高壓開(kāi)關(guān)柜絕緣性能檢測(cè)與故障診斷技術(shù)研究

何肖軍，徐志斌

（紅相電力（上海）有限公司，上海 200051）

對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行絕緣性能檢測(cè)與故障診斷，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修的前提，保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。電力設(shè)備的多數(shù)故障是絕緣性故障，電應(yīng)力作用引起絕緣劣化，導(dǎo)致絕緣故障，在機(jī)械力、熱和電場(chǎng)的共同作用下，最終也會(huì)發(fā)展為絕緣性故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于開(kāi)關(guān)柜絕緣劣化引起事故的臺(tái)次占開(kāi)關(guān)總事故臺(tái)次的68%和事故總?cè)萘康?4%。

為克服預(yù)防性檢修體系的局限性，減少停電并降低維修費(fèi)用，可應(yīng)用高壓開(kāi)關(guān)柜絕緣性能檢測(cè)與故障診斷技術(shù)，對(duì)運(yùn)行中的高壓開(kāi)關(guān)柜的絕緣狀況進(jìn)行連續(xù)的狀態(tài)檢測(cè)，隨時(shí)獲得能反映絕緣狀況變化的信息。在進(jìn)行分析處理后，對(duì)設(shè)備的絕緣狀況做出診斷，并根據(jù)診斷的結(jié)論安排必要的檢修。

1 基于超聲波和TEV的局部放電檢測(cè)技術(shù)

開(kāi)關(guān)柜絕緣性能的劣化會(huì)導(dǎo)致局部放電的產(chǎn)生，局部放電是指發(fā)生在電極之間但并未貫穿電極的放電，這些微弱的放電產(chǎn)生累積效應(yīng)會(huì)使絕緣的介電性能逐漸劣化、缺陷擴(kuò)大，最后導(dǎo)致整體絕緣擊穿。局部放電分為內(nèi)部、表面和電暈放電，并主要以電磁、聲波和氣體形式釋放能量，這些是絕緣性能檢測(cè)的主要信號(hào)。

1.1 超聲波檢測(cè)

局部放電是一種快速的電荷釋放或遷移過(guò)程，當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，放電點(diǎn)周圍的電場(chǎng)應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力與粒子力失去平衡狀態(tài)而產(chǎn)生振蕩變化，機(jī)械應(yīng)力與粒子力的快速振蕩，導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍介質(zhì)的振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲波信號(hào)。放電產(chǎn)生的聲波頻譜很寬，可以從幾十赫到幾兆赫，放電強(qiáng)度的大小決定了電場(chǎng)應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和粒子力的振蕩幅度，直接決定了振動(dòng)的程度和聲波的相度。

聲能與放電釋放的能量成比例，雖然在實(shí)際中各種因素的影響會(huì)使這個(gè)比例不確定，但從統(tǒng)計(jì)角度看，二者之間的比例關(guān)系是確定的。

從局部放電的機(jī)理可知，局部放電初期是微弱的輝光放電，釋放的能量很小，后期出現(xiàn)強(qiáng)烈的電弧放電，此時(shí)釋放的能量很大，局部放電的發(fā)展過(guò)程中釋放的能量是從小到大變化的，所以聲能也從小到大變化。

根據(jù)球面波的聲能量式可知，在不考慮空氣密度和聲速的變化時(shí)，聲能量與聲壓的平方成正比。根據(jù)放電釋放的能量與聲能之間的關(guān)系，用超聲波信號(hào)聲壓的變化代表局部放電所釋放能量的變化，通過(guò)測(cè)量超聲波信號(hào)的聲壓，就可以推測(cè)出放電的強(qiáng)弱。

1.2 TEV檢測(cè)

當(dāng)高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，放電電量先聚集在與放電點(diǎn)相鄰的接地金屬部分，形成電流脈沖并向各個(gè)方向傳播。

脈沖電流的透入深度與頻率的平方根成反比。高頻局放電流只在導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敗?duì)于內(nèi)部放電，放電電量聚集在接地屏蔽內(nèi)表面，因此如果屏蔽層是連續(xù)的，則無(wú)法在外部檢測(cè)到放電信號(hào)。但實(shí)際上，屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位因破損而導(dǎo)致不連續(xù)，高頻信號(hào)因此傳輸?shù)皆O(shè)備外層而被檢測(cè)出來(lái)。

因放電產(chǎn)生的電磁波通過(guò)金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開(kāi)關(guān)的襯墊傳播出去，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)電壓，這個(gè)電壓脈沖稱為暫態(tài)對(duì)地電壓（Transient Earth Voltage， TEV）。

TEV的檢測(cè)原理見(jiàn)圖1，高壓電氣設(shè)備的對(duì)地絕緣部分發(fā)生局部放電時(shí)，導(dǎo)電系統(tǒng)對(duì)接地金屬殼之間有少量電容性放電電量，通常只有幾兆分之一庫(kù)侖，放電持續(xù)時(shí)間一般只有幾納秒。因?yàn)殡娏康扔陔娏鞒艘詴r(shí)間，一次放電1 000 pC，持續(xù)10 ns，就產(chǎn)生100 mA的電流。對(duì)于持續(xù)時(shí)間那么短的放電脈沖，被測(cè)設(shè)備就不能看作是個(gè)整體，而應(yīng)看作是傳輸線，其電氣特性由分布電容和電感決定。此時(shí)，可以將地看成一個(gè)金屬板，縫隙所處的位置看成另一個(gè)金屬板，縫隙與地之間的距離為傳輸線。

圖1 TEV檢測(cè)原理圖

當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，電磁波從放電點(diǎn)向外傳播，電流大小與這些電磁波產(chǎn)生的電壓有關(guān)。電壓等于電流與路徑阻抗的乘積。在不考慮損耗的傳輸線上，阻抗?jié)M足下式：

式中的L和C 是傳輸線單位長(zhǎng)度的自感和電容，Z0的數(shù)值變化很大。通過(guò)研究可知，單芯10 kV電纜約為10 Ω，35 kV金屬外殼的母線室大約70 Ω。因此，1 000 pC的放電可產(chǎn)生對(duì)地1～7 V持續(xù)10 ns的電壓。電壓脈沖在金屬殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑?，最終從開(kāi)口、接頭、蓋板等的縫隙處傳出，然后沿著金屬殼外表傳到大地。這樣，使用電容耦合式傳感器就可檢測(cè)到放電信號(hào)。

研究發(fā)現(xiàn)，局部放電產(chǎn)生的TEV信號(hào)的大小與局部放電的激烈程度及放電點(diǎn)的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，可以利用專門的探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的TEV信號(hào)，不僅可以對(duì)運(yùn)行中開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)備局部放電狀況進(jìn)行定量測(cè)試，而且可以通過(guò)同一放電源到不同探測(cè)器的時(shí)間差，對(duì)局部放電點(diǎn)進(jìn)行定位。

2 開(kāi)關(guān)柜絕緣性能檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

這一系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)在原理上是一種比較性的檢測(cè)技術(shù)。某個(gè)開(kāi)關(guān)柜上的檢測(cè)結(jié)果應(yīng)與其以前的檢測(cè)數(shù)據(jù)或其它同類型的開(kāi)關(guān)柜所檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果檢測(cè)數(shù)據(jù)大于其它同型號(hào)開(kāi)關(guān)柜或以前的結(jié)果，說(shuō)明該開(kāi)關(guān)柜存在放電活動(dòng)，進(jìn)而推斷故障的可能性。因此，需要有相當(dāng)?shù)脑O(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，才能根據(jù)技術(shù)檢測(cè)結(jié)果分析設(shè)備絕緣材料還能維持運(yùn)行的時(shí)間。

記錄每次設(shè)備故障的詳細(xì)情況有助于分析判斷放電活動(dòng)對(duì)設(shè)備的影響。系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

整個(gè)系統(tǒng)可分成3個(gè)子系統(tǒng)：

（1）被檢測(cè)設(shè)備和傳感器，處于開(kāi)關(guān)室現(xiàn)場(chǎng)。

（2）信號(hào)預(yù)處理和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，一般集成在主機(jī)中，也處于現(xiàn)場(chǎng)。

（3）數(shù)據(jù)處理和診斷系統(tǒng)，實(shí)際為1臺(tái)PC和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析軟件，處于主控室。

3 檢測(cè)數(shù)值的動(dòng)態(tài)判據(jù)

3.1 統(tǒng)計(jì)分析與趨勢(shì)分析

統(tǒng)計(jì)分析法是在同一開(kāi)關(guān)室內(nèi)開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)時(shí)，對(duì)相關(guān)條件下的TEV檢測(cè)數(shù)值和超聲波檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，從而得出初步判斷依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)影響局部放電測(cè)量結(jié)果的因素有很多，如工作電壓、放電種類、絕緣材料、負(fù)載、機(jī)械運(yùn)動(dòng)、環(huán)境條件、干擾、開(kāi)關(guān)柜制造廠家及類型等，所有因素都可能造成檢測(cè)結(jié)果的誤判，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)必須加以考慮。

趨勢(shì)分析是對(duì)同一開(kāi)關(guān)柜不同時(shí)間的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，按月、季、年從統(tǒng)計(jì)分析中得出開(kāi)關(guān)柜局部放電的趨勢(shì)。在分析過(guò)程中，還應(yīng)分析影響局部放電的細(xì)微波動(dòng)對(duì)TEV檢測(cè)數(shù)值和超聲波檢測(cè)數(shù)值的變化，主要分析內(nèi)容有負(fù)載的變化、環(huán)境因素波動(dòng)、干擾波動(dòng)、時(shí)間變化等。

3.2 動(dòng)態(tài)判斷依據(jù)

結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析和初步判斷依據(jù)，可以對(duì)開(kāi)關(guān)柜局部放電進(jìn)行動(dòng)態(tài)的判斷分析，具體步驟如下：

（1）初始判據(jù)的判斷。對(duì)當(dāng)?shù)厮蠳面開(kāi)關(guān)柜的故障情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算出故障率為a%。

（2）統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)當(dāng)?shù)厮蠳面開(kāi)關(guān)柜局部放電情況進(jìn)行普測(cè)，取其中檢測(cè)數(shù)值最大的N×a%面開(kāi)關(guān)柜，然后再取這N×a%面開(kāi)關(guān)柜中數(shù)值最小的作為比較值A(chǔ)。

（3）趨勢(shì)分析。在一段時(shí)間間隔（一個(gè)月、一個(gè)季度或一年），再次對(duì)所有N面開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行普測(cè)，取其中檢測(cè)數(shù)值最大的N×a%面開(kāi)關(guān)柜，然后再取這N×a%面開(kāi)關(guān)柜中數(shù)值最小的作為比較值B，將B與A進(jìn)行比較。

（4）比較分析。對(duì)于B與A的比較，可分為以下幾種情況：

若B

若B>A，有以下幾種因素可以考慮：開(kāi)關(guān)柜負(fù)荷可能有所增加；背景干擾嚴(yán)重程度進(jìn)一步加重；溫度、濕度狀況進(jìn)一步惡化；開(kāi)關(guān)柜的污穢情況進(jìn)一步惡化。

若B=A，主要是開(kāi)關(guān)柜負(fù)荷、背景干擾、溫度、濕度狀況、開(kāi)關(guān)柜的污穢情況大體相同，開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行狀況比較平穩(wěn)。

（5）確定判據(jù)值。最終根據(jù)開(kāi)關(guān)柜常年運(yùn)行的情況確定A或B值為判斷依據(jù)，由于開(kāi)關(guān)柜周圍環(huán)境等因素對(duì)局部放電都有影響，因此，在確定判斷值時(shí)要考慮±2 dB的誤差。繼續(xù)按照步驟一到步驟五的順序進(jìn)行判斷數(shù)據(jù)的確定，最后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的比較，建立起本地區(qū)開(kāi)關(guān)柜檢測(cè)的數(shù)據(jù)庫(kù)，最終確定一個(gè)作為指導(dǎo)性的判斷數(shù)值。

綜上所述，動(dòng)態(tài)判據(jù)診斷是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行縱向和橫向的對(duì)比分析，以做出正確的判斷。動(dòng)態(tài)判據(jù)直觀圖如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)判據(jù)圖

4 檢測(cè)診斷技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

英國(guó)EA公司利用TEV及超聲波原理生產(chǎn)的便攜式局部放電聲電波檢測(cè)儀（Ultra TEV plus+）、局部放電定位儀 （PDL1），適用于變電站、電廠、配電網(wǎng)3～66 kV開(kāi)關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜、電纜分支箱、電纜終端箱、電纜中間箱等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的局部放電現(xiàn)象在線測(cè)試，為狀態(tài)檢修提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。

應(yīng)用舉例1：檢修人員在220 kV某變電站檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)10 kV開(kāi)關(guān)室八加線1016開(kāi)關(guān)柜后面板上局部放電檢測(cè)值最大 （幅值達(dá)31 dB），PDL1定位后發(fā)現(xiàn)放電位置在該開(kāi)關(guān)柜后面板左下側(cè)。

在設(shè)備停電狀況下核實(shí)該開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)缺陷，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜后面板左下側(cè)C相電纜頭螺絲松動(dòng)（見(jiàn)圖4），產(chǎn)生局部放電。緊固螺絲后再次測(cè)試，幅值由31 dB降到10 dB以下。

圖4 電纜頭螺絲松動(dòng)

應(yīng)用舉例2：某開(kāi)關(guān)室常規(guī)巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)5號(hào)主變10 kV側(cè)1005開(kāi)關(guān)柜有強(qiáng)烈振動(dòng)，但很難判斷振動(dòng)的具體位置及是否為放電引起。采用開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)定位技術(shù)，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜局部放電幅值達(dá)到了56 dB，放電點(diǎn)位于柜上方母排進(jìn)線穿墻套管處，停電檢修后，發(fā)現(xiàn)母排固定螺栓將導(dǎo)電觸頭座頂住，導(dǎo)致接觸面積過(guò)小，造成放電（如圖5所示），故障屬于安裝不當(dāng)引起。

圖5 母排固定螺栓過(guò)長(zhǎng)

應(yīng)用舉例3：某變電站開(kāi)關(guān)室常規(guī)巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)2號(hào)主變低壓502開(kāi)關(guān)柜上有異常發(fā)熱現(xiàn)象，但很難判斷具體位置及原因。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該開(kāi)關(guān)柜分貝數(shù)達(dá)到了50 dB，定位后發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)母排處絕緣子開(kāi)裂，如圖6所示。

應(yīng)用舉例4：某變電站使用Ultra TEV Plus檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)青趙3563開(kāi)關(guān)柜局部放電數(shù)值達(dá)到了63 dB，用PDL1定位后發(fā)現(xiàn)放電點(diǎn)位于青趙3563開(kāi)關(guān)柜與青趙3563線路避雷器開(kāi)關(guān)柜中間母排C相的位置，打開(kāi)開(kāi)關(guān)柜檢查發(fā)現(xiàn)，兩開(kāi)關(guān)柜中間C相母排處均壓環(huán)有局部放電，如圖7所示。

圖6 母排絕緣開(kāi)裂

圖7 故障與正常均壓環(huán)

5 結(jié)論

基于超聲波和TEV技術(shù)的高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)定位技術(shù)，改變了電氣設(shè)備傳統(tǒng)的局部放電測(cè)試方式，為電力系統(tǒng)的電力設(shè)備狀態(tài)檢修提供了可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，是一種實(shí)用、有效的檢測(cè)技術(shù)。檢測(cè)裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）裝置的投入使用不改變和影響電力設(shè)備的正常運(yùn)行。

（2）能自動(dòng)連續(xù)進(jìn)行檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理。

（3）具有自檢和報(bào)警功能。

（4）具有較好的抗干擾能力和合理的靈敏度。

（5）檢測(cè)結(jié)果有較好的可靠性和重復(fù)性，準(zhǔn)確性較高。

（6）具有電氣設(shè)備故障的診斷功能，包括故障定位、故障程度判斷和絕緣壽命預(yù)測(cè)等。

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