位法排除干扰信号。当检测到有脉冲信号时，可初步判断信号的工频相关性，但还需要进一步对信号源进行定位分析。可先采取时差法对信号进行粗略定位分析，从而确认信号来自设备内部的局部放电信号还是外部的干扰信号。

3.3.1.3 数据分析与诊断

对于检测数据的分析与诊断，宜采用阈值分析、横向分析、纵向分析、统计分析相结合的方法。

背景噪声对暂态地电压局部放电分析的影响

开关柜金属柜体的暂态地电压水平从能量角度来看，可认为是外部空间的电磁干扰与局部放电共同作用的结果。假设：

dBN为金属门等处测量的噪声分贝值，即背景噪声值；

dBNS为开关柜实测的暂态地电压分贝值，包括噪声的影响，即实测值；

d BS为开关柜局部放电的暂态地电压理论分贝值，即实际值。

在巡检过程中可以通过测量得到的数值是dBN和dBN S。通过公式（1-3-1）可以计算得到d BS。

根据式（1-3-1）可以得到如下结论：

①实际值不等于实测值，也不是简单地等于实测值减去背景噪声值；

②实测值与背景噪声值之间的差别越大，实测值越接近局部放电的实际值。其中，当实测值与背景噪声值的差别达到15d B时，实测值与实际值之间的误差约为7%，基本可认为实测值接近实际值。

阈值分析技术

阈值分析技术，即通过将开关柜的暂态地电压局部放电检测数据与局部放电状态判断阈值进行比较，可以初步判断出开关柜目前的运行状况。具体的阈值（推荐参考值）比较流程如下：

（1）如果开关柜的检测值与背景值之间的差距在20d B及以下时，则表示开关柜正常，按照巡检周期安排再次进行巡检；

（2）如果开关柜的检测值与背景值之间的差距在20dB以上，则表明该开关柜可能存在局部放电现象，应查明原因，使用定位技术对放电点进行定位；

（3）如果开关柜的检测值与历史数据之间的差距在20d B以上，则表明该开关柜可能存在局部放电现象，应查明原因，使用定位技术对放电点进行定位；

（4）如果开关柜的检测值与邻近开关柜检测值之间的差距在20dB以上，则表明该开关柜可能存在局部放电现象，应查明原因，使用定位技术对放电点进行定位。

开关柜的所有故障处理完成后，应再次对该开关室进行局部放电检测，检测结果与处理前进行比较，衡量故障处理的准确性。

阈值比较技术比较简单，易于掌握，非常适合巡检现场使用。阈值比较技术关注于巡检时开关室内每个开关柜的局部放电检测状况，但是无法分析开关室内所有开关柜在此次巡检的整体状况。当遇到一个开关室内存在多个异常的开关柜或所有开关柜均异常时，阈值比较技术的作用就有限了，此时就需要采用横向分析技术来进一步分析。

横向分析技术

横向分析技术，即充分考虑一组检测设备的共同性特征，并假定这些共同特征对状态数据检测具有同等的影响，从而根据实际检测结果推断单一设备状态异常程度。这些共同特征可以包括电力设备实际的空间安装位置、结构类型、制造商或制造水平、投运年限以及分属不同相别的同类部件，等等。

假如同一时间点获取的状态检测数据序列为X i，同时定义其均值：

如果将状态检测数据序列看成n欧几里得空间，则其均值无疑位于欧几里得空间的中心，实测的状态检测数据偏离欧几里得中心的程度可用欧几里得距离或矩阵范数进行描述，如下式所示：

如果确定需要实现n选1，则矩阵范数最大者往往也就是问题的关键。

横向分析可供选择的基准特征很多，开关柜的安装空间位置就是其中一项。假设开关柜呈“一”字形排列并按顺序依次编号，将其局部放电水平描绘在直角坐标系中，其中横坐标代表柜体编号，纵坐标代表放电强度。

由于同一个开关室内开关柜基本来源于同一制造厂家，设备的绝缘水平理应不存在明显的差异。同时，由于安装空间临近，环境噪声对每面开关柜的影响也应基本一致。通过计算同次检测结果的总体平均水平，并衡量每个开关柜偏离总体平均水平的程度，判断设备是否存在绝缘缺陷。

正常情况下每面开关柜的测量结果差别不大，基本在总体平均水平上下波动，得到的曲线应是非常平缓，如图1-3-26所示，说明开关柜内不存在明显的放电现象。

图1-3-26　绝缘水平正常情况下的横向分析曲线

当某一开关柜个体的检测结果偏离总体平均水平较大时，可以判断此开关柜存在缺陷的概率较高。如图1-3-27所示，间隔3的局部放电水平明显偏离平均水平，且相邻两侧的数据迅速降低，说明间隔3存在故障的概率较高。

图1-3-27　绝缘水平异常情况下的横向分析曲线

横向分析技术适合对开关室内一组开关柜的同一次检测数据进行分析，仅仅能够提供是否存在异常的可能性，但是无法对某一个开关柜的连续检测数据进行确切的定量分析，判断其变化趋势。

统计分析技术

实施暂态地电压局部放电检测初期主要采用推荐参考值进行分析和判断。但是，不同地区在开关柜配备、环境、暂态地电压局部放电检测设备配备等方面存在差异，该推荐参考值并不一定适合本地的应用。因此，需要各个地区开展广泛的、长期的现场检测，累积足够的暂态地电压局部放电检测数据，通过统计分析和计算，可以修订和完善推荐参考值，从而获得适合不同地区地方特点的暂态地电压局部放电判断阈值。

以暂态地电压局部放电检测数据为统计样本可以计算得到以下的统计结果：

目前国内采用的推荐参考值来源于英国电监会近6000次开关柜局部放电暂态地电压检测数据的统计分析，其中选择与前10%样本计算对应的局部放电状态判据A=30dB，与前25%样本计算对应的局部放电状态判据A=20dB，作为暂态地电压局部放电检测值Vd B的状态判断阈值，

具体统计分析如下图1-3-28所示。

图1-3-28　统计分析计算状态判断阈值

当测量到的开关柜内部的局部放电信号幅值大于20dB时，出现破坏性故障的概率是75%；大于30d B时，出现破坏性故障的概率为90%。

纵向分析技术

纵向分析技术充分考虑电力设备劣化规律的特点，认为绝缘劣化属于一种缓慢累积的准稳态过程。因此，当前及未来的设备状态可通过前期检测数据提前预测，而实测值与预测值的严重偏离往往意味着设备状态的突然变化，从而判断出合适状态的检修时间。

纵向分析假定某一开关柜的绝缘水平不会发生突发性恶化，连续性的局部放电检测数据不会出现大的差异，即变化量保持稳定，且围绕平均水平波动，可以通过分析局部放电检测数据偏离平均水平的变化趋势程度来判断设备是否产生绝缘缺陷及缺陷严重程度。

可用于纵向分析的算法有很多，诸如递推滤波与预测技术、过程控制技术等均可以用于电力设备状态的趋势分析。以下提供几种基本的纵向分析技术：

（1）基本纵向分析：

对同一开关柜不同时间的检测数据以曲线或数值形式描述其随时间的趋势变化，可利用预测值或其与实测值的差值是否越限作为控制状态检修的时刻。

图1-3-29给出了一种状态检修变量的基本趋势分析图。可以看出，受各种干扰因素的影响，每次状态量的实测值都会存在一定的波动，但基本围绕平均值线上下变化。随着时间的变化，状态量的实测值超过设定的控制上限，则意味着设备状态出现劣化迹象，可以提前安排检修。

图1-3-29　基本趋势分析示意图

（2）累积和分析技术：

控制论中常称之为CUSUM图。该技术即通过不断按照时间顺序对实测值与状态数据序列递推均值之差进行累加求和，从而检测出设备状态严重偏离正常水平的时刻，最终确定合适的检修时刻。

假如设备当前状态的检测值为，状态数据序列的递推均值为μ0，二者之差为Si，则控制变量可定义为：

当设备运行正常时，围绕均线随机波动，控制变量Si基本为零。当Si突然增大时，则意味着设备状态突然恶化，需要尽快安排检修。

图1-3-30给出了一种状态量的CUSUM图。与基本纵向分析不同，CUSUM曲线处理的是状态变量的偏差值，因此其曲线基本围绕0-基准线在平稳地波动。一旦出现大幅度的状态变化，则CUSUM曲线很快偏离0-基准线，意味着需要尽快安排对设备的检修。

图1-3-30　CUSUM图

（3）指数加权移动平均技术：

控制论中常称为EWMA（Exponentially Weighted Moving Average）技术。该技术类似于递推滤波和预测技术，指导思想就是为不同时刻的数据赋予不同的权重，近期数据赋予较大的权重，而历史数据的权重较低，从而同时兼顾时效性与平稳性的要求。

状态数据序列的EWMA值可描述为：

显然，当λ=1时，Z t=X i，EWMA技术退化为基本趋势分析技术；当λ→0时，每个状态数据的权重趋向一致，EWMA技术退化为CUSUM技术。

图1-3-31给出了一种状态量的EWMA图。与基本趋势分析方法不同，EWMA尽管也是处理状态变量的实测值，但分析参数优先考虑最新的状态变量，且同时考虑历史数据对当前状态变量的影响。因此，EWMA曲线较之基本趋势分析曲线更为平坦。但是，一旦出现大幅度的状态变化，则EWMA曲线也会很快超过控制限值，意味着需要尽快安排对设备的检修。

图1-3-31　EWMA图

3.3.1.4 放电源定位

放电源的准确定位能够极大地方便缺陷元件的查找及放电类型的诊断，提高检修工作效率。放电源的定位往往和干扰信号的排除综合进行。暂态地电压法的主要定位方法有幅值比较法、时差法等。

幅值比较定位法

幅值比较法的基本思路是距离放电源最近的传感器检测到的信号最强。当在多个点同时检测到放电信号时，信号强度最大的测点可判断为最接近放电源的位置。

根据信号强度大小，可定位出异常间隔，如图1-3-32所示。

图1-3-32　异常间隔定位

再根据信号强度大小，可定位出放电源的位置，如下图1-3-33所示。

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图1-3-33　异常部位定位

幅值比较法的准确性往往受到现场检测条件的限制。当放电信号很强时，在较小的距离范围内难以观察到明显的信号强度变化，使精确定位面临困难。当设备外部存在干扰放电源时，也会在不同位置产生强度类似的信号，难以有效定位，同时也难以区分设备内部或外部的放电。

时差定位法

（1）双探头定位：

通过两个传感器进行接收时差识别，首先接收到放电脉冲的探头离放电源的距离最近，原理如下图1-3-34所示。

图1-3-34　时差定位原理图

所探测到的局部放电源有可能是由外部干扰源引起的，因此需要在定位时首先排除为干扰所引起。

现场定位步骤：

①将两只暂态地电压传感器分置于开关柜面板上，并保证间隔距离不小于0.6m（定位仪器的分辨率最大为2ns）。

②使用自动或手动功能调节两个通道的触发电平，保证每个检测通道均能够连续、可靠、准确地被触发。

③启动仪器的定位功能。当某个通道的指示灯点亮时，表明放电源靠近该通道连接的传感器位置。

定位时，先进行横向定位，确定异常间隔。确定异常间隔后，再纵向、横向定位，确定异常部位。现场定位图分别如图1-3-35、图1-3-36所示。

图1-3-35　确定异常间隔

图1-3-36　确定异常部位

定位操作时的注意事项：

如果两个通道的指示灯交替点亮，可能存在两种原因：①暂态地电压信号到达两个传感器的时间相差很小，超过了定位仪器的分辨率；②两个传感器与放电点的距离大致相等，导致时序鉴别电路难以正常鉴别。解决方法：可略微移动其中一个传感器，使得定位仪器能够分辨出哪个传感器先被触发。

影响放电源定位测试结果的两种情况：①当局部放电源距离测量位置较远时，暂态地电压信号经过较长距离传输后导致波形前沿发生畸变，且因为信号不同频率分量传播的速度存在差异，会造成波形前沿进一步畸变，影响定位仪器判断；②强烈的环境噪声干扰也会导致定位仪器判断不稳定。

（2）多探头定位：

当现场干扰无法排除或者存在多个放电源的情况下，应采用多探头进行定位。图1-3-37为多个信号源对开关柜进行干扰。

图1-3-37　多干扰源

以下以某多通道定位仪为例来阐述多通道定位的方法。此定位仪共有12个通道，其中8个通道为暂态地电压探头通道，4个通道为天线通道。8个探头用磁吸的方式固定到开关柜的金属壳体上，而天线则被布置在变电站的角落部位，这样某个天线就能优先于其他探头测到外部干扰。多探头定位时，典型探头布置图如图1-3-38所示，其中1、2、11、12为天线通道，布置在开关室四周，包围住所要检测开关柜。3、4、5、6、7、8、9、10这八个通道为暂态地电压探头通道，放置在所需检测的开关柜上。

图1-3-38　探头布置图

现场布置图如图1-3-39所示，探头布置时要注意定位仪器的分辨率，探头之间的距离应大于仪器的分辨率，天线最好放置在与开关柜顶部齐平的高度。

图1-3-39　多探头进行暂态地电压定位

定位原理：各通道按顺序扫描，如果脉冲首先到达第一通道，就会测量脉冲幅值并添加到通道1的技术中，如果在这一时间段脉冲首先到达别的通道，就不会测量它的幅值，而是计到其他的通道中，因此，所有的脉冲都会分配到其首先到达的通道中。最大的信号幅值会出现在最接近放电源的探头上，而其余探头上的信号幅值要低很多。另外显示为首先到达最近的探头处的触发脉冲应该占所有探头的触发脉冲总数的很高百分比，从而可以根据幅值的大小和脉冲的多少来确定信号源的位置，同时通过检测数据还能判断出局部放电源的数量。

3.3.2 超声波（AA）局部放电诊断分析及定位

3.3.2.1 诊断流程

（1）排除干扰。测试中的干扰可能来自各个方位，干扰源可能存在于电气设备内部或外部空间。在开始测试前，尽可能排除干扰源的存在，比如关闭开关室内照明灯及通风设备。尽管如此，现场环境中还是有部分干扰信号存在。

（2）记录数据并给出初步结论。采取降噪措施后，如果异常信号仍然存在，需要记录当前测点的数据，给出一个初步结论，然后检测相邻的位置。

（3）尝试定位。假如相邻位置没有发现该异常信号，就可以确定该信号来自开关柜内部，可以直接对该信号进行判定。假如附近都能发现该信号，需要对该信号尽可能定位。放电定位是重要的抗干扰环节，可以通过强度定位法大概定出信号的来源。如果在开关柜外部，就可以确定是来自其他电气部分的干扰；如果是开关柜内部，就可以做出异常诊断了。

（4）对检测数据综合分析给出判定。通过声音辨别、阈值分析等分析手段对检测数据进行分析，确定其局部放电的严重程度。

（5）保存数据。局部放电判别的准确程度取决于经验和数据的不断积累，检测结果和检修结果确定以后，应保留波形和图谱数据，作为今后局部放电类型识别的依据。

异常诊断流程如图1-3-40所示。

图1-3-40　异常诊断流程图

3.3.2.2 现场常见干扰源及排除方法

开关柜检测中常见的干扰源有水银灯以及附近走动的人或运行的机器，在检测时应隔离这些干扰噪声。

现场测试过程中，一般采用以下两种手段来实现干扰的排除：

（1）错开时间或关闭干扰源：对部分干扰源，选择其信号较小时，进行局部放电检测，可以有效地避免该干扰信号。在检测过程中如发现存在可以关闭的干扰源（如各种旋转电机、照明灯、SF6测漏装置、空调等），可以将干扰源关闭，避免影响检测结果。

（2）分析检测信号的声音：检测过程中要注意真实的局部放电所产生的超声波信号，可以从耳机中听到放电破裂的声音（咝咝响），通过声音特征，可以很好地区分别的干扰源。

3.3.2.3 数据分析与诊断

声音判别技术

在现场巡检中，进行超声波判断分析时应首先进行声音判别，再进行超声波阈值比较分析。

（1）监听到放电声音，那么可进行超声波阈值分析，判断局部放电的严重程度；

（2）如果未监听到放电声音，那么无论超声波检测数据如何，均表示开关柜正常，按照巡检周期安排再次进行巡检。

阈值比较技术

当在巡检中监听到放电声音时，按下列方式处理：

（1）如果超声波检测值＞0，则表明该开关柜不存在局部放电现象，按照巡检周期安排再次进行巡检；

（2）如果0≤超声波检测值＜8dB，则表明该开关柜存在轻微局部放电现象，应对该开关柜加强关注，缩短巡检周期，观察检测幅值的变化趋势；

（3）如果超声波检测值＞8dB，则表明该开关柜存在明显的局部放电现象，应对开关柜采取相应措施。

3.3.2.4 放电源定位

放电源的准确定位能够极大地方便缺陷元件的查找及放电类型的诊断，提高检修工作效率。放电源的定位往往和干扰信号的排除综合进行。由于超声波在开关柜内部的传播存在折反射，使得局部放电定位的精度受到限制，很难利用超声波信号对局部放电进行模式识别和定量判断。超声波法的主要定位方法为幅值比较法。

幅值比较法的基本思路是距离放电源最近的传感器检测到的信号最强。当在多个点同时检测到放电信号时，信号强度最大的测点可判断为最接近放电源的位置。

根据信号强度大小，可定位出放电源的位置，如下图1-3-41所示。

图1-3-41　异常部位定位

3.3.3 特高频局部放电诊断分析及定位

3.3.3.1 诊断流程

见本篇1.3.1.1章节，此处不再叙述。

3.3.3.2 现场常见干扰源及排除方法

见本篇1.3.1.2章节，此处不再叙述。

3.3.3.3 放电缺陷类型识别与诊断

见本篇1.3.1.3章节，此处不再叙述。

3.3.3.4 放电源定位

放电源的准确定位能够极大地方便缺陷元件的查找及放电类型的诊断，提高检修工作效率。放电源的定位往往和干扰信号的排除综合进行。特高频法的主要定位方法有幅值比较法、时差法等。

（1）幅值比较定位法：

幅值比较法的基本思路是距离放电源最近的传感器检测到的信号最强。当在多个点同时检测到放电信号时，信号强度最大的测点可判断为最接近放电源的位置。

幅值比较法的准确性往往受到现场检测条件的限制。当放电信号很强时，在较小的距离范围内难以观察到明显的信号强度变化，使精确定位面临困难。当设备外部存在干扰放电源时，也会在不同位置产生强度类似的信号，难以有效定位，同时也难以区分设备内部或外部的放电。

（2）时差定位法：

时差定位法的基本思路是距离放电源最近的传感器检测到的时域信号最超前。具体的时差定位适用于采用高速数字示波器的带电检测装置，定位方法如图1-3-42所示。根据放电检测信号的时差，利用式（1-3-7）即可计算得到

局部放电源的具体位置。

图1-3-42　开关柜中局部放电源位置

式中：为放电源距离左侧传感器的距离，单位为m；

L为图1-3-42中两个传感器之间的距离，单位为m；

c为电磁波传播速度3×108 m/s；

△t为两个传感器检测到的时域信号波头之间的时差，单位为s。

现场检测时，先把一个传感器放置在开关柜上，另一个探头放置在空气中，确定信号的来源是外界干扰还是开关柜内部，如图1-3-43所示。

图1-3-43　排除外界干扰

再把一个传感器放置在开关柜左侧，另一个探头放置在开关柜右侧，进行横向定位，如图1-3-44所示。

图1-3-44　横向定位

把一个传感器放置在开关柜上部，另一个探头放置在开关柜下部，进行纵向定位，如图1-3-45所示。

图1-3-45　纵向定位

图1-3-46为使用示波器进行时差法定位的波形。

图1-3-46　示波器进行时差法定位的波形

图1-3-47为使用自动定位软件进行时差法定位的图谱。

图1-3-47　自动定位软件进行时差法定位的图谱