TEV、UT、UHF技術(shù)在開關(guān)柜局部放電檢測(cè)中的應(yīng)用

歐陽進(jìn)，張藍(lán)宇，鄒 磊，龔鶴騰，李 欣

（國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電公司，長沙 410007）

TEV、UT、UHF技術(shù)在開關(guān)柜局部放電檢測(cè)中的應(yīng)用

歐陽進(jìn)，張藍(lán)宇，鄒 磊，龔鶴騰，李 欣

（國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電公司，長沙 410007）

針對(duì)10 kV開關(guān)柜局部放電問題，為排除干擾，準(zhǔn)確判斷開關(guān)柜局部放電類型和放電點(diǎn)位置，提出采用暫態(tài)地電位(transient earth voltage,TEV)、超聲波(ultrasonic test,UT)、特高頻(ultra high frequency,UHF)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)的方法，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作中進(jìn)行了應(yīng)用和驗(yàn)證。結(jié)果表明：該聯(lián)合方法對(duì)開關(guān)柜設(shè)備缺陷的檢測(cè)與定位非常有效，提高了開關(guān)柜局部放電檢測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性。

帶電檢測(cè)；開關(guān)柜；特高頻檢測(cè)；超聲波檢測(cè)

電氣設(shè)備的長期運(yùn)行或者不正常運(yùn)行，內(nèi)部絕緣可能會(huì)發(fā)生某種劣化，在高電壓和電場(chǎng)環(huán)境下，絕緣性能將逐步下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致局部放電，甚至發(fā)生絕緣擊穿和損壞。一旦設(shè)備發(fā)生損壞，輕者對(duì)電力系統(tǒng)造成設(shè)備故障損失，重者造成人員事故甚至整個(gè)電網(wǎng)的崩潰，發(fā)生大面積停電，給社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，電氣設(shè)備的狀態(tài)，尤其是絕緣狀況，急需電力人員第一時(shí)間掌握［1-2］。

10 kV金屬封閉式開關(guān)柜因其操作方便、運(yùn)行可靠、占地較小等優(yōu)點(diǎn)在變電站廣泛使用，其安全運(yùn)行直接影響整個(gè)變電站乃至地區(qū)的電能質(zhì)量和供電可靠程度。僅僅依靠傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)（此方法還會(huì)對(duì)絕緣材料的性能有一定的損傷）和巡視檢查等辦法［3-4］，并不能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握設(shè)備內(nèi)部的一些局部放電缺陷。因其本體結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員和檢修人員在設(shè)備不停電的情況下，均很難發(fā)現(xiàn)其潛在的局部放電隱患。如何及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)局部放電隱患，是擺在電力工作者面前的重要難題。

開關(guān)柜封閉的金屬箱體上有接縫和小的玻璃窗，局部放電時(shí)所產(chǎn)生的各種電磁波信號(hào)可以由此泄漏出來，從而可在箱體外空間或箱殼表面進(jìn)行局部放電的檢測(cè)。目前，對(duì)開關(guān)柜設(shè)備局部放電的檢測(cè)方法主要有脈沖電流法、暫態(tài)對(duì)地電壓法、超聲法、特高頻法等。無論哪種檢測(cè)方法均有一定的局限性，針對(duì)這種情況可采用多種測(cè)試方法聯(lián)合檢測(cè)，取長補(bǔ)短，往往能達(dá)到事半功倍的效果。

1 局部放電檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 局部放電的基本特點(diǎn)

當(dāng)很小的范圍內(nèi)存在電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)集中、積累的微小放電會(huì)將絕緣介質(zhì)慢慢劣化，久而久之，絕緣體會(huì)被擊穿，導(dǎo)致故障逐步擴(kuò)大。當(dāng)局部放電發(fā)生后，在電氣設(shè)備內(nèi)部和外部均會(huì)不同程度地發(fā)生一些物理或者化學(xué)變化，例如發(fā)光、發(fā)熱、異響等等，并以電磁波、氣體或者聲波等形式向外釋放能量，而局部放電檢測(cè)正是利用這些特殊的信息特點(diǎn)，采取各種不同的方式進(jìn)行信息收集、分析，從而判斷局部放電的［5］。

1.2 暫態(tài)地電壓檢測(cè)法(TEV)

如果局部放電發(fā)生在相對(duì)大地絕緣的一個(gè)高壓設(shè)備上，比如金屬開關(guān)板或者電纜終端，電荷會(huì)從高壓導(dǎo)體耦合到接地的金屬外殼。這種電荷很少，通常情況是pF級(jí)的。通常情況下，耦合時(shí)間只有幾個(gè)ps級(jí)。當(dāng)局部放電發(fā)生的時(shí)候，電磁波向放電兩端傳輸，因?yàn)榧w效應(yīng)的影響，在金屬內(nèi)部的傳輸電壓不能從外部直接探測(cè)到，但是，在金屬外殼的一個(gè)開口處，電磁波可以傳到外部空間。電磁波上升沿在金屬外殼的表面產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)的地電壓，因此，這項(xiàng)技術(shù)被稱作暫態(tài)地電壓或地電波，這個(gè)瞬態(tài)電壓的上升時(shí)間是ns級(jí)的，峰值從mV級(jí)到V級(jí)不等。暫態(tài)地電壓的量值是放電峰值和傳播路徑的函數(shù)，傳播途徑的衰減自身是開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開口大小的函數(shù)。

一般來說，對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行暫態(tài)地電壓檢測(cè)，是將TEV傳感器緊貼在開關(guān)柜金屬柜壁上進(jìn)行檢測(cè)。該方法具有檢測(cè)操作簡(jiǎn)便、分析診斷方便的優(yōu)點(diǎn)，但容易受到檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的干擾，在空氣中衰減很快。

1.3 特高頻檢測(cè)法（UHF）

由于電力設(shè)備的絕緣體絕緣強(qiáng)度很高，具有很高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，因此，當(dāng)電力設(shè)備的絕緣體發(fā)生局部放電時(shí)，其擊穿過程十分迅速，上升時(shí)間會(huì)產(chǎn)生小于1 ns的脈沖電流，同時(shí)能夠激發(fā)出電磁波，且該電磁波的頻率為GHz數(shù)量級(jí)，這就是特高頻（UHF）電磁波。局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波的頻率大概在300 MHz到3 GHz之間。特高頻檢測(cè)法的基本原理就是通過使用特高頻傳感器來對(duì)電力設(shè)備中局部放電時(shí)產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，由于現(xiàn)場(chǎng)的電暈干擾主要集中在300 MHz頻段以下，因此特高頻法能有效地避開現(xiàn)場(chǎng)的電暈等干擾，具有較高的靈敏度和抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)局部放電帶電檢測(cè)、定位以及缺陷類型識(shí)別等功能。

1.4 超聲波檢測(cè)法（UT）

當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些物理特征，如振動(dòng)，會(huì)以聲波的形式向外傳播，聲波的頻率范圍從Hz級(jí)到MHz級(jí)，而人耳能聽到的只有低于20 Hz的聲波，其他無法聽見，高于這一頻率的聲波只能通過超聲波傳感器采集，通過超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析，最終判斷出設(shè)備局部放電的類型和程度。

該方法的特點(diǎn)是傳感器與電力設(shè)備的電氣回路無任何聯(lián)系，不受電氣方面的干擾，但在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)易受周圍環(huán)境噪聲或設(shè)備機(jī)械振動(dòng)的影響。由于超聲信號(hào)在電力設(shè)備常用絕緣材料中的衰減較大，超聲波檢測(cè)法的檢測(cè)范圍有限，但具有定位準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，超聲檢測(cè)技術(shù)適用于對(duì)開關(guān)柜、互感器等在運(yùn)設(shè)備的電暈放電進(jìn)行檢測(cè)及定位，對(duì)電暈、爬電、電弧和較強(qiáng)的局部放電較有效。根據(jù)檢測(cè)傳感方式的不同，該方法可以分為接觸式與非接觸式2種。對(duì)于開關(guān)柜來說，一般使用非接觸式的檢測(cè)方法，即對(duì)空氣中的聲波進(jìn)行檢測(cè)，可將傳感器放置在開關(guān)柜的縫隙處進(jìn)行檢測(cè)。

2 TEVTEV、UTUT、UHFUHF聯(lián)合檢測(cè)

綜上所述，由于開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，干擾源較多及局部放電信號(hào)通常較小等原因，采用單一的TEV，UT，UHF方法進(jìn)行帶電檢測(cè)，難以準(zhǔn)確完成對(duì)開關(guān)柜的局部放電檢測(cè)，因此本文提出了采用TEV，UT，UHF聯(lián)合檢測(cè)的方法進(jìn)行帶電檢測(cè)，綜合運(yùn)用3種帶電檢測(cè)技術(shù),多角度判斷故障性質(zhì)、類別。

在巡檢中，可充分利用暫態(tài)地電壓檢測(cè)法檢測(cè)操作簡(jiǎn)便、分析診斷方便的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行普測(cè)，記錄數(shù)據(jù)異常的開關(guān)柜，再利用超聲波檢測(cè)進(jìn)行進(jìn)一步分析,判斷是否存在局部放電，判斷出設(shè)備可能的局部放電的類型和程度，最后采用特高頻檢測(cè)排除可能的機(jī)械振動(dòng)等干擾進(jìn)行驗(yàn)證，并通過特高頻檢測(cè)對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，為下一步的停電檢修提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)意見。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某110 kV變電站進(jìn)行例行的帶電檢測(cè)工作中，該供電公司電氣試驗(yàn)班人員在對(duì)10 kV開關(guān)柜設(shè)備進(jìn)行暫態(tài)地電壓普測(cè)，發(fā)現(xiàn)某開關(guān)柜測(cè)試數(shù)據(jù)明顯高于背景數(shù)據(jù)和其他開關(guān)柜，之后對(duì)其進(jìn)行超聲波、特高頻檢測(cè)排除干擾，確定其有局部放電信號(hào)，并判斷出局部放電類型，最后利用特高頻定位技術(shù)，對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行了定位。

3.1 暫態(tài)地電壓數(shù)據(jù)結(jié)果分析

對(duì)某110 kV變電站10 kV高壓室內(nèi)開關(guān)柜進(jìn)行TEV、UT、UHF檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行編號(hào)300開關(guān)柜（以下簡(jiǎn)稱300開關(guān)柜）數(shù)據(jù)異常，測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。由表2可見300開關(guān)柜后上柜門有TEV、UT、UHF檢測(cè)數(shù)據(jù)的異常。

表1 10 kV高壓室背景測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 10 kV高壓室第一排開關(guān)柜測(cè)試數(shù)據(jù)

按照開關(guān)柜的排列順序?qū)δ?10 kV變電站10 kV高壓室300開關(guān)柜進(jìn)行TEV測(cè)試，選擇前中、前下，后上、后中、后下5個(gè)點(diǎn)記錄TEV測(cè)量值，按照開關(guān)柜的分布情況，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，繪制數(shù)據(jù)圖，如圖1所示。地電波數(shù)據(jù)在40～45 dB范圍內(nèi)波動(dòng)，按照國網(wǎng)開關(guān)柜地電波測(cè)試數(shù)值大于20 dB為異常，判斷該高壓室多面開關(guān)柜局部放電地電波測(cè)試數(shù)據(jù)異常，下一步結(jié)合超聲波和特高頻的數(shù)據(jù)對(duì)地電波數(shù)據(jù)異常的開關(guān)柜進(jìn)行分析判斷。

圖1 300開關(guān)柜TEV測(cè)試橫向比較圖譜

3.2 超聲異常數(shù)據(jù)分析

檢修人員之后對(duì)某110 kV變電站10 kV高壓室內(nèi)的開關(guān)柜進(jìn)行超聲波信號(hào)普測(cè)，再次在300開關(guān)柜檢測(cè)到異常局部放電超聲信號(hào)，具體的數(shù)據(jù)及圖譜如圖2所示：超聲周期最大值為36.9 dB。按照國網(wǎng)帶電檢測(cè)相關(guān)規(guī)定超聲波周期最大值大于15 dB定為缺陷，且存在50 Hz頻率成分1＜100 Hz頻率成分2兩個(gè)超聲波異常的信號(hào)量。

圖2 超聲波測(cè)試最大點(diǎn)信號(hào)圖

如圖3超聲波測(cè)試飛行圖譜所示，進(jìn)行超聲波的連續(xù)檢測(cè)，在2個(gè)周期的觀察窗內(nèi)可以看到每個(gè)工頻周期出現(xiàn)兩簇脈沖信號(hào)，檢測(cè)儀器耳機(jī)里聽見很大的“嗡嗡”聲，結(jié)合暫態(tài)地電位檢測(cè)數(shù)據(jù)，判斷信號(hào)為懸浮放電信號(hào)。由于震動(dòng)的聲音較大，肉耳也能聽見，不排除放電聲音淹沒在震動(dòng)聲音里的可能性，需結(jié)合特高頻信號(hào)進(jìn)一步對(duì)該開關(guān)柜進(jìn)行分析判斷。

圖3 超聲波測(cè)試飛行圖譜

3.3 特高頻異常數(shù)據(jù)分析

檢修人員再通過特高頻模式對(duì)該110 kV變電站10 kV高壓室內(nèi)所有開關(guān)柜進(jìn)行特高頻信號(hào)普測(cè)，在300開關(guān)柜柜發(fā)現(xiàn)特高頻異常信號(hào)，具體數(shù)據(jù)及圖譜如圖4所示，在一個(gè)周波內(nèi)存在兩簇明顯的放電脈沖信號(hào)1、2，且這兩簇信號(hào)具有180°的相位差，位于正負(fù)半周上；放電脈沖信號(hào)3數(shù)值較小且不存在周期性，應(yīng)排除其為現(xiàn)場(chǎng)干擾。

圖4 特高頻波形圖譜

對(duì)300開關(guān)柜進(jìn)行測(cè)試，特高頻圖譜如圖5所示，從左圖一個(gè)周期的觀察窗可以看到每個(gè)工頻周期出現(xiàn)兩簇脈沖信號(hào)，而通過右圖連續(xù)50個(gè)周期的觀察窗可以看到兩簇脈沖信號(hào)信號(hào)工頻相關(guān)性強(qiáng)，相位相差180°，信號(hào)具有局部放電特征，可以排除信號(hào)為現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)的干擾，綜合之前另2種方法得到檢測(cè)數(shù)據(jù)，判斷為周期性的懸浮放電。

圖5 特高頻圖譜

4 效果評(píng)價(jià)

（1）聯(lián)合檢測(cè)方法首先利用暫態(tài)地電位巡檢發(fā)現(xiàn)了300開關(guān)柜局部放電異常，再利用超聲波檢測(cè)排除了較大背景噪音的干擾，對(duì)局部放電類型進(jìn)行了初步判斷，最后通過特高頻檢測(cè)，排除了機(jī)械振動(dòng)的可能，準(zhǔn)確判斷出存在局部放電部位和放電類型。

（2）單一采用暫態(tài)地電位檢測(cè)方法，雖能發(fā)現(xiàn)異常，但因空氣中有較大的背景干擾，無法排除干擾，因而無法確認(rèn)300開關(guān)柜是否存在局部放電；單一采用超聲波檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)超聲波異常，耳機(jī)也能聽到有嗡嗡”聲，但由于現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)聲較大，無法排除超聲波異常是否來自于震動(dòng)，因而無法確認(rèn)300開關(guān)柜是否存在局部放電；單一采用特高頻檢測(cè)雖能發(fā)現(xiàn)局部放電信號(hào)，但現(xiàn)場(chǎng)干擾較大時(shí)，局部放電信號(hào)也容易淹沒在背景噪聲中，定位準(zhǔn)確度較差，而聯(lián)合檢測(cè)方法有效克服了單一方法檢測(cè)的弊端，利用暫態(tài)地電位快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行巡檢，快速地發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備，再利用超聲波檢測(cè)進(jìn)一步確認(rèn)異常信號(hào)是否是局部放電，并完成局部放電類型的初步判斷，最后利用特高頻檢測(cè)，排除超聲波檢測(cè)中震動(dòng)對(duì)信號(hào)的干擾，試驗(yàn)人員根據(jù)超聲波檢測(cè)到的局部放電情況，提高特高頻檢測(cè)時(shí)的信噪分離參數(shù)設(shè)置，在背景噪聲中，確定檢測(cè)到的局部放電信號(hào)。在現(xiàn)場(chǎng)干擾較大的情況下，采用聯(lián)合檢測(cè)方法排除干擾準(zhǔn)確。

（3）本次聯(lián)合檢測(cè)為狀態(tài)檢修工作提供了參考數(shù)據(jù)，將加強(qiáng)對(duì)該開關(guān)柜的帶電檢測(cè)追蹤工作，保證了設(shè)備和電網(wǎng)的安全運(yùn)行，并且為進(jìn)一步的停電檢修提供了方向和指導(dǎo)性數(shù)據(jù)，節(jié)約了停電檢修時(shí)間，減少了停電造成的各方面損失。

5 結(jié)論

（1）本文采用暫態(tài)地電位、超聲波和特高頻檢測(cè)3種測(cè)試方法聯(lián)合檢測(cè)，對(duì)開關(guān)柜設(shè)備缺陷的檢測(cè)與放電類型定性是非常有效的。

（2）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，綜合運(yùn)用多種局部放電檢測(cè)手段，取長補(bǔ)短，可提高測(cè)試的準(zhǔn)確性與可靠性。

（3）對(duì)開關(guān)柜的局部放電檢測(cè)，因無定位設(shè)備還無法對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位，下一步應(yīng)結(jié)合高頻電流傳感器，采用特高頻-超聲波聯(lián)合定位對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位，為檢修消缺提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

［1］ 張燦華.基于特高頻、超聲波、TEV局部放電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用及研究[D].山東大學(xué)，2015.

［2］ 岳彩鵬，侯憲法，董亞.TEV與UHF技術(shù)在開關(guān)柜局部放電檢測(cè)中的應(yīng)用[J].山東電力技術(shù)，2016,2(43): 78-80.

［3］ 陳葒.特高頻法在開關(guān)柜局部放電檢測(cè)中的應(yīng)用[J].廣西電力，2015,12(38)：60-63.

［4］ 黃詩敏，10 kV開關(guān)柜局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用與仿真分析研究[D].北京交通大學(xué)，2015.

［5］ Q/GDW 11400—2015,電力設(shè)備高頻局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則[S].

Application of partial discharge detection for switch cabinet with TEV、UT、UHF combined technique

OUYANG Jin,ZHANG Lanyu,ZOU Lei,GONG Heteng,LI Xing
(Changsha Power Supply Filiale of State grid Hunan Power Co.,Changsha Hunan 410007,China)

Aiming at the fault of 10 kV switch cabinet partial discharge,in order to get rid of the disturbance, judges accurately the discharge type and discharge point position,puts forward the method of using transient earth voltage(TEV),ultrasonic and ultra high frequency(UHF)makes combined detection,and makes verification in the practical fault locale.The result shows that this combined method is very effective in detection and fix position of switch cabinet defection,improves the accuracy and efficiency of partial discharge fault detection for switch cabinet.

live detection;switch cabinet;ultra high frequency(UHF)detection;ultrasonic detection

TM83

B

1672-3643（2017）01-0039-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.008

2016-11-09

歐陽進(jìn)（1990），男，工學(xué)碩士，助理工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化及智能變電站一次設(shè)備研究工作。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.008