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            高压开关柜局部放电地电波幅值的经验累计分布特性


            宁宇,熊俊

            (南方电网广州供电局有限公司,广州510610)



            摘 要:研究局部放电地电波幅值的分布特性有利于提高开关柜局放状态判断的准确性。文中以36 628组在运行高压开关柜局放实测数据为分析对象,建立了高压开关柜局部放电地电波法现场测试值的经验累计分右特性,其概率密度函数符合Gamma分布特征,并且,统计得出本地区数据库中分布概率超过5%10%25%地电波测试值样本分布所对应的经验阈值分别为322313dB。分析表明,环境湿度、运行时间及柜体结构等7个因素对经验累计分布特性影响较大。上述结果为掌握高压开关柜绝缘健康水平及采取有效的运维策略提供了思路和建议。

            关键词:高压开关柜;局部放电;地电波;经验累计分布函数;经验阈值


            0 引言

            高压开关柜是电力系统中用量最大的高压设备之一。其内部绝缘部分的缺陷引起局部放电会使其安全运行受到威胁,从而直接影响电网的安全可靠运行,而测量局部放电特性可以提前暴露设备局部绝缘隐患。暂态地电波局部放电检测法具有较高灵敏度、便于空间定位、较好的抗干扰能力等优点,被广泛应用于高压开关柜的局部放电在线或带电检测。

            地电波检测技术(TEV)诞生于英国,EA公司最早将其应用于开关柜局部放电检测,能够有效的诊断设备的绝缘裂化过程及故障情况。国外供电企业对TEV进行局部放电的研究发展较快,新加坡新能源电网公司最早将TEV测量技术用于电网,它采用Ultra TEVPDL1型便携式局放定位仪和PDM03局放检测仪进行局放检测定位,能够发现大量设备内部绝缘缺陷,此外,澳大利亚、英国等国家的电网公司也进行了较多的实践。国内对地电波技术的研究仍处于初级阶段,地电波检测设备大多为国外进口设备重庆大学对地电波的幅值与放电源的强弱的关系进行仿真,并研究出两者的联系。高电压与电磁兼容北京市重点实验室用标准信号发生器向GIS的导电杆与外壳之间注人标准的正弦波,研究了检测幅值与正弦波之间的关系;保定天威新域公司研发的OLM0402高压开关及开关柜系统可及时对其绝缘异常状态和放电性故障做出预警。但是,目前各运行单位判断高压开关柜局部放电数据正常与否,还是以借鉴国外的经验为主。对于国内的各个地区来说,现行的经验阈值可能或宽或严,尚无从知晓。这十分不利于该项技术的本地化和实用化,另外,各地区的运行高压开关柜局部放电总体水平研究也十分缺乏。为此,从现场大量测试数据的角度,有必要深人分析运行高压开关柜局部放电测试值分布特性,以便从宏观上掌握运行高压开关柜绝缘健康水平。

            为此,文中以30 773组运行高压开关柜局部放电数据为基础,研究高压开关柜局部放电测试值的经验累计分布函数。在此基础上,进行不同测试环境、不同生产厂家、不同运行时间、不同结构设计、不同元器件等11个维度的经验累计分布函数差异比较,研究高压开关柜结构、运行环境、老旧水平等内部因素对局部放电测试值分布特征的影响规律,为采取更加合理的决策和有效的运维提供思路和建议。

            地电波检测

            1.1 检测原理

            当发生局部放电时,电磁波向四周传播,在金属壳内表面形成电荷的短时重新分布,在集肤效应作用下会在金属壳相同区域的外表面形成同样的电荷短时重新分配,形成的脉冲电流最终注人地网,而在这一过程中金属壳表面将产生暂态对地电位的变化。利用容性探头即可检测到这些暂态电位的变化,并以此间接反映开关柜内部放电的情况,上述方法筒称为地电波测量法。开关柜局部放电现场巡检测试采用Ultra TEV Plus+检测系统,其有效检测频带为3~80 MHz。该仪器检测结果中,地电波检测结果的单位为dB mV(简写为dB)

            1.2 检测位置

            开关柜局部放电现场检测位置包括开关柜前、后以及每面幵关柜上、中、下共5个部位,见图1。测量前需记录高压室的环境温度及湿度,并应记录检测系统置于空气中和贴近附近金属表面时的地电波幅值作为背景干扰水平。测量时将检测系统传感器置于开关柜上的5个不同位置,测量后记录地电波幅值。


            图1  测量示意图

            1.3 数据收集

            记录高开关柜局部放电的地电波幅值,总体样本为30 773组,其中201120122013年的测试样本分别为10925102609588组。为研究不同测量因素对测试结果的影响,分别记录了不同测试部位、测试环境、运行时间及开关柜结构等11个因素下的样本地电波幅值。

            经验累计分布特性

            2.1 数据分析方法

            为了解总体X的分布形式,根据样本观测值想x1,x2,…,xn构造一个函数Fn(x)来近似总体X的分布函数,函数Fn(x)称为经验分布函数。其构造方法是,将样本观测值x1,x2,…,xn按从小到大可排成x1x2,…≤xn,定义为



            Fn(x)只在x=x(k)(k=1, 2, …, n)处有跃度为1/n的间断点,若有1个观测值相同,则Fn(x)在此观测值处的跃度为1/ n。对于固定的xFn(x)即表示事件{Xx}在n次试验中出现的频率,即

                   (2)中,k为落在(-∞,x)中xi的个数。 

            2.2  经验累计分布图谱

            由式(1)、(2),根据统计得到的样本地电波测试值,计算出地电波水平低于某特定值的频率,作出曲线图见图2。该曲线稳定性、平滑性较好,其概率密度函数符合Gamma分布特征。图2中,横坐标表示地电波测试值,纵坐标表示分布概率。对于图2中特定点4表示,地电波测试值低于32 dB的样本占总测试样本的95%,即约5%的样本地电波测试值超过32dBB点表示,地电波测试值低于23dB的样本占总测试样本的90%,即约10%的样本地电波测试值超过32dBC点表示,地电波测试值低于13dB的样本占总测试样本的75%,即约25%的样本地电波测试值超过13dB


              

            经验累计分布函数

            3统计结果与分析

            3.1总体分布

            2011、2012及2013年的测试样本数分别为10925、10260及9588。以这3年的局部放电数据记录为基础建立的相应的经验累计分布曲线见图3。


              

            总体经验累计分布函数


            根据5%10%25%划分依据,由图3得出分布概率超过5%10%25%地电波测试样本分布所对应的门槛值见表1


            地电波测试样本分布门槛值

             


            由表1可知,分布概率超5%、10%25%地电波测试样本分布门槛值在2011年、2012年及2013年的差异不明显。这说明,2011年、2012年及2013年,局部放电水平接近,该地区高压室开关柜局部放电地电波测试值样本的统计活动规律较为稳定。为后续分析提供了基础。

            3.2 不同测试条件的影响

            为研究不同测试条件对测试结果的影响,文中 分別认测试部位、温度、湿度及背景等4个方面进行 分析:

            3.2.1 不同靶试部位

            测试部位主要考虑测试位置与测试介质的影响:以每一面开关柜的前面中部、后面上中下部的4组局部放电现场测试读数为基础,其样本数分别为36528、35845 32100及36323建立相应的经验累计分布曲线见图4。

              

            不同检验部位的累积分布函数


            以开关柜、空气背景,金属背景的读数为基础,其样本数分别为26598、26478及28162,建立相应 的经验累计分布曲线见图5。


              

            不同测试介质的经验累计分布函数


            由图4、图5得出分布概率超5%10%25%地电波测试样本分布门槛值见表2

            表2  不同检测部位下地电波测试样本分布门槛值


            由表2可知,分布概率超5%、10%、25%地电波测试样本分布门槛值在不同检测位置比较接近,而介质对测试结果影响较大。测试样本的经验累计分布函数曲线(所有检测曲线)略高于仪器置于附近金属上时所得读数的经验曲线(金属面检测曲线),幅值差约2dB仪器置于空气中读数与开关柜地电波测试值其两者的经验累计分布曲线差异见图6。结果表明,两者的差异特征呈现阶梯变化趋势,即局部放电活动越强烈,则开关柜地电波测试值与仪器置于空气中读数差值也越明显。当开关柜地电波测试值与仪器置于空气中读数差值超5dB的样本约占60%。


            图6  两种经验累积分布曲线的差异特征

            3.2.2 不同环境温度

                以30以上、2030 、20以下的3组局部放电现场测试读数为基础,其地电波测试值样本个数分别为3587、17352及9141,建立相应的经验累 计分布曲线,见图7。

                由图7得出分布概率超5%、10%、25%地电波测 试样本分布门槛值见表3。


            不同环境温度下的经验累计分布函数


            不同环境温度下地电波测试样本分布门槛值



            由表3可知,2030 、20以下的局部放电现场测试读数的经验累计分布曲线无显著差异,而30以上的局部放电现场测试读数的经验累计分布曲线要略高于其它条件。

            3.2.3 不同环境湿度

            以80%以上、60%~80%、50%~60%、50%以下的4组局部放电现场测试读数样本为基础,其地电波测试值样本个数分别为1253、16621、8834及4920,建立相应的经验累计分布曲线,见图8。


               

            图8  不同环境温度下的经验累积分布函数


            由图8得出分布概率超5%10%25%地电波测 试样本分布门槛值见表4

            4说明,60%~80%、50%~60%、50%以下的3组局部放电现场测试读数的门槛值无显著差异,而80%以上湿度范围的局部放电现场测试读数的门槛值要高于其他条件。对绝缘或导体表面的隐患,高湿环境更容易激发绝缘表面、导体表面毛刺类型的局部放电活动,是造成80%以上湿度范围的局部放电现场测试读数经验累计分布曲线要高于其他条件的主要原因。


            表4  不同环境湿度下地电波测试样本分布门槛值

            3.2.4 不同测试背景

            以不同的空气中读数、不同的金属背景读数等6组局部放电现场测试读数为基础,建立相应的经验累计分布曲线,见图9、10。


            图9  不同空气背景下的经验累计分布函数

             

              

            图10  不同金属背景下的经验累积分布函数


            其中,当空气中的读数处于010dB、1020dB及20dB以上范围时的开关柜地电波测试值样本个分别为23906、1867及825。当金属背景上的读数处于0~10dB、1020dB20dB以上范围时的关柜地电波测试值样本个数分别为20359、4 5772723。由图9、10得出分布概率超5%、10%、25%地电波测试样本分布门槛值见表5。

             

            不同测试背景下地电波测试样本分布门槛值

             

             

            5说明,不同测试背景对测试读数具有较大影响,背景范围越大,测试值越高;同一测试背景范围内,空气中读数比金属背景上的读数大。

             

            3.3 开关柜的影响

            为研究不同开关柜自身条件对检测结果的影响,分别从运行时间、结构设计、元器件及生产厂家 等4个方面进行分析。

            3.3.1不同运行时间

            5年以内、5?10年、10?15年的3组局部放电现场测试读数为基础,其地电波测试值样本个数分别为9553162485189,建立相应的经验累计分布曲线,见图11


              

            图11  不同运行时间的经验累积分布函数


            由图11得出分布概率超5%、10%、25%地电波 测试样本分布门槛值见表6。


            表6  不同运行时间下地电波测试样本分布门槛值

              

             

            表6说明,开关柜局部放电现场测试读数的经验累计分布曲线与运行时间长短有相关性。运行时间长的开关柜局部放电现场测试读数分布门槛值要高于运行时间短的分布门槛值:另一方面,运行时间越长,开关柜内积灰、积尘等现象越明显:一方面,老旧开关柜长期运行后,绝缘材料因老化、劣化等原因,局部更加容易激发出局部放电活动。

            3.3.2 不同结构设计

            KYNXGNZN等3种型号的局部放电现场测试读数为基础,其地电波测试值样本个数分别为3913、8791及3206,建立相应的经验累计分布曲线,见图12。


               

            图12  不同结构设计的经验累积分布函数


            由图12得出分布概率超5%、10%、25%地电波 测试样本分布门槛值见表7。表7说明,局部放电现 场测试读数的分布门槛值与开关柜的结构设计有 关。XGN型开关柜的局部放电现场测试读数的分 布门槛值要高于KYNZN型开关柜的分布门槛 值。箱式固定柜(XGN型)主要特点是结构简单、工 艺要求低、规定高度和宽度偏大,而铠装式开关柜 (KYNZN型)主要特点是结构紧凑、尺寸精度高、柜 内各部件封闭性好。所以,分析认为造成XGN型开 关柜的局部放电现场测试读数的分布门槛值要高 于KYNZN型开关柜的主要原因之一可能是后者 内部金属隔板多、对信号的屏蔽作用要更明显。


            不同结构设计下地电波测试样本分布门槛值

               

            3.3.3 不同元器件

            以曲折变柜、站用变柜、断路器柜、PT柜、CT柜等5组局部放电现场测试读数为基础,其地电波测试值样本个数为729、1148、3821、1178、2212,建 立相应的经验累计分布曲线,见图13。


              

            图13  不同元器件的经验累积分布函数


            由图13得出分布概率超5%、10%、25%地电波测试样本分布门槛值见表8.


            表8  不同元器件下地电波测试样本分布门槛值

             

             

            表8说明,PT柜局部放电现场测试读数的分布门槛值与其它柜有较大差异。PT柜的局部放电现场测试读数的分布门槛值要高于曲折变柜、站用变柜等的分布门槛值。

            3.3.4 不同生产厂家

            以汕头某电气、厦门某公司、某合资企业、常州某厂、珠江某开关厂、厦门某厂、广州某电器及日本某企业等8个生产厂家的局部放电现场测试读数样本为基础,其测试值样本个数为6002、5703、2683、 2683、2222、1957、1814及1648,建立相应的经验 累计分布曲线,见图14。


              

            图14不同生产厂家的经验累计分布函数


            由图14得出超5%、10%、25%地电波测试样本分布门槛值见表9。


            表9不同生产厂家下地电波测试样本分布门檻值

             

             

            9说明,汕头某电气、广州某电器本某企业、珠江某开关厂的局部放电现场测试读数的分布门槛值要明显高于其他生产厂家,尤其以汕头某电气最为明显。除上述4个生产厂家之外,其他4个生产厂家的局部放电现场测试读数的分布门槛值接近。造成上述差异的原因主要是组装工艺水平、 元器件材质质量等。

            3.4 影响因素分析

            为更好地比较各维度下曲线的差异性,选取了累计概率的3个点5%、10%、25%下的地电波幅值作为比较对象。不同维度下5%、10%、25%下的地电波幅值分布见图15。


               

            15  不同统计维度下的典型经验累计概率雷达图分布


            从图15中可看出,XGN型号开关柜、环境温度高于30℃、环境湿度高压80%、汕头某电气、广州某电器、PT柜、运行时间在10年以上等7个因素对经验累计分布规律有较明显的影响。这些因素对全 面、害观评价开关柜局放水平有重要参考价值。

            4 结论

            建立了高压开关柜局部放电地电波现场测试值的经验累计分布函数,该曲线稳定性、平滑性较好,其概率密度函数符合gamma分布特征。比较了不同测试环境、不同生产厂家、不同运行时间等11个维度的经验累计分布函数差异,得出以下结论:

            1)不同测试位置对地电波现场测试值影响较小,但测试介质、温度、湿度及背景对测试结果具有较大影响。金属背景上的测试值与开关柜上的测试值差值较小,环境温度、湿度及背景噪声越大,测试值越大。该结果有利于优化运维人员现场检测流程,提高检测效率。

            2)运行时间、结构设计、元器件及生产厂家对测试结果也具有较大影响。运行时间越久,测试结果越大。该结果有利于运维人员建立差异化的检测方案,提高运维针对性。

            3XGN型号开关柜、环境温度高于30环境湿度高于80%、汕头某电气、广州某电器、PT柜、运行时间在10年以上等7个因素对经验累计分布规律有较明显的影响。这些因素对全面、客观评价开 关柜局部放电水平有重要参考价值。

            4)通过建立本地区高压开关柜局部放电地电波现场测试值的经验累计分布函数,可以进一步指导和优化目前国内现行的判断标准,使之更加符合本地区的特点和实际。

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