高壓系統局部放電雜訊背景改善

前言

局部放電（Partial Discharge，PD）現象為一種絕緣崩潰現象^[2]~[8]，僅發生在絕緣材料中電場強度過大的局部區域。局部放電現象可視為絕緣材料老劣化的一種表徵，若未適切地處理局部放電現象，則將加速絕緣材料劣化，導致絕緣材料的整體崩潰。大部份的高壓設備事故多肇因於絕緣瑕疵。由於絕緣材料內部的瑕疵會導致局部電場過大，進而產生局部放電現象，傳統週期性的人工活電局部放電量測無法讓設備事故率降為0 %。為了應付崩潰時間較短的瑕疵類型，活電局部放電量測為目前最有效之絕緣瑕疵的檢測手法。活電局部放電監控為目前台積的最佳化方案。藉由長時監控局部放電訊號的變化，可以快速發現絕緣材料的異常變化，即時避免事故的發生。以十四廠為例，每年替十四廠即早期檢測出一件異常，其重要性與價值可想而知。

圖1為部份放電的電壓變化及電流波形^[2]，由圖中可以清楚地比較，不同於正弦波的平緩，放電的電壓變化及電流波形為崎嶇陡變，電磁放射就是在這種陡變的行為發生。若我們特意檢視局部放電的電流脈衝信號，它是一寬頻的訊號，訊號圖形如 圖2所示，包含的頻帶甚寬。在高壓設備中，局部放電的電流脈衝信號頻譜主要分布在數百kHz~500MHz之間。特高壓(69kV~161kV)電氣設備的局部放電頻譜則分布於數百MHz至1.5GHz之間。因局部放電釋放出寬頻訊號的關係，透過選用適當的局部放電感測器(PD Sensor)與前級濾波與後級演算處理，可記錄出局部放電隨時間的趨勢 圖3，再與電源的相位60Hz正弦波做比較 圖4，局部放電監控系統可輔助人員判斷出局部放電訊號。

圖1、局部放電的電壓變化及電流波形

圖2、局部放電脈衝電流信號波形

圖3、局部放電監控趨勢

圖4、局部放電監控分析相位

局部放電量測安裝場所之背景環境

設計局部放電感測器時，會盡量選擇空間雜訊較小的分布頻帶，減少外部干擾因素。並依據信號的各種傳遞路徑設計出適用的感測器， 圖5是震江公司提供於某變電所附近之各頻段背景雜訊的量測圖，我們可看出以30MHz為分界點，30MHz以下的背景雜訊較高，30MHz以上的高頻傳導干擾雜訊較乾淨，因此選用VHF (Very High Frequency)的頻段所受到的背景雜訊一般較低。理想的狀況下，背景雜訊越低，局部放電的判別率越高。

圖5、某變電所附近之各頻段背景雜訊的量測圖^[1]

圖6是典型內部放電時，高頻微小的電磁訊號的傳遞路徑^[4]。局部放電感測器就安裝在此高壓設備附近，一旦有局部放電發生，感測器就會抓取到此傳播之電磁訊號。

圖6、 局部放電電磁傳播路徑示意圖^[4]

以上是理想的狀態，然而局部放電感測器只要是在符合頻寬內的訊號即會接受，它不會自動分辨是外部訊號、背景雜訊或是真正的內部放電訊號。 圖7是安裝於高壓設備現場之局部放電感測器示意圖，實際裝於現場時，因高壓站附近可能有電信中繼設備、電腦設備如前端伺服器(Front End server)、主動設備如不斷電系統(UPS)/直流充電機(DC charger)等切換式電源，可能透過空間輻射傳導或透過接地傳導輻射干擾致使安裝在附近的Sensor接收到能量，即使局部放電偵測主機(PD Simply)已透過50MHz高通濾波器過濾掉低頻訊號，上述的環境設備干擾還是造成背景(base)偏高與尖峰值(peak)，而且幾乎是長久存在的，這就是一個使人困惱的情況了。畢竟我們安裝局部放電感測器主要是偵測高壓設備的真實內部放電訊號，因此過濾掉背景雜訊也就顯得重要了。

圖7、高壓設備現場之局部放電感測器接收到背景雜訊的示意圖

圖8是在線式局部放電監控(On-line PD)的偵測曲線，若局部放電能量值(mV)大於alarm stage一段時間(T>T duration)，則該警報(alarm)會顯示出來，此時值班人員將收到PD SCADA alarm，並透過標準作業程序去判讀該alarm時否為真實。可想而知的是若背景環境存在一固定的干擾源，則該站警告(warming)或alarm則是會固定住的，或是反反覆覆地觸發讓人員覺得疲憊想忽略，這對於值班將會造成很大困擾。

圖8、On-line PD 偵測曲線

圖9為南科廠主變背景雜訊干擾波形(由PD Care軟體分析)，由圖可以發現因局部放電背景能量大於限制線，導致局部放電warning或alarm固定住，雖然可透過相位分析清楚辨別是外部干擾，並非實際所發生，然而如果此情形不改善，則會徒增值班人員困惱了，長期而言對系統也不是好事，可能發生應注意而未注意的情況。

圖9、某廠主變的局部放電背景雜訊干擾波形(PD Care 分析)

圖10是較乾淨的高壓站，可以發現整個背景都是很低的，這也是管理者比較想要的情況，在這種背景條件下，若高壓設備劣化可以清楚地被比較而逮出，而 圖11為瞬間電磁干擾(EMI)的情況，此類型可能是因為電信設備所發出，或人員活動之靜電放電(ESD)，照明開關接觸之電弧放電所瞬間輻射出之高能量電磁波，因為沒有固定相位放電的關係，透過PD care觀察，可以很清楚的辨別只是「雜訊干擾」。 

圖10、背景乾淨的站之局部放電波形(PD Care 分析)

圖11、背景乾淨的站人員活動造成之瞬間干擾波形(PD Care 分析)

計畫降低局部放電監測背景值的方法

至於要如何降低那些環境背景較高的站呢?我們可先由局部放電理論上出發分析，因局部放電感測器主要是接收了輻射近場及輻射遠場的電磁能量，其中，空間輻射干擾主要是30MHz以上的射頻成分，傳播路徑為透過空氣傳播耦合至該頻段的感測器，傳導輻射干擾則是30MHz以下，主要透過地線傳導耦合至該頻段的感測器。

以技術而言，透過空氣傳播的干擾量可以透過完整的法拉第籠屏蔽 圖12，這道理就好像在密閉的電梯裡，手機沒有訊號是一樣，因為導體內部無電場的關係，完整的法拉第金屬屏蔽可以有效隔絕外部傳過來之任何電磁波。 圖13台積目前現有的不完整屏蔽高壓盤，其可能遭受到空間輻射的干擾， 圖14為完整屏蔽的高壓盤盤，當感測器安裝於內部時，其受空間輻射傳導的高頻干擾量可以忽略。因此如前文所提到的人員靜電放電、電信設備的干擾、照明開關切換所造成的電磁干擾等，對完整屏蔽的密合高壓盤，幾乎是沒有影響的。

圖12、法拉第籠電磁遮蔽（資料來源：網路）

圖13、CGIS (Cube Gas Insulated Switchgear) 不完整金屬屏蔽

圖14、完整金屬屏蔽高壓盤

接下來我們要分析低頻傳導干擾量，因此類型的傳導干擾是透過「導體」的傳遞，此類雜訊跟高壓設備共同的關係就是接地，由於接地的平面有高頻電流的傳遞，且距離局部放電感測器較近，因此透過近場耦合到感測器上。

一般模擬接地電流需透過有限元素分析法給定激發源，與所有形狀的邊界條件如導體介電質等，可以簡單地模擬接地電流的流向。但現場設備的分布狀況比較複雜，難以有效地都模擬進去。我們若以較簡單的理論分析，則是運用阻抗的概念了。不管頻率高低，任何頻率下的電流皆往低阻抗路徑流動，因此要降低感測器所在位置附近的傳導接地干擾，比較簡單的概念則是強化接地的完整性，讓所有接地平面的搭接阻抗都是最低的，這樣可以順利地平均減少掉高頻接地電流，或是透過實驗的方式將高頻電流導往遠離感測器的方向，這樣局部放電感測器則可以「專注」地偵測其所在位置高壓設備的部分放電訊號。

接地電流路徑改變實驗與結果

圖15為於主變所做的實驗，如前文所述可清楚地看出因局部放電感測器裝在主變的箱體裡面，其幾乎不受空間輻射干擾，而我們發現因盤的盤門無有效接地，且盤的漆很厚，連接面沒有良好的螺絲搭接使接地電位相同平整，致使靠近感測器的位置之環境背景傳導電流較強。因此我們透過實驗的方式如圖做出了「刻意」地接地路徑將接地搭接電阻最小化．朝改變高頻傳導電流路徑的方向前進。

圖15、主變接地改善實驗

圖16、主變局部放電感測器位置圖

結果如我們預期的，我們一邊做實驗，一邊從即時之局部放電監控主機(PD simply)觀察實驗造成的局部放電偵測即時變化 圖17， 環境背景值於實驗後被有效降低了90%。我們可以再從 圖18透過PD care軟體的分析可以更清楚地比較實驗前、後，可以發現煩人的背景雜訊幾乎消失殆盡。

圖17、主變接地實驗於局部放電監控主機即時觀察畫面

圖18、主變接地改善實驗（PD care 分析波形）

結論

在線式局部放電監控是高壓設備健檢最主流的技術，透過此方式可找出高壓設備的絕緣破壞之前期徵兆，其重要性與價值可想而知。透過完整金屬遮蔽空間傳導之電磁干擾，再透過接地搭接實驗降低局部放電感測器所在區域附近之高頻背景傳導電流，可以有效降低局部放電環境背景值，有效地減少環境背景所產生之局部放電誤警報次數，提升局部放電有效判讀率與人員值班品質。未來若新建廠有將在線式局部放電監控納入標準配備，除了高壓站內盡量不要放會造成干擾源的設備，同時可要求配電盤廠商將高壓盤體的每一盤門確實做好接地線連接，以維持完整接地且密閉屏蔽的盤體，得以完整擋掉空間輻射並平均化接地平面上的傳導高頻電流，將局部放電背景雜訊有效降低。未來我們的方向是透過接地改善實驗，改善既設高壓盤局部放電的背景雜訊，提供新建廠的高壓盤體設計建議。