開關(guān)柜帶電檢測技術(shù)的現(xiàn)場綜合應(yīng)用研究

付兆遠(yuǎn)，高兆麗，焦方軍，孫　巖，蘇　娜

（國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南　250012）

開關(guān)柜帶電檢測技術(shù)的現(xiàn)場綜合應(yīng)用研究

付兆遠(yuǎn)，高兆麗，焦方軍，孫巖，蘇娜

（國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012）

開關(guān)柜的運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性，開展開關(guān)柜帶電檢測工作是提高供電可靠性的關(guān)鍵措施之一。暫態(tài)地電壓檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、紅外檢測技術(shù)是開關(guān)柜帶電檢測中常用的技術(shù)手段，結(jié)合實(shí)際案例分析3種檢測手段的優(yōu)劣。實(shí)際應(yīng)用情況表明綜合利用3種檢測手段可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

帶電檢測；開關(guān)柜；現(xiàn)場應(yīng)用；局部放電

0　引言

高壓開關(guān)柜是金屬封閉開關(guān)設(shè)備的俗稱，集控制、保護(hù)、計(jì)量等功能于一體，具有占地面積小、安全性高、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛于35 kV、10 kV配電系統(tǒng)中，其模塊化的組合可滿足不同接線形式的要求，具有良好的可擴(kuò)展性。開關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)體大部分采取熱縮絕緣材料工藝，通過優(yōu)化電極形狀顯著縮小占地面積；斷路器、接地開關(guān)、前后柜門均設(shè)有機(jī)械連鎖，對于防止誤操作，提高安全運(yùn)行水平具有重要意義［1］。

由于高壓開關(guān)柜的母線室是互通的，停電例行試驗(yàn)時(shí)只能逐個(gè)間隔進(jìn)行，試驗(yàn)對象僅限于開關(guān)柜內(nèi)電流互感器（TA）、開關(guān)、避雷器，各導(dǎo)電部位的絕緣、連接情況缺乏有效檢查手段，傳統(tǒng)的定期預(yù)防性試驗(yàn)技術(shù)無法滿足當(dāng)前的需要。隨著狀態(tài)檢修的逐步深入開展，各類帶電測試手段廣泛應(yīng)用于開關(guān)柜狀態(tài)檢測，取得了良好的效果［2］。

開關(guān)柜內(nèi)部缺陷的典型早期表現(xiàn)主要是局部放電。由于開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，場強(qiáng)分布極不均勻，絕緣內(nèi)部存在氣泡、接觸不良、絕緣表面污穢等均會(huì)引起局部放電。局部放電產(chǎn)生的發(fā)熱、射線及化學(xué)活性生成物會(huì)對絕緣材料產(chǎn)生緩慢損害，經(jīng)過長期的發(fā)展，最終導(dǎo)致設(shè)備故障［3］。

英國電力企業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，85%的破壞性故障與局部放電有關(guān)［4］，因此開展開關(guān)柜帶電測試工作可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)局部放電、元件過熱，從而顯著降低配電設(shè)備的故障概率。

1　開關(guān)柜帶電測試技術(shù)

局部放電是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)物理過程，發(fā)生放電時(shí)不僅存在電磁輻射、能量損耗，而且還伴隨聲、光、熱等一系列現(xiàn)象，開關(guān)柜帶電檢測技術(shù)可以通過檢測局部放電過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象來判斷放電位置及嚴(yán)重程度，為停電檢修提供充足的數(shù)據(jù)支持。目前常用的開關(guān)柜帶電檢測技術(shù)有暫態(tài)地電壓檢測、超聲波檢測和紅外檢測［5］。

1.1暫態(tài)地電壓檢測技術(shù)

高壓開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，帶電粒子快速由導(dǎo)體向外遷移，在開關(guān)柜柜體上產(chǎn)生高頻電流行波。受集膚效應(yīng)的影響，電流行波無法穿透金屬柜體，只能集中在開關(guān)柜內(nèi)表面，當(dāng)遇到不連續(xù)的金屬斷開面時(shí)，電流行波從內(nèi)表面轉(zhuǎn)移到外表面，以電磁波的形式向空間傳播，且在金屬柜體外表面產(chǎn)生暫態(tài)地電壓，該信號可由特定的傳感器接收、識別［6］，暫態(tài)地電壓信號產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。通過對比開關(guān)柜不同部位接受到的暫態(tài)地電壓信號幅值大小、重復(fù)程度可初步判斷局部放電的位置及危險(xiǎn)程度。

圖1　暫態(tài)地電壓信號產(chǎn)生機(jī)理

1.2超聲波檢測技術(shù)

局部放電發(fā)生時(shí)，電荷的快速遷移會(huì)引起開關(guān)柜內(nèi)粒子出現(xiàn)振蕩性機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生聲波。通過開關(guān)柜間隙檢測到聲波強(qiáng)度正比于放電活動(dòng)強(qiáng)度，放電活動(dòng)達(dá)到一定程度導(dǎo)致絕緣擊穿，危急設(shè)備、人員安全。開關(guān)柜中的局部放電信號頻率為10～1 000 kHz，使用超聲波傳感器可有效檢測聲波信號中的特征信息。

實(shí)際使用中的便攜式開關(guān)柜超聲波局部放電檢測設(shè)備只能簡單地測試信號強(qiáng)度。為掌握更多缺陷信息，通常使用局放調(diào)理電路將超聲波信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭陕犘盘?，檢測人員使用耳機(jī)依據(jù)音頻信息判斷局部放電類型及局部放電位置［7］。

與開關(guān)柜超聲波局部放電檢測相比，GIS超聲波局部放電檢測理論更為成熟，檢測設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)更豐富。雖然開關(guān)柜結(jié)構(gòu)與GIS結(jié)構(gòu)明顯不同，但局部放電過程中的超聲波產(chǎn)生機(jī)理是一樣的，當(dāng)懷疑開關(guān)柜內(nèi)部存在局部放電時(shí)，可以使用GIS超聲波局部放電檢測儀進(jìn)行綜合診斷。

1.3紅外檢測技術(shù)

由于局部放電同時(shí)會(huì)伴隨設(shè)備發(fā)熱現(xiàn)象，對設(shè)備進(jìn)行紅外檢測，可以發(fā)現(xiàn)絕緣劣化的部位。紅外檢測主要是檢測設(shè)備由于絕緣缺陷、連接缺陷等原因?qū)е戮植磕芰窟^于集中而發(fā)熱的情況，如果能量的積累速度小于對流、熱輻射引起的能量逸散速度，紅外檢測無法發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣缺陷。一般情況下，紅外檢測僅適用于檢測絕緣極度劣化或接觸不良導(dǎo)致的放電現(xiàn)象［8］。

2　帶電測試技術(shù)的應(yīng)用

2.1聲電聯(lián)合測試現(xiàn)場應(yīng)用

2.1.1開關(guān)柜超聲波測試

對220 kV安康變電站35 kV開關(guān)柜進(jìn)行超聲波局部放電測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)1號主變進(jìn)線306間隔存在超聲波數(shù)據(jù)異常，超聲波背景測試數(shù)據(jù)如圖2所示，306間隔超聲波測試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2　背景測試

圖3　306間隔測試

由圖2可看出，測試背景圖信號有效值為0.46 mV，周期峰值1.64 mV，沒有表現(xiàn)出頻率相關(guān)性，為典型的頻率均勻分布的白噪聲，說明測試空間沒有其他形式的聲源干擾。當(dāng)對306間隔進(jìn)行測量時(shí)，發(fā)現(xiàn)測試信號發(fā)生急劇增長，在對開關(guān)柜底部、中部、上部、頂部進(jìn)行綜合測試后，發(fā)現(xiàn)306間隔進(jìn)線開關(guān)柜頂部信號最大，如圖3所示，有效值達(dá)到8.6 mV，周期峰值為27.3 mV，頻率相關(guān)特征明顯，且100 Hz頻率相關(guān)性大于50 Hz頻率相關(guān)性。此時(shí)相位模式下的測量結(jié)果如圖4所示。

圖4　306間隔超聲波測試相位模式圖

從相位模式中可以看出：信號幅值較大，相位聚集特征不明顯，在脈沖檢測模式下，未出現(xiàn)“三角駝峰”形狀，可排除自由顆粒的干擾。由于相位模式下，圖譜并未表現(xiàn)出明顯的“雙峰”或“單峰”特征，不能可靠區(qū)分局放缺陷和電暈放電現(xiàn)象，但由于信號幅值較大，不能排除局放和電暈均存在的可能。

由于母線排外部有絕緣套、絕緣板，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而聲波在不同媒介間傳輸時(shí)由于界面的反射、擴(kuò)散作用，衰減很大，實(shí)際放電現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

2.1.2開關(guān)柜暫態(tài)地電壓測試

分別對306間隔及各臨近間隔進(jìn)行了暫態(tài)地電壓測試，測試過程中發(fā)現(xiàn)各間隔暫態(tài)地電壓測試結(jié)果均在3～5 dB之間，且306間隔開關(guān)柜前、后、上、下無明顯差別，與背景3 dB相比幅值較小，即暫態(tài)地電壓測試未能檢測到局放現(xiàn)象。這可能因?yàn)榫植糠烹娦盘栴l率不在暫態(tài)地電壓檢測設(shè)備的有效檢測頻帶范圍內(nèi)，或局部放電可能存在于母線排與絕緣件之間或絕緣件內(nèi)部。

對1號主變35 kV進(jìn)線開關(guān)柜母線橋室解體檢查，發(fā)現(xiàn)母線外瓷套及附近絕緣擋板均有不同程度的放電痕跡，現(xiàn)場檢修照片如圖5所示。為防止缺陷進(jìn)一步發(fā)展，對銅排外絕緣護(hù)套、外絕緣瓷套以及絕緣板整體進(jìn)行更換，并適當(dāng)調(diào)整絕緣板安裝位置，進(jìn)行復(fù)測發(fā)現(xiàn)局放信號消失。

圖5　306間隔開關(guān)柜現(xiàn)場檢修照片

2.2暫態(tài)地電壓測試現(xiàn)場應(yīng)用

2014-10-06，在220 kV玫瑰變電站35 kV開關(guān)柜進(jìn)行局部放電測試過程中，發(fā)現(xiàn)35 kV開關(guān)柜暫態(tài)地電壓結(jié)果測試異常，開關(guān)柜測試位置及相鄰間隔測試數(shù)據(jù)如表1所示。

開關(guān)柜暫態(tài)地電壓測試數(shù)據(jù)值明顯偏高，且脈沖數(shù)量多、重復(fù)性好。經(jīng)查閱，該站最近一次開關(guān)柜局部放電測試是在2013-05-07，暫態(tài)地電壓測試數(shù)據(jù)在12 dB左右。與上次相比，此次開關(guān)柜檢測結(jié)果增大了35 dB，開關(guān)柜存在明顯的放電異常。檢測數(shù)據(jù)顯示暫態(tài)地電壓信號呈中間高、兩邊低的變化趨勢，在2段TV及MOA間隔達(dá)到峰值，為59 dB。

表1　開關(guān)柜暫態(tài)地電壓檢測數(shù)據(jù)　dB

為進(jìn)一步確認(rèn)，試驗(yàn)人員使用超聲波檢測器進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)2段TV間隔超聲波測試存在明顯的放電聲音，且檢測值在20 dB左右，大于15 dB的警戒值。

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，可得出開關(guān)柜內(nèi)部存在較嚴(yán)重的局放現(xiàn)象；局部放電發(fā)生部位應(yīng)位于2段TV及MOA間隔處，且靠近開關(guān)柜前方中部。

該間隔進(jìn)行停電處理情況見圖6。2段TV及避雷器間隔靜觸頭與母排下引線連接處存在明顯的燒蝕痕跡，拆除過程中發(fā)現(xiàn)母排下引線與靜觸頭連接螺栓明顯松動(dòng)，致使該處產(chǎn)生懸浮電位，引發(fā)長時(shí)間的低能量電暈放電。檢修人員對下引母線排和靜觸頭進(jìn)行了處理，并更換、緊固了連接螺栓，放電現(xiàn)象消失。

圖6　2段TV間隔現(xiàn)場處理照片

2.3紅外檢測現(xiàn)場應(yīng)用

2013年7月，在對110 kV開發(fā)區(qū)變電站10 kV開關(guān)柜進(jìn)行紅外測試時(shí)發(fā)現(xiàn)1號主變進(jìn)線柜柜體發(fā)熱嚴(yán)重，測試時(shí)1號主變進(jìn)線負(fù)荷1 700 A，環(huán)境參照體溫度為32℃，開關(guān)柜側(cè)面紅外圖譜如圖7所示，繼電器室紅外圖譜如圖8所示。

圖7　開關(guān)柜側(cè)面紅外圖譜

圖8　繼電器室紅外圖譜

從紅外圖譜中可以看出，從上至下，進(jìn)線柜柜體金屬縫隙處溫度明顯高于正常值，上部繼電器室溫度最高。由于柜體金屬的阻隔無法準(zhǔn)確定位發(fā)熱部位，結(jié)合進(jìn)線柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以確定發(fā)熱位置應(yīng)位于母線排上，柜體整體發(fā)熱是由于封閉空間內(nèi)的熱對流效應(yīng)導(dǎo)致。為進(jìn)一步確認(rèn)缺陷性質(zhì)，分別進(jìn)行暫態(tài)地電壓局部放電測試和超聲波局部放電測試，均未發(fā)現(xiàn)異常，排出了局部放電存在的可能性。初步確定發(fā)熱現(xiàn)象可能是由于熱塑絕緣護(hù)套破損或穿墻套管處渦流損耗所引起。經(jīng)停電檢查發(fā)現(xiàn)進(jìn)線母線橋積灰嚴(yán)重，熱縮護(hù)套已卷曲燒損。處理后發(fā)熱現(xiàn)象消失。

3　結(jié)語

在實(shí)際應(yīng)用過程中，暫態(tài)地電壓檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、紅外檢測技術(shù)各有優(yōu)劣。暫態(tài)地電壓測試方法對尖端放電、電暈放電敏感有效，而對沿面放電、絕緣子表面放電不敏感。超聲波檢測對絕緣子內(nèi)部缺陷無能為力而對其他類型的放電較敏感。紅外檢測無法發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)早期的局部放電現(xiàn)象，但可以發(fā)現(xiàn)接觸不良等嚴(yán)重載流故障。

帶電檢測的目的是通過各種技術(shù)手段掌握設(shè)備真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，對設(shè)備故障進(jìn)行定性、定位，提前干預(yù)，防止設(shè)備事故的發(fā)生?，F(xiàn)場局部放電現(xiàn)象的電磁特征和產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜多變，而檢測工作受環(huán)境干擾和傳感器精度的影響較大，可能經(jīng)常出現(xiàn)誤判或漏判現(xiàn)象，給狀態(tài)評價(jià)工作帶來負(fù)面影響。在現(xiàn)有的儀器裝備技術(shù)水平下，應(yīng)充分發(fā)揮各種檢測方法的優(yōu)勢互補(bǔ)特性，不斷積累檢測數(shù)據(jù)，充分利用統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)和趨勢分析技術(shù)，為設(shè)備狀態(tài)評價(jià)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

［1］肖登明.電力設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2005.

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Comprehensive Application of Live Testing in Switchgear Detection

FU Zhaoyuan，GAO Zhaoli，JIAO Fangjun，SUN Yan，SU Na
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

The switchgear condition directly affects power supply reliability of distribution network.Live testing for the switchgear is one of the key measures to improve power supply reliability.Transient earth voltage test，ultrasonic test and infrared detection are commonly used in live testing.Advantages and disadvantages of these testing methods are analyzed combined with actual cases.Practical application shows that comprehensive utilization of these methods can detect defects accurately and improve operation reliability of the switchgear.

live testing；switchgear；engineering application；partial discharge

TM591

A

1007-9904（2016）01-0050-04

2015-09-23

付兆遠(yuǎn)（1987），男，工程師，主要從事高壓試驗(yàn)技術(shù)工作。