25-26.安徽合电正泰电气成套设备有限公司合电正泰QC小组

2019年度QC成果

申报材料研制高压开关柜局放在线监测仪

安徽合电正泰电气成套设备有限公司

合电正泰QC小组

二〇一九年三月

一、小组概况

1、小组注册及活动情况

表1 小组注册及活动情况

2、小组成员及分工

表2 小组成员情况

二、选择课题

1、提出需求

高压开关柜是城市配电网中重要基础设施，其运行的稳定性直接影响到城市经济的发展,人民生活水平质量的提高，因此，开关柜设备的可靠性直接决定了用户供电的可靠性。随着设备运行时间的增加，设备的可靠性在逐年降低，一旦开关柜出现故障将导致严重后果，如开关柜爆炸导致供电中断，影响电网供电可靠性; 或引发火灾事故，造成重大经济损失等。

近年国网10kV开关设备故障类型统计结果

根据统计绝缘与载流故障约占66%，而绝缘与载流故障都是与放电现象密切相关的，因此对中压开关设备实施放电检测可显著减少故障概率！

现阶段，在缺乏有效检测的情况下，设备局部放电不能引起相关部门的重视，这既是设备故障的征兆，也是造成绝缘劣化的重要原因，而常规的非耐压和耐压试验难以发现局部放电这类绝缘缺陷，一旦局部放电将导致电力设备绝缘的劣化和缺陷的恶性循环，严重时甚至会导致绝缘事故。

以下是系统内发生的一起110kV变电站室内10kV开关柜短路停电事故案例。

设备损坏情况：10kVⅢ段母线主变进线柜与10kV1号站用变柜之间穿墙套管三相烧焦，母线排三相均烧熔了三分之一，呈圆弧型缺口，断路器支柱瓷瓶被电弧烧伤。

被烧熔的母排被电弧烧焦的套管

原因分析：

10kV开关柜内及母线套管灰尘太多，造成绝缘下降，引起局部放电直至绝缘击穿，产生间歇性弧光接地导致过电压，最终造成母线三相短路。

开关柜实物照片

对全封闭的 35kV、10kV 开关柜内设备发生放电、发热等，由于设备是全封闭的，运行人员眼睛不能有效观察到设备隐患，不能及时发现设备缺陷，所以要定期开展对全封闭的开关柜内设备进行局部放电监测，及时发现设备缺陷，及时消除，避免事故造成的设备损坏、影响对用户的正常供电。

针对设备安全及上级部门要求，现需研制一款高压开关柜局部放电在线监测仪。

2、局部放电检测方法分析

根据高压开关柜局部放电产生的各种物理、化学现象，如电荷的交换，发射电磁波、声波、发热、光、产生分解物等，可以有很多测量局部放电的方法。总的来说可分为电磁检测法和非

电磁检测法两大类。

一、电磁检测法

局部放电最直接的现象即引起电极间的电荷移动。每一次局部放电都伴有一定数量的电荷通过电介质，引起试样外部电极上的电压变化。常见的检测方法有脉冲电流法、无线电干扰法、介质损耗分析法等。

二、非电磁检测法

局部放电发生时，常伴有光、声、热等现象的发生，对此，局部放电检测技术中也相应出现了光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。

三、电磁检测法与非电磁检测法的对比

总之，单一的运用某种检测方法，存在着一定局限性，并不能全面、客观、真实的反映被检设备的运行状况，有时甚至出现误判断。唯有综合运用不同的检测方法，通过相关软件对测试数据进行专业分析才能做到对设备运行状况最客观的评估，从而做出合理的决策。

所以声（非电）－电联合测试是开关柜局部放电检测的最佳选择！

3、提出观点

本项目开发的是一套用于探测、分析并连续监测高压开关柜中局部放电信号的在线监测装置。

a）由TEV传感器、超声波传感器、监测终端和现场数据采集服务器够成。

其中TEV传感器用于接收局部放电在开关柜柜壁产生的暂态对地电压信号；超声波传感器用于接收局部放电在空间产生的超声波信号；

b）监测终端用于两路传感器信号的连续实时采集、数字化处理，现场报警等，并与现场数据采集服务器通信，完成数据上传；

现场数据采集服务器用于连续采集、存储监测终端所上传的数据，将数据打包、加密，并与位于监管中心的数据库服务器通信，完成数据上传。

4、课题查新

在确定课题前，小组对高压开关柜局部放电在线监测仪产品或文献进行。利用中国知网，IEEE期刊网、中国学术期刊网、维普资讯等文献数据库进行了相关文献搜索，检索词如下：局放检测、在线检测、开关柜局放检测，检索出3篇可借鉴文献，分别为《局部放电测试方法》，《开关柜局放带电检测案例汇编》，《局部放电监测系统的原理与应用》。

制表人：戈庆长制表时间：2018-04-06

查新内容一览表

制表人：戈庆长制表时间：2018-04-06

5、形成创新思路

通过对以上3个文献进行对比分析，小组成员分别借鉴声－电联合检测、柜内信号采集采、高真信号放大传输、仿真处理来解决高压开关柜的局放在线检测。

6、确定课题

研制高压开关柜局放在线监测仪

三、设定目标及目标可行性分析

1、设定目标

开关柜局部放电监测装置信号采集准确，信号经过滤和放大运算后能正确监测开关柜局部放电现象。

2、目标可行性分析

在《研制高压开关柜局部放电在线监测仪》中，主要所需的技术关键点是信号采集，信号数据处理，信号数据分析；这些技术关键点，在借鉴中均有明确方案。

技术方案可行性分析表

制表人：程小明制表时间：2018-04-13

借鉴这些思路，及小组在人员和资金上得到充足保障，以往的技术经验能为实现技术指标奠定基础课题具有可行性。

人力资源与资源可行性分析

制表人：曹祥制表时间：2018-04-13

四、提出方案并确定最佳方案

1、研制难点

①信号采集方式与过滤。

②信号采集传输放大不失真。

③数据处理结果必须与实验结果一致

2、方案提出及选择

在设计初期，我们小组根据每条研制难点设计两种方案，通过实验及数据对比来确定最终的研究方案

图 1 方案分解图

制图：陈媛媛制表日期：2018年4月28

a）信号采集方案方案选择表：

方案需求信号采集装置应安装方便，信号采集准确，能过滤干扰信号，且不影响高压柜现有结构，便于老式开关柜改造

备选方案

方案一：方案二：

传统高压电容传感器高频耦合电容器

原理描述

电容器容抗Xc的大小取决与电流

的频率f和电容器的容量C：Xc=1/(2

πfC)，高频载波信号通常使用的频率

为30~500kHz，对于50Hz的工频来说，

耦合电容器呈现的阻抗要比高频信号

呈现的阻抗值大600~1000倍，基本上

相当于开路，而对于高频信号来说，则

相当于短路。耦合电容器既可作为载波

高频信号的通道，又可阻断工频高压大

电流。耦合电容器可抽取50Hz的电压，

其原理与电容式电压互感器相同。

高频耦合电容器是结合滤波器、阻波

器一起使用的。结合设备接在耦合电容器

的低电压端和连接电力线载波机的高频电

缆之间；或者在桥路情况下，直接或经过

附加设备接往另一台结合设备。结合设备

经耦合电容器与电力线的一相或多相导线

耦合。相地耦合、相相耦合是最普遍的耦

合方式。这种方式的特点：

（1）既能使高压强电与高频设备进一步隔

离，并抑制其它频率信号的干扰，又能使

高频通路的输入阻抗与高频电缆的输入阻

抗相匹配，以利于高频信号的传输。

（2）通过结合滤波器、阻波器还能使经过

耦合电容器泄漏的高压工频电流可靠接地

保障高频设备的安全。

成本280（元）500（元）

关键技术指标对比1. 参考容值：18 PF

2. 额定电压： 10 kV

3. 检测带宽： 5MHz 至 50MHz

4. 匹配阻抗： 50欧姆

5. 连接电缆：同轴电缆

6. 安装位置：母线室母线排

1. 参考容值： 8~200 PF

2. 额定电压： 48V

3. 检测带宽： 10MHz 至 100MHz

4. 匹配阻抗： 50欧姆

5. 连接电缆：同轴电缆

6. 使用寿命：大于30年

7. 安装位置：母线室

结论1. 传统高压电容传感器安装采集信号需要与相序母线配套使用3只，体积大，其安装位置受现有开关柜空间限制，且涉及检测设备自身绝缘问题。尤其是在老式开关柜监测改造中十分不便利。

2. 高频耦合电容器安装1个在电缆室室柜体壁板上，由于其不需要与一次侧直接耦合安装，所以安装位置灵活；由于安装空间灵活，其耦合电容值可以跟采样对象调整，使之配合滤波器和阻波器能更高效。

3. 根据局放监测实际应用情况，专用高频耦合电容器更符合产品设计需求。

方案1不采用方案2采用

b）信号放大方案

信号放大方案选择表：

方案

需求

信号放大不失真

方案

方案1.共发射极接法的晶体管小信号调谐回路谐振放大器

方案 2. 采用两个高精度OP放大器组成双端输出双端输入的组合式放大器

验证对象电源电压V

=，负载电阻Ω

中心频率MHz

f10

=，电压增益)

(

35倍

∑，通频带

MHz

?。

实验原理

方案1：

高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大系数Avo，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1），采用3-2-1所示电路可以粗略测各项指标。

图3-2-1

输入信号由高频小信号发生器提供，高频电压表，分别用于测量输入信号与输出信号的值。直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流的值，示波器监测负载两端输出波形。谐振放大器的性能指标及测量方法如下。

放大器的谐振回路谐振时所对应的频率称为谐振频率。的表达式为：

式中，L为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；为谐路的总电容，的表达式为：

式中，为晶体管的输出电容；为晶体管的输入电容。

谐振频率的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容C或电感L使回路谐振。LC 并联谐振时，直流毫安表mA的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表指示值达到最大，且输出波形无明显失真。这时回路谐振频率就等于信号发生器的输出频。

图3-2

由BW得表达式可知：

通频带越宽的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频带，同时又能提高放大器的电压增益，由式可知，除了选用较大的晶体管外，还应尽量减少调谐回路的总电容量。

方案2：

电路前级放大仍采用两运放相同输入法组成，采用双端输出双端输入，能有效地控制共模抑制比。第一级放大采用差分输入，减少了电路零漂的影响，

能够有效地提高电路的共模抑制能力。然后再通过A3信号实现双端输入信号到

单端输出的转变。为了在节约成本同时提高电路的共模抑制能力，A3仍采用

OP07。同时加入了凋零电路来提高其共模抑制能力以及精准度，用可变电阻R7

与固定电阻R6串联后与R5进行匹配，保证了电路的对称性，从而减少温度漂

移对实验的影响，然后再接一级比例放大，通过对电阻R12的的调节实现对整

个电路的放大倍数的改变。经过实验仿真，基本符合要求。对于扩展部分，可

以将用一个电阻网络替换电阻R12，用单片机控制其阻值即可大道放大倍数的调

节。

功率

器件

高频三极管 3DG6 集成运放OP07

输入输出隔离

高频小信号谐振放大器的输入耦

合回路通常是指变压器耦合的谐振回

路。由于输入变压器Tri原边谐振回路

与放大器谐振回路的谐振频率相等，也

可以直接采用电容耦合。

通过电阻与下一级反向比例放大

器进行耦合

优点选频放大性能好(1)电路设计、组装调试简单方便，适当的接入元件便可放大输入输出

(2)由于放大电路一般处于深度负反馈

方案2 实验测数据与结果

对信号变换电路进行调零，同样是将输入短接，及输入端直接接地，然后调节用函数信号发生器产生信号源，然后将输出信号通过信号变换电路将单端输出转变成双端输出，再将信号变换器的输出信号接到测量放大器的输入端，合理的设置输出电压及测量放大器的放大倍数，然后用交流毫伏表测测量放大器和信号变换电路的输出电压，并改变函数信号发生器的输出频率，计算不同频率下的放大倍数，得出测量放大器的频率响应。

设置输出电压峰峰值VP-P=1mV，频率F=1Hz ，用示波器观察输入输出端的波形，然后计算比较。把R12调至50kΩ，示波器两端分别接信号变换器和电路的输出端。测量放大电路的放大倍数。

由公式

当R12=50kΩ时， =250 。

结果为

下表为频率响应记录：

频率响应记录表格

输入频率

（MHz）

函数发生

器

电压峰峰

信号转换

器

输出电压

预置的

放大倍数

输出电压放大倍数

计算值

1 1 mV 2.046 mV 250 510.528 mV 249.525

5 10 mV 20.554mV 250 5.137 V 249.927

10 20 mV 41.121mV 250 10.278 V 249.945

100 10 mV 20.557 mV 250 5.137 V 249.891

用AC Analysis对电路进行响应测试，结果如图：

由上表与图可以看出此测量放大电路的通频带展宽为1～100MHz以上，能够完成实验要求。

结论不采用方案1 采用方案2

c）数据处理器运算方案的选择

方案选择表：

方案

需求

软件运算结果与测试结果一致。

可选

方案

方案1. 整定报警阀值方案2. 数值变化趋势和再现频率复合计算概率

运算原理

整定值也叫设定值，

就是在自动控制系统

里，当某一物理量，达

到某一数值时，将发生

对一个事物的评价，要涉及多个因素或者多个指标。要

判定某开关柜是否有局放故障，各路传感器都可从不同

角度提供数据：内部传感器和内部传感器对比看故障信

号源是否来自本身，录波装置看是否有连续性和周期

3、确定最佳方案

通过对比可知，在满足扩展要求的前提下，确定最终方案。

图2 最佳方案系统图

制图人：陈媛媛制图时间：2018年6月1日

五、制定对策

1、制定对策表

经过小组成员的讨论分析，对于提出的方案，按5W1H原则制定对策表，如下表所示：

表8 对策表

制表人：陈怀奎制表时间：2018年6月12日