寧宇，熊俊
(南方電網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柜局放狀態判斷的準確性。文中以36 628組在運行高壓開關柜局放實測數據為分析對象，建立了高壓開關柜局部放電地電波法現場測試值的經驗累計分右特性，其概率密度函數符合Gamma分布特征，并且，統計得出本地區數據庫中分布概率超過5%、10%、25%地電波測試值樣本分布所對應的經驗閾值分別為32、23、13dB。分析表明，環境濕度、運行時間及柜體結構等7個因素對經驗累計分布特性影響較大。上述結果為掌握高壓開關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。
關鍵詞：高壓開關柜；局部放電；地電波；經驗累計分布函數；經驗閾值
0 引言
高壓開關柜是電力系統中用量最大的高壓設備之一。其內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，從而直接影響電網的安全可靠運行，而測量局部放電特性可以提前暴露設備局部絕緣隱患。暫態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點，被廣泛應用于高壓開關柜的局部放電在線或帶電檢測。
地電波檢測技術(TEV)誕生于英國，EA公司最早將其應用于開關柜局部放電檢測，能夠有效的診斷設備的絕緣裂化過程及故障情況。國外供電企業對TEV進行局部放電的研究發展較快，新加坡新能源電網公司最早將TEV測量技術用于電網，它采用Ultra TEV及PDL1型便攜式局放定位儀和PDM03局放檢測儀進行局放檢測定位，能夠發現大量設備內部絕緣缺陷，此外，澳大利亞、英國等國家的電網公司也進行了較多的實踐。國內對地電波技術的研究仍處于初級階段，地電波檢測設備大多為國外進口設備重慶大學對地電波的幅值與放電源的強弱的關系進行仿真，并研究出兩者的聯系。高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室用標準信號發生器向GIS的導電桿與外殼之間注人標準的正弦波，研究了檢測幅值與正弦波之間的關系；保定天威新域公司研發的OLM0402高壓開關及開關柜系統可及時對其絕緣異常狀態和放電性故障做出預警。但是，目前各運行單位判斷高壓開關柜局部放電數據正常與否，還是以借鑒國外的經驗為主。對于國內的各個地區來說，現行的經驗閾值可能或寬或嚴，尚無從知曉。這十分不利于該項技術的本地化和實用化，另外，各地區的運行高壓開關柜局部放電總體水平研究也十分缺乏。為此，從現場大量測試數據的角度，有必要深人分析運行高壓開關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柜絕緣健康水平。
為此，文中以30 773組運行高壓開關柜局部放電數據為基礎，研究高壓開關柜局部放電測試值的經驗累計分布函數。在此基礎上，進行不同測試環境、不同生產廠家、不同運行時間、不同結構設計、不同元器件等11個維度的經驗累計分布函數差異比較，研究高壓開關柜結構、運行環境、老舊水平等內部因素對局部放電測試值分布特征的影響規律，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
當發生局部放電時，電磁波向四周傳播，在金屬殼內表面形成電荷的短時重新分布，在集膚效應作用下會在金屬殼相同區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，而在這一過程中金屬殼表面將產生暫態對地電位的變化。利用容性探頭即可檢測到這些暫態電位的變化，并以此間接反映開關柜內部放電的情況,上述方法筒稱為地電波測量法。開關柜局部放電現場巡檢測試采用Ultra TEV
Plus+檢測系統，其有效檢測頻帶為3～80
MHz。該儀器檢測結果中，地電波檢測結果的單位為dB
mV(簡寫為dB)。
1.2 檢測位置
開關柜局部放電現場檢測位置包括開關柜前、后以及每面幵關柜上、中、下共5個部位，見圖1。測量前需記錄高壓室的環境溫度及濕度，并應記錄檢測系統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。測量時將檢測系統傳感器置于開關柜上的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 數據收集
記錄高開關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果的影響，分別記錄了不同測試部位、測試環境、運行時間及開關柜結構等11個因素下的樣本地電波幅值。
2 經驗累計分布特性
2.1 數據分析方法
為了解總體X的分布形式，根據樣本觀測值想x1,x2,…,xn構造一個函數Fn(x)來近似總體X的分布函數，函數Fn(x)稱為經驗分布函數。其構造方法是，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次試驗中出現的頻率，即
式(2)中，k為落在(-∞，x)中xi的個數。
2.2 經驗累計分布圖譜
由式（1）、（2），根據統計得到的樣本地電波測試值，計算出地電波水平低于某特定值的頻率，作出曲線圖見圖2。該曲線穩定性、平滑性較好，其概率密度函數符合Gamma分布特征。圖2中，橫坐標表示地電波測試值，縱坐標表示分布概率。對于圖2中特定點4表示，地電波測試值低于32
dB的樣本占總測試樣本的95%,即約5%的樣本地電波測試值超過32dB；B點表示，地電波測試值低于23dB的樣本占總測試樣本的90%,即約10%的樣本地電波測試值超過32dB；C點表示，地電波測試值低于13dB的樣本占總測試樣本的75%，即約25%的樣本地電波測試值超過13dB。
圖2 經驗累計分布函數
3統計結果與分析
3.1總體分布
2011、2012及2013年的測試樣本數分別為10925、10260及9588。以這3年的局部放電數據記錄為基礎建立的相應的經驗累計分布曲線見圖3。
圖3 總體經驗累計分布函數
根據5%、10%及25%劃分依據，由圖3得出分布概率超過5%、10%、25%地電波測試樣本分布所對應的門檻值見表1。
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%、10%、25%地電波測試樣本分布門檻值在2011年、2012年及2013年的差異不明顯。這說明，2011年、2012年及2013年，局部放電水平接近，該地區高壓室開關柜局部放電地電波測試值樣本的統計活動規律較為穩定。為后續分析提供了基礎。
3.2 不同測試條件的影響
為研究不同測試條件對測試結果的影響，文中 分別認測試部位、溫度、濕度及背景等4個方面進行
分析：
3.2.1 不同靶試部位
測試部位主要考慮測試位置與測試介質的影響：以每一面開關柜的前面中部、后面上中下部的4組局部放電現場測試讀數為基礎，其樣本數分別為36528、35845 32100及36323，建立相應的經驗累計分布曲線見圖4。
圖4 不同檢驗部位的累積分布函數
以開關柜、空氣背景，金屬背景的讀數為基礎，其樣本數分別為26598、26478及28162,建立相應
的經驗累計分布曲線見圖5。
圖5 不同測試介質的經驗累計分布函數
由圖4、圖5得出分布概率超5%、10%、25%地電波測試樣本分布門檻值見表2。
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，而介質對測試結果影響較大。測試樣本的經驗累計分布函數曲線(所有檢測曲線)略高于儀器置于附近金屬上時所得讀數的經驗曲線(金屬面檢測曲線),幅值差約2dB。儀器置于空氣中讀數與開關柜地電波測試值其兩者的經驗累計分布曲線差異見圖6。結果表明，兩者的差異特征呈現階梯變化趨勢，即局部放電活動越強烈，則開關柜地電波測試值與儀器置于空氣中讀數差值也越明顯。當開關柜地電波測試值與儀器置于空氣中讀數差值超5dB的樣本約占60%。
圖6 兩種經驗累積分布曲線的差異特征
3.2.2 不同環境溫度
以30℃以上、20～30 ℃、20℃以下的3組局部放電現場測試讀數為基礎，其地電波測試值樣本個數分別為3587、17352及9141,建立相應的經驗累
計分布曲線，見圖7。
由圖7得出分布概率超5%、10%、25%地電波測 試樣本分布門檻值見表3。
圖7 不同環境溫度下的經驗累計分布函數
表3 不同環境溫度下地電波測試樣本分布門檻值
由表3可知，20～30 ℃、20℃以下的局部放電現場測試讀數的經驗累計分布曲線無顯著差異，而30℃以上的局部放電現場測試讀數的經驗累計分布曲線要略高于其它條件。
3.2.3 不同環境濕度
以80%以上、60%～80%、50%～60%、50%以下的4組局部放電現場測試讀數樣本為基礎，其地電波測試值樣本個數分別為1253、16621、8834及4920,建立相應的經驗累計分布曲線，見圖8。
圖8 不同環境溫度下的經驗累積分布函數
由圖8得出分布概率超5%、10%、25%地電波測
試樣本分布門檻值見表4。
表4說明，60%～80%、50%～60%、50%以下的3組局部放電現場測試讀數的門檻值無顯著差異，而80%以上濕度范圍的局部放電現場測試讀數的門檻值要高于其他條件。對絕緣或導體表面的隱患，高濕環境更容易激發絕緣表面、導體表面毛刺類型的局部放電活動，是造成80%以上濕度范圍的局部放電現場測試讀數經驗累計分布曲線要高于其他條件的主要原因。
表4 不同環境濕度下地電波測試樣本分布門檻值
3.2.4 不同測試背景
以不同的空氣中讀數、不同的金屬背景讀數等6組局部放電現場測試讀數為基礎，建立相應的經驗累計分布曲線，見圖9、10。
圖9 不同空氣背景下的經驗累計分布函數
圖10
不同金屬背景下的經驗累積分布函數
其中，當空氣中的讀數處于0～10dB、10～20dB及20dB以上范圍時的開關柜地電波測試值樣本個數分別為23906、1867及825。當金屬背景上的讀數處于0～10dB、10～20dB及20dB以上范圍時的開關柜地電波測試值樣本個數分別為20359、4 577及2723。由圖9、10得出分布概率超5%、10%、25%地電波測試樣本分布門檻值見表5。
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，不同測試背景對測試讀數具有較大影響，背景范圍越大，測試值越高；同一測試背景范圍內，空氣中讀數比金屬背景上的讀數大。
3.3 開關柜的影響
為研究不同開關柜自身條件對檢測結果的影響，分別從運行時間、結構設計、元器件及生產廠家
等4個方面進行分析。
3.3.1不同運行時間
以5年以內、5?10年、10?15年的3組局部放電現場測試讀數為基礎，其地電波測試值樣本個數分別為9553、16248及5189,建立相應的經驗累計分布曲線，見圖11。
圖11 不同運行時間的經驗累積分布函數
由圖11得出分布概率超5%、10%、25%地電波 測試樣本分布門檻值見表6。
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，開關柜局部放電現場測試讀數的經驗累計分布曲線與運行時間長短有相關性。運行時間長的開關柜局部放電現場測試讀數分布門檻值要高于運行時間短的分布門檻值：另一方面，運行時間越長，開關柜內積灰、積塵等現象越明顯：一方面，老舊開關柜長期運行后，絕緣材料因老化、劣化等原因，局部更加容易激發出局部放電活動。
3.3.2 不同結構設計
以KYN、XGN、ZN等3種型號的局部放電現場測試讀數為基礎，其地電波測試值樣本個數分別為3913、8791及3206,建立相應的經驗累計分布曲線，見圖12。
圖12 不同結構設計的經驗累積分布函數
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
場測試讀數的分布門檻值與開關柜的結構設計有 關。XGN型開關柜的局部放電現場測試讀數的分 布門檻值要高于KYN、ZN型開關柜的分布門檻 值。箱式固定柜(XGN型)主要特點是結構簡單、工 藝要求低、規定高度和寬度偏大，而鎧裝式開關柜 (KYN、ZN型)主要特點是結構緊湊、尺寸精度高、柜 內各部件封閉性好。所以，分析認為造成XGN型開 關柜的局部放電現場測試讀數的分布門檻值要高 于KYN、ZN型開關柜的主要原因之一可能是后者 內部金屬隔板多、對信號的屏蔽作用要更明顯。
表7 不同結構設計下地電波測試樣本分布門檻值
3.3.3 不同元器件
以曲折變柜、站用變柜、斷路器柜、PT柜、CT柜等5組局部放電現場測試讀數為基礎，其地電波測試值樣本個數為729、1148、3821、1178、2212,建
立相應的經驗累計分布曲線，見圖13。
圖13 不同元器件的經驗累積分布函數
由圖13得出分布概率超5%、10%、25%地電波測試樣本分布門檻值見表8.
表8 不同元器件下地電波測試樣本分布門檻值
表8說明，PT柜局部放電現場測試讀數的分布門檻值與其它柜有較大差異。PT柜的局部放電現場測試讀數的分布門檻值要高于曲折變柜、站用變柜等的分布門檻值。
3.3.4 不同生產廠家
以汕頭某電氣、廈門某公司、某合資企業、常州某廠、珠江某開關廠、廈門某廠、廣州某電器及日本某企業等8個生產廠家的局部放電現場測試讀數樣本為基礎,其測試值樣本個數為6002、5703、2683、
2683、2222、1957、1814及1648,建立相應的經驗 累計分布曲線，見圖14。
圖14不同生產廠家的經驗累計分布函數
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、珠江某開關廠的局部放電現場測試讀數的分布門檻值要明顯高于其他生產廠家，尤其以汕頭某電氣最為明顯。除上述4個生產廠家之外，其他4個生產廠家的局部放電現場測試讀數的分布門檻值接近。造成上述差異的原因主要是組裝工藝水平、
元器件材質質量等。
3.4 影響因素分析
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%、10%、25%下的地電波幅值分布見圖15。
圖15 不同統計維度下的典型經驗累計概率雷達圖分布
從圖15中可看出，XGN型號開關柜、環境溫度高于30℃、環境濕度高壓80%、汕頭某電氣、廣州某電器、PT柜、運行時間在10年以上等7個因素對經驗累計分布規律有較明顯的影響。這些因素對全
面、害觀評價開關柜局放水平有重要參考價值。
4 結論
建立了高壓開關柜局部放電地電波現場測試值的經驗累計分布函數,該曲線穩定性、平滑性較好,其概率密度函數符合gamma分布特征。比較了不同測試環境、不同生產廠家、不同運行時間等11個維度的經驗累計分布函數差異，得出以下結論：
1）不同測試位置對地電波現場測試值影響較小，但測試介質、溫度、濕度及背景對測試結果具有較大影響。金屬背景上的測試值與開關柜上的測試值差值較小，環境溫度、濕度及背景噪聲越大，測試值越大。該結果有利于優化運維人員現場檢測流程，提高檢測效率。
2）運行時間、結構設計、元器件及生產廠家對測試結果也具有較大影響。運行時間越久，測試結果越大。該結果有利于運維人員建立差異化的檢測方案，提高運維針對性。
3）XGN型號開關柜、環境溫度高于30℃、環境濕度高于80%、汕頭某電氣、廣州某電器、PT柜、運行時間在10年以上等7個因素對經驗累計分布規律有較明顯的影響。這些因素對全面、客觀評價開 關柜局部放電水平有重要參考價值。
4）通過建立本地區高壓開關柜局部放電地電波現場測試值的經驗累計分布函數，可以進一步指導和優化目前國內現行的判斷標準，使之更加符合本地區的特點和實際。
