了得到更多的局部放电 TEV 特征信息，笔者研制了一套 TEV 传感器及检测系统，建立了开关柜 TEV 测量平
台，采用 TEV 系统对 3 种典型开关柜放电模型进行了测量和分析，获取了典型缺陷放电情况下 TEV 的散点
图和统计图谱。 研究结果表明：所研制的 TEV 传感器（带宽为 5 kHz~80 MHz）可以对放电脉冲信号具有良
1 暂态对地电压(TEV)传感器研制
1.1 TEV 测量概述 暂态对地电压最ent Earth Voltage,简称 TEV。 高压电气 设备，如开关柜、GIS 等，内部发生局部放电时，所激 发的电磁波能量在开关柜内部传播， 当开关柜接地 并且全部连续时， 电磁波受开关柜金属外壳的屏蔽 作用被限制在柜体内部， 柜体外表面上检测不到电 磁波。 但是开关柜外壳并不连续， 电磁波会从缝隙 溢出，并且向空间传播。电磁波在开关柜外表面与大 地之间的空间中传播，由于传播过程为瞬态过程，开 关柜与大地之间形成的波阻抗在不同位置发生区 别，造成电磁波的折返射，在外壳不同位置上形成不
statistical maps
0 引言
高压开关柜是直接面向用户的配电设备， 在输
收稿日期：2013- 09 - 03； 修回日期：2013 - 10 - 11
配电过程中担负着线路控制、 电压电流监测等多项 任务，因此高压开关柜在电力系统中占有要地位。高 压开关柜在长期运行和装配过程中存在的人为因 素、电效应、热效应以及化学效应等因素会造成绝缘
中图分类号： TM855
文献标志码： A
文章编号：1001 - 1609（2014）02 - 0060 - 08
Analysis of TEV Caused by Partial Discharge of Typical Faults in HV Switchgear
WEI Zhen1,2， ZHANG Qiang1,2， QI Bo1,2， LI Chengrong1,2， ZHANG Xiaohan1,2
目前国内外 对 TEV 的研究都 是基于现 有 的 公 司产品，研究内容具有一定的局限性[2-4]。 英国 EA 公 司研 究 员 在 文[5-7]中 介 绍 了 其 研 制 的 暂 态 对 地 电 压检测仪器使用情况，但是没有对测量方法和 TEV 特征信息进行详细叙述； 国内高校和供电公司研究 了如何使用 EA 等国外公司产品检测开关柜暂态对 地电压，提出了一系列提高使用 效果的测量 方法[8]。 目前，国内外对于 TEV 的研究主要依赖于各种现成 的产品，但是该类产品对 TEV 中包含的局部放电信 息挖掘不足，可用特征量很少，不足以充分反映开关 柜缺陷情况[1]，通 过 TEV 方 法 来 判 别 开 关 柜 缺 陷 类 型也鲜见报道。 为了获取更多有效的局部放电 TEV 统计特征信息， 实现开关柜 TEV 方法缺陷判别，笔 者基于暂态对地电压原理研制了一种新型的高压开 关柜局部放电传感器， 结合常见的开关柜缺陷类型 制作了 3 种不同放电模型，应用以该 TEV 传感器为 基础的暂态对地电压(TEV)检 测系统对 开关柜不同 放电模型下的局部放电 TEV 信息进行了测量，得到 了相应的相位(φ)-幅值(dB)散点 图及二维柱 状图等 TEV 图谱，对各缺陷情况下的特征图谱进行了叙述 分析。
研究与分析
魏 振， 张 强， 齐 波，等. 高压开关柜典型缺陷局部放电 TEV 特征的研究
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劣化，导致电气绝缘强度降低，引起局部放电，造成 开关柜故障，甚至停运，对电力系统正常运行造成影 响， 因此采用一定方法检测开关柜局部放电情况具 有 重 要 意 义[1]。
开关柜局部放电检测方法主要有脉冲电流法 (ERA)、超 声 波 法 、特 高 频 法(UHF)以 及 暂 态 对 地 电 压 法(TEV)等 ，其 中 ，暂 态 对 地 电 压 法 (TEV) 是 一 种 新 型 检测手段，它是局部放电的产物，包含有不同故障情 况下的放电特征信息，具有灵敏度高、抗干扰强、操 作 简 单 等 优 点[1]。
好的响应特性，经过与脉冲电流法对比得知，TEV 作为检测手段可以有效地获取局部放电信息，同时保留了
能够反映缺陷类型的放电特征； 统计不同缺陷情况下局部放电 TEV 信息所得到的柱状图谱具有明显区别，
TEV 特征可以作为为开关柜缺陷识别的有效依据。
关键词： 高压开关柜； 暂态对地电压； TEV 传感器； 检测系统； 放电模型； 统计图谱
TEV 与 GIS 中瞬态外 壳电压类似 ，IEC 613211：1994 标准提供了一种 Newi 探头用于测量 GIS 瞬 态外壳电压[9-12]。 同时与 VFTO 类似，TEV 也是一种瞬 态过程，因此可以借鉴 GIS 测 量传感器的 原理 。 [13-16] 笔者结合 IEC 标准和 VFTO 测量传感器情况， 设计 了一种专门应 用于开关柜 TEV 检测的宽 频带电容 耦 合式 传 感 器[17]，该 传 感 器 以 绝 缘 外 壳 作 为 感 应 介 质，经过内部结构作用，可以有效检测到开关柜外壳 暂态对地电压，图 2 为传感器实物图。 1.3 TEV 传感器标定
同 的 对 地 电 压[1，5]。 1.2 TEV 传感器研制
为了了解不同缺陷下的 TEV 特征，首先需要了 解 TEV 信号 的情况， 然后 再选择合 适的传感器 参 数。 TEV 是局部放电在外壳表面形成的对地电压， 其产生原理与 GIS 中瞬态外壳电压的形成类似，是 一种瞬态过程[9]。时域有限差分理论(finite difference time domain, FDTD)可以对电磁 场的 E、H 分量在 空 间和时间上采取交替抽样的离散方式， 使每一个 E 或 H 场分量周围都有 4 个 H 或 E 场分量环绕，应 用这种离散方式将含时间变量的麦克斯韦旋度方程 转化为一组差分方程， 可以实现空间电磁场在时间 轴上求解。
XFdtd 是基于时域有限差分(FDTD)方法的全波 三维电磁场仿真软件， 是研究电磁波暂态过程的有 效工具，非常适合用来对开关柜表面的 TEV 进行仿 真分析。 笔者以 10 kV GG-1A 型高压开关柜为参照 在 XFdtd 中建立了开关柜等尺寸三维模型， 开关柜 外壳为钢质材料，电导率设置为 9.93×106 S/m，开关 柜内环氧树脂挡板介电常数选择为 4.0。 以高斯电 流脉冲波作为放电源置于开关柜内部，幅值为 1 A， 脉宽选择 5 ns。 在开关柜外壳表面安装 50 Ω 电位 探头，由 XFdtd 完成整个 FDTD 计算过程。 图 1 为开 关 柜 外 壳 TEV 仿 真 波 形 ， 上 升 沿 时 间 为 10 ns 左 右， 经 FFT 运算可 知 TEV 信号多集 中在 100 MHz 以内。 通过市场调研得知，EA 公司 TEV 传感器带宽为 3~60 MHz，HVPD 公司 TEV 传感器带宽为 1~50 MHz， 所选择的 TEV 信号频带都在 100 MHz 以内，这与仿 真结果相符，因此，文中选择的传感器带宽也应该在 100 MHz 以内。
为了确定 TEV 传感器频带以及脉冲响应情况， 笔者搭建了图 3 所示标定平台，信号源采用 Agilent 33250A 信 号 发 生 器 ，示 波 器 为 LeCroy 725Zi，输 入 阻抗选择 1 MΩ。
（1. 华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室， 北京 102206； 2. 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室， 北京 102206）
摘要： 高压开关柜局部放电会在其金属外壳上产生对地电位，称之为暂态对地电压（TEV），它是一种有效的
局部放电检测手段，但是目前开关柜 TEV 信息只局限于平均幅值，缺少有效特性信息辨识开关柜的缺陷。 为
（1. Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMC， North China Electric Power University， Beijing 102206， China; 2. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources， North China Electric Power
DOI:10.13296/j.1001-1609.hva.2014.02.012
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第 50 卷 第 2 期 2021041年4 年2 月2 月
High Voltage Apparatus
Vol.50 No.2 第 50Fe卷b. 2第0124 期
高压开关柜典型缺陷局部放电 TEV 特征的研究
魏 振 1,2， 张 强 1,2， 齐 波 1,2， 李成榕 1,2， 张晓涵 1,2
University， Beijing 102206， China）
Abstract: The transient voltage between the metal enclosure of HV switchgear and the earth caused by partial discharge（PD） is named transient earth voltage （TEV）, which can be used for efficient PD on-line detection. However， the application of TEV is limited to its average amplitude because of lack of effective characteristic information for routine fault recognition. In order to detect PD in HV switchgear more effectively and distinguish fault types more accurately， the authors designed a TEV sensor and a TEV detection system for HV switchgear， and used the TEV detection system to record the TEV information corresponding to three typical PD models in HV switchgears. Thus， the TEV statistical maps and scatter diagrams corresponding to the PD of three typical faults were obtained. The results indicate that the bandwidth of the TEV sensor is 5 kHz to 80 MHz， and it has excellent response to PD pulse signals. TEV can be used for detecting the features of various faults， and the TEV scatter diagrams corresponding to three typical fault models are obviously different. Since the TEV signals corresponding to three typical PD models show significant differences， TEV can be applied to recognition of fault type in HV switchgear. Key words: HV switchgears； transient earth voltage（TEV）； TEV sensor； detection system； PD models；