局部放電檢測(cè)在開關(guān)柜中的應(yīng)用

于洪乾 閆祥申 祝世輝 陶源 毛建明

（1.萬華化學(xué)（寧波）有限公司，浙江 寧波 315812； 2.上海毅榕電力技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200090）

供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行對(duì)工業(yè)企業(yè)來說至關(guān)重要，特別是大型石化企業(yè)對(duì)供電的可靠性、連續(xù)性和安全性要求更高。工廠配電網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到整個(gè)工廠生產(chǎn)能否安全穩(wěn)定，進(jìn)而直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技水平的不斷進(jìn)步，工廠對(duì)供電的需求和可靠性要求也越來越高。開關(guān)柜在工廠配電網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用，其安全運(yùn)行對(duì)供電可靠性起舉足輕重的作用。因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜早期絕緣缺陷，保證供電安全可靠性對(duì)整個(gè)工廠的安全高效生產(chǎn)和效益增長(zhǎng)都有著十分重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外開關(guān)柜運(yùn)行維護(hù)

為保證6kV 及以上高壓開關(guān)柜的安全運(yùn)行，減少停電事故給生產(chǎn)和生活帶來的影響，迫切需要對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)反映電力設(shè)備的問題，以便采取預(yù)防措施，避免突發(fā)停電事故的發(fā)生。

目前高壓開關(guān)柜故障比例相對(duì)較高，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)主要是按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》的要求對(duì)配網(wǎng)中的開關(guān)設(shè)備按照一定的時(shí)間周期進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)。預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目主要包含絕緣電阻試驗(yàn)、交流耐壓試驗(yàn)等。預(yù)防性試驗(yàn)基本以停電試驗(yàn)為主。結(jié)合石化企業(yè)現(xiàn)狀停電試驗(yàn)只能安排在例行工廠大修期間開展。依據(jù)規(guī)程預(yù)防性試驗(yàn)周期基本在1～3年，但工廠大修檢修時(shí)間安排受市場(chǎng)、行業(yè)形勢(shì)等影響存在不確定性。這樣勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致高壓開關(guān)柜不能嚴(yán)格依據(jù)規(guī)程開展試驗(yàn)工作。目前國(guó)內(nèi)高壓開關(guān)設(shè)備帶電測(cè)試、在線檢測(cè)開展力度不夠。即使部分已經(jīng)開展的企業(yè)目前存在檢測(cè)周期過長(zhǎng)、頻次過少等情況，尚未建立趨勢(shì)分析。預(yù)防性試驗(yàn)一方面需要停電增加直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失，另一方面由于試驗(yàn)條件和運(yùn)行條件不一致導(dǎo)致不能發(fā)現(xiàn)潛在的故障。因此不管是從經(jīng)濟(jì)角度還是從技術(shù)角度來講都存在一定的局限性。

國(guó)外對(duì)高壓開關(guān)柜進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)以帶電測(cè)試、在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)方監(jiān)控為主。正常試驗(yàn)項(xiàng)目與周期為：超聲波檢測(cè)、局部放電檢測(cè)、紅外檢測(cè)，周期為3～6 個(gè)月。只有在需要進(jìn)行設(shè)備缺陷、故障的綜合診斷時(shí)才結(jié)合開關(guān)檢修機(jī)會(huì)進(jìn)行停電試驗(yàn)。國(guó)外因其帶電測(cè)試開展廣泛、檢測(cè)周期較短，所以能夠適時(shí)發(fā)現(xiàn)許多潛伏的缺陷。帶電檢測(cè)的廣泛開展同時(shí)為企業(yè)節(jié)省了大量的人力、物力，更為關(guān)鍵的是設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行有了重要保障。

2 開關(guān)柜在線局部放電檢測(cè)

2.1 局部放電

局部放電是由于電氣設(shè)備絕緣內(nèi)部存在的弱點(diǎn)，在一定外施電壓作用下在電氣設(shè)備中形成場(chǎng)強(qiáng)后發(fā)生的局部的和重復(fù)的擊穿和熄滅現(xiàn)象。因其在放電區(qū)域內(nèi)未形成固定放電通道，所以它是一種非貫穿性的放電（如圖1所示）。

隨著絕緣內(nèi)部局部放電的發(fā)生，將伴隨著如光、熱、噪音、電脈沖、介質(zhì)損耗的增大和電磁波放射等現(xiàn)象的發(fā)生（如圖2所示）。這種放電可能出現(xiàn)在固體絕緣的空穴中，也可能在液體絕緣的氣泡中，或不同介電特性的絕緣層間，或金屬表面的邊緣尖角部位。所以根據(jù)放電類型，大致可分為絕緣材料內(nèi)部放電、表面放電及電暈放電。當(dāng)絕緣發(fā)生局部放電時(shí)絕緣會(huì)加速老化并直接導(dǎo)致絕緣壽命下降。

圖1 局部放電

圖2 絕緣內(nèi)部局部放電

2.2 開關(guān)柜局部放電檢測(cè)

1）電磁波技術(shù)

當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生內(nèi)部放電、表面放電和電暈放電時(shí)，伴隨著局部放電現(xiàn)象同時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻的電磁波信號(hào)并從局部放電源向四周擴(kuò)散。在局部放電的電氣設(shè)備周圍使用電磁波（EM）傳感器便可檢測(cè)到由局部放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)。通過后期數(shù)據(jù)處理、分析及消噪等措施便可判斷出電氣設(shè)備內(nèi)部是否存在局部放電現(xiàn)象以及局部放電的類型和局部放電嚴(yán)重等級(jí)。

2）超聲波技術(shù)

電氣設(shè)備在放電過程中會(huì)產(chǎn)生聲波。聲能與放電釋放的能量之間是成比例的。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，通過測(cè)量超聲波信號(hào)的聲壓，便可推測(cè)出放電的強(qiáng)弱，這就是超聲波信號(hào)檢測(cè)局部放電的基本原理。

其實(shí)無論哪種檢測(cè)技術(shù)均存在一定的局限性，無法將開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)客觀、全面、真實(shí)的反映出來，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)誤判的可能。由于放電類型、能量的釋放形式不同兩種檢測(cè)方法的實(shí)用性與靈敏度也存在差異，所以在對(duì)開關(guān)柜局部放電檢測(cè)過程中，要將兩種檢測(cè)手段綜合應(yīng)用，采用電-聲聯(lián)合檢測(cè)法（即以電磁波檢測(cè)為主、超聲波檢測(cè)為輔）來開展局部放電檢測(cè)工作。

3 應(yīng)用實(shí)例

下述實(shí)例中采用PD-PAC 型局部放電檢測(cè)裝置以及電磁波（EM）檢測(cè)技術(shù)手段對(duì)高壓開關(guān)柜實(shí)施在線局部放電檢測(cè)。

3.1 實(shí)例一

某汽車制造廠在年度檢測(cè)服務(wù)中，起初在其1#主變進(jìn)線電纜接地處檢測(cè)到微弱的局部放電信號(hào)，后經(jīng)確定排查該線路的所有設(shè)備，最終確認(rèn)局部放電信號(hào)來自1#主變上游H1 開關(guān)柜，在該開關(guān)柜外殼處檢測(cè)到明顯的電磁波信號(hào)。波形分析圖譜如圖3所示。

圖3 H1 開關(guān)柜波形分析圖譜

經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員了解該開關(guān)柜內(nèi)部在該段時(shí)間存在異常振動(dòng)聲音，且在陰雨天氣振動(dòng)更為明顯。結(jié)合檢測(cè)到的數(shù)據(jù)波形分布特征和設(shè)備的實(shí)際使用情況，分析判斷該開關(guān)柜內(nèi)可能存在松動(dòng)部件或金屬連接間隙的現(xiàn)象。由于暫不能停運(yùn)該線路，對(duì)該開關(guān)進(jìn)行后續(xù)跟蹤發(fā)現(xiàn)信號(hào)逐漸增大。為防止突發(fā)事故發(fā)生，在兩個(gè)月后對(duì)該開關(guān)停機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)該開關(guān)柜內(nèi)一個(gè)穿墻套管存在異常（如圖4所示）。診斷分析為該穿墻套管由于生產(chǎn)工藝落后，其上面彈簧在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下松動(dòng)，引起該部位發(fā)生局部放電。

3.2 實(shí)例二

某知名大型化工企業(yè)10kV 開關(guān)柜301-134 柜在2014年6月16日檢測(cè)中結(jié)合圖譜數(shù)據(jù)波形分布特征、單位周波內(nèi)產(chǎn)生脈沖數(shù)（24 個(gè)）及局部放電量（24mV)綜合分析判斷該開關(guān)柜內(nèi)部存在電暈放電信號(hào)，其波形分析圖譜如圖5所示。根據(jù)放電類型判斷，該電暈放電信號(hào)可能是由于開關(guān)柜內(nèi)部存在尖端或者裸露電極引起。

圖5 301-134 柜上部波形分析圖譜

2014年6月24日運(yùn)行人員在301 變電所10KV配電室進(jìn)行例行巡檢，當(dāng)途經(jīng)134 柜前時(shí)聽到開關(guān)柜內(nèi)存在“嗡嗡”異響聲。打開高壓柜儀表室檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)端子排處電流互感器二次保護(hù)電流連接端子劃片脫落，造成電流互感器二次側(cè)開路（如圖6所示）。電流互感器運(yùn)行時(shí)二次側(cè)不允許開路，開路運(yùn)行會(huì)伴隨著嗡嗡的放電聲，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)燒毀電流互感器。二次開路側(cè)電壓會(huì)升至幾千伏不等。得知該情況后運(yùn)行人員立即上報(bào)，并采取安全措施將電流連接端子重新連接上，避免了后續(xù)事故的發(fā)生。經(jīng)后期調(diào)查發(fā)現(xiàn)該柜自2013年12月施工方繼電保護(hù)試驗(yàn)交付后未有其他檢修工作，判斷為繼電保護(hù)試驗(yàn)工作結(jié)束后連接端子未及時(shí)恢復(fù)，送電檢查時(shí)也未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除該隱患。

圖6 CT 開路實(shí)物圖片

2014年9月17日對(duì)301-134 開關(guān)柜進(jìn)行復(fù)檢并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)該柜的局部放電信號(hào)已經(jīng)消失。檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況吻合，開關(guān)柜內(nèi)的局部放電是由于電流互感器二次保護(hù)用電流連接端子脫落，電流互感器二次側(cè)開路產(chǎn)生裸露電極引起的電暈放電。

通過上述兩個(gè)案例介紹可見局部放電檢測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)潛在故障與起始故障，為開關(guān)柜預(yù)防性維護(hù)提供技術(shù)支撐，有效防止開關(guān)柜突發(fā)性絕緣事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

開關(guān)柜在配電網(wǎng)中使用范圍廣且數(shù)量較大，因開關(guān)柜自身引起的故障也很多。通過開關(guān)柜在線局部放電檢測(cè)手段可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，防止惡性事故發(fā)生，同時(shí)可以有效減少企業(yè)非計(jì)劃停產(chǎn)損失。

通過對(duì)開關(guān)柜等電氣設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等手段對(duì)電氣設(shè)備的絕緣狀況進(jìn)行分析和評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)：

1）絕緣損壞可以被早期發(fā)現(xiàn)、及時(shí)干預(yù)，以防止破壞性放電導(dǎo)致絕緣劣化加劇。

2）可以減少定期檢查時(shí)間。

3）設(shè)備的清掃周期可按照實(shí)際污染程度安排。

4）在安全監(jiān)控下設(shè)備的整體運(yùn)行時(shí)間得到延長(zhǎng)。

5）可以避免非計(jì)劃停機(jī)、停產(chǎn)和其他較大設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失。

在線局部放電檢測(cè)，作為狀態(tài)檢測(cè)眾多手段中的一種，用作工業(yè)配網(wǎng)中電力設(shè)備故障預(yù)警，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估被證明是行之有效的檢測(cè)手段。

通過工廠運(yùn)行人員的日常巡檢與大修預(yù)防性試驗(yàn)，輔助一定周期性的專業(yè)檢測(cè)服務(wù)和趨勢(shì)分析，采用多種手段相結(jié)合，才能真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠性維護(hù)，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的最終目的。