基于超聲波檢測的10kV開關(guān)柜電纜局放故障分析研究

海南電網(wǎng)海南輸變電檢修分公司 楊杰 梁盛樂 李曉洋

0 引言

10 kV金屬封閉式開關(guān)柜作為配網(wǎng)系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，是連接變壓器與用戶負荷的導體，其主要作用是進行開合、控制與保護用電設(shè)備，在整個電力系統(tǒng)配網(wǎng)中起重要作用。

文中針對某地級市部分開閉所中開關(guān)柜檢測案例，采用超聲波檢測技術(shù)對開關(guān)柜內(nèi)部電纜倉的局放進行了測量。為探究開關(guān)柜中電纜出現(xiàn)局放故障的深層次原因，對該地區(qū)檢測案例中電纜放電缺陷進行細致分類，討論分析了電纜分支放電的位置、形態(tài)、原因，并提出了具體的合理化建議。

1 超聲波局放檢測技術(shù)

電氣設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生局部放電的過程中，會伴隨產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，即在局部放電發(fā)生的區(qū)域由于脈沖電流的作用瞬間受熱膨脹，形成一個近似爆破的效果，當局放結(jié)束后表面膨脹效果消失。由于放電區(qū)域體積變化引起的介質(zhì)疏密變化形成超聲波，波形特征上表現(xiàn)為一連串的脈沖形式[1]。

超聲波以球面波的形式從局部放電點向四周傳播，針對開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生的局部放電，超聲波在傳播過程中會遇到不同的介質(zhì)，從而在柜體內(nèi)部經(jīng)過一系列的折反射，最后通過柜體縫隙傳播出來[2]。

超聲信號在傳播至分界面處會發(fā)生衰減，同時隨著傳輸距離的增加、開關(guān)柜內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的復雜性，多種介質(zhì)交織，信號能量受聲波擴散、介質(zhì)粘度、分子撞擊等原因逐漸衰減[3-4]。

針對開關(guān)柜內(nèi)的局部放電超聲信號可以利用非接觸式超聲傳感器沿柜體縫隙處進行檢測，通過檢測到的信號周期最大值、有效值、頻率成分、信號波形等特征，同時結(jié)合聆聽耳機中超聲信號的聲音特征對放電信號進行綜合檢測判斷。

2 現(xiàn)場檢測及分析

2016年11月份，使用超聲檢測技術(shù)對某地級市10kV分段#112開關(guān)柜進行局放帶電檢測時，發(fā)現(xiàn)超聲波信號檢測到異常，經(jīng)過對該開關(guān)柜停電消缺，電纜倉中電纜分支套管表面存在明顯的放電痕跡，現(xiàn)場照片及信號圖譜如圖1所示。

通過對上述信號進行綜合分析，幅值圖譜中周期最大值15dB，100Hz相位相關(guān)性較強，工頻周期內(nèi)信號呈現(xiàn)兩簇脈沖；結(jié)合停電消缺時觀測到的實際情況，判斷該開關(guān)柜下電纜室存在沿面放電。

后續(xù)對5個10kV開閉所進行例行局放帶電檢測，共檢測到11處開關(guān)柜存在明顯的異常超聲信號。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，上述局部放電信號源均集中在開關(guān)柜電纜倉電纜分支位置。

圖1 電纜倉實物圖及超聲檢測圖譜

3 10kV開關(guān)柜電纜缺陷統(tǒng)計

基于現(xiàn)場檢測結(jié)果，對上述開關(guān)柜中電纜分支缺陷進行深入分析，主要從放電點所在位置以及放電點形態(tài)兩方面展開。

3.1 電纜放電部位統(tǒng)計

電纜的基本結(jié)構(gòu)可分為銅導體、內(nèi)半導體層、主絕緣層、外半導體層、銅屏蔽層、內(nèi)護套、鎧裝層、外護套，如圖2所示。

圖2 電纜基本結(jié)構(gòu)圖

從現(xiàn)場解體的11個開關(guān)柜電纜倉電纜放電點位置進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，放電主要分布在下圖四個區(qū)域，如圖3所示，各區(qū)域所在詳細位置如下。

圖3 單芯電纜結(jié)構(gòu)示意圖

區(qū)域一：電纜導體與線鼻子連接部位及外部熱縮管交界區(qū)域；區(qū)域二：為剝離銅屏蔽與外半導電層后，僅剩主絕緣，外部套熱塑管這段區(qū)域；區(qū)域三：為應(yīng)力錐所在區(qū)域；區(qū)域四：銅屏蔽及外半導電層所在區(qū)域。

本次共參與解體了11處開關(guān)柜，電纜倉中分支電纜出現(xiàn)放電的實物圖如圖4所示。

圖4 單芯電纜四個區(qū)域放電點實物圖

根據(jù)各開關(guān)柜測試時間、放電點數(shù)、放電部位、前測試信號放電類型等信息統(tǒng)計出本次解體情況，如下表1所示。

表1 開關(guān)柜解體放電部位統(tǒng)計信息表

通過解體發(fā)現(xiàn)明顯的放電點35處，同時結(jié)合電纜終端結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)場解體觀察到各處放電點的位置統(tǒng)計，已解體開關(guān)柜電纜倉放電部位主要分布在電纜終端接頭、電纜中間區(qū)域、應(yīng)力管位置、銅屏蔽及外半導電層位置，各位置放電數(shù)量分別為10次、11次、4次、10次，其中部分放電點為三相或者兩相均同時存在，各位置所占比例如下圖5所示。

圖5 電纜各部位放電比例統(tǒng)計

由上圖可以看出，本次11次解體案例中電纜終端接頭、中間區(qū)域、銅屏蔽及外半導電層三個位置發(fā)生放電比例較為接近，其中位于電纜中間區(qū)域的放電比例最高，其次是處于電纜終端接頭與銅屏蔽及外半導電層位置，三者比例較為接近，處于懸空應(yīng)力管位置放電數(shù)量最少。

3.2 放電點形態(tài)統(tǒng)計

本次共參與解體了11處開關(guān)柜，根據(jù)各開關(guān)柜放電點形態(tài)不同，從而劃分為點狀或者區(qū)域、帶狀放電、環(huán)形放電，其放電形態(tài)如下圖6所示。

其中，下圖黑圈以及綠圈所示即為點狀（區(qū)域）型放電點；下圖藍圈所示部位即為帶狀放電部位，此處放電既沒有局限在某一區(qū)域，也沒有形成閉環(huán)放電通道，而是呈現(xiàn)帶狀形態(tài)；下圖紅圈所示即為環(huán)形放電形態(tài)，此處放電點呈現(xiàn)環(huán)形，熱縮管表面一圈均存在放電痕跡。

圖6 放電點形態(tài)劃分

就本次解體情況得出以下統(tǒng)計信息，如表2所示。通過解體發(fā)現(xiàn)明顯的放電點35處，通過對各放電點形態(tài)進行統(tǒng)計，點型/區(qū)域型放電、帶狀放電、環(huán)形放電數(shù)量分別為6次、5次、24次，各形態(tài)所占比例如下圖7所示。

表2 開關(guān)柜解體放電形態(tài)統(tǒng)計信息表

圖7 電纜各放電點形態(tài)比例統(tǒng)計

由上圖可知，合川區(qū)現(xiàn)有開關(guān)柜解體放電點統(tǒng)計中，放電點位置出現(xiàn)環(huán)形放電比例最高，達到69%；其次是出現(xiàn)點狀/區(qū)域型放電，達到17%。在現(xiàn)有統(tǒng)計樣本環(huán)境下，出現(xiàn)環(huán)形放電的次數(shù)最為普遍。

初步分析其原因主要為電纜受潮嚴重，同時部分電纜安裝工藝不合格導致電纜表面電場不均勻，在絕緣表面薄弱的位置發(fā)生放電。

4 故障原因分析及處理

為追溯上述放電的原因，對電纜分支表面不同位置出現(xiàn)不同形態(tài)的放電進行分析，以期減少同類缺陷的數(shù)量，更好地指導現(xiàn)場狀態(tài)檢修。

4.1 區(qū)域一放電位置

根據(jù)電纜頭制作工藝，終端接頭為電纜剝離主絕緣后經(jīng)過系列工藝，將導體插入線鼻子，兩部分共同構(gòu)成電纜終端接頭。結(jié)合現(xiàn)場解體數(shù)據(jù)，該區(qū)域出現(xiàn)放電多由于受到過往施工過程中不規(guī)范的工藝處理、設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)以及潮濕的環(huán)境等因素影響。

銅接管表面存在尖端毛刺。該原因主要由工藝制作不當引起。壓接線鼻子過程中，圓柱形銅接管經(jīng)線鉗壓結(jié)形成具有間隔錯位、局部帶有棱角的銅接管，壓結(jié)完畢需挫平線鼻子上的壓痕和毛刺。未經(jīng)打磨情況下，其表面的尖端突起未作打磨處理將在不均勻電場下會導致尖端放電，致使外部熱縮管發(fā)熱甚至灼燒出現(xiàn)豁口，同時由于部分地區(qū)較為潮濕，電纜倉潮氣嚴重，進而促進放電的發(fā)生。

主絕緣端口與線鼻子入口之間距離過大而未作絕緣填充。通過解體發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場電纜終端接頭處端口間距離過大的案例達到7例。端口之間距離太大未作填充，無可避免將引入潮氣，當電纜承受過電壓時將極易引起空氣擊穿，形成端口處的環(huán)形放電。

安裝工藝以及檢修處理工藝不當都可能導致絕緣受損、電場不均勻，從而引起此區(qū)域的局部放電。超聲波局部放電檢測技術(shù)能夠有效檢測開關(guān)柜中異常信號，通過綜合超聲信號幅值、相位、波形及聲音特征，判斷缺陷類型，提高局部放電普測效率。

潮氣、水分入侵：當電纜倉空氣濕度較大，且大氣壓力偏高時，極易在電纜、電纜連接導體、倉壁形成凝露。對于制作工藝較差的電纜，潮氣將無可避免地滲入熱縮管、冷縮管；對于電纜表面，外加由于空氣中的灰塵微粒的附著，無疑將降低電纜表面絕緣強度，極易形成具備放電的有利條件，一旦出現(xiàn)過電壓、過電流，局部放電便會產(chǎn)生。

4.2 區(qū)域二放電位置

結(jié)合現(xiàn)場解體情況，該區(qū)域電纜僅有外部主絕緣，該區(qū)域出現(xiàn)的放電多由絕緣受損引起，施工過程中的意外損傷遺留的劃痕或豁口均會在一定程度上改變區(qū)域表面場強，降低絕緣水平，容易導致局部放電的發(fā)生；一旦發(fā)生局部放電，將會形成惡性循環(huán)進一步破壞表面絕緣，加深該區(qū)域的劣化。

結(jié)合現(xiàn)場解體情況，該區(qū)域電纜僅有外部主絕緣，引起放電的因素主要有以下三個：

部分區(qū)域絕緣薄弱。由于制作工藝的緣故，電纜本體中芯線外表面不可能是標準圓，主絕緣層也不可能是標準的圓環(huán)，這將使得芯線對主絕緣表面的距離不會絕對相等，根據(jù)電場原理，主絕緣表面所處電場強度將不會處處均勻，最終導致電纜各部分的絕緣性能存在微小偏差，對于絕緣薄弱的地方在高壓情況下便容易發(fā)生放電。

熱縮不均勻。制作過程中套管收縮不均勻，遺留部分空氣在內(nèi)部，或者未能較好地調(diào)整火焰強度、保持距離、控制熱縮溫度，造成局部熱縮溫度太高烤焦熱縮管或者過分收縮，使其產(chǎn)生裂紋。

潮氣、水份入侵。其對電纜中間區(qū)域的影響與電纜終端接頭的影響相同，潮氣處于熱縮管內(nèi)部將有可能導致空氣擊穿；處于熱縮管表面的凝露則會同表面污垢一起，降低表面絕緣，引起軸向爬電。

現(xiàn)場解體時中間區(qū)域多處出現(xiàn)環(huán)形放電，放電是沿著絕緣薄弱的地方發(fā)生，同時由于內(nèi)部空氣的存在，在內(nèi)部形成帶狀或者其他不規(guī)則環(huán)形氣隙，電壓一旦過高將引起空氣擊穿。隨著放電次數(shù)的增加最終形成環(huán)形放電通道，甚至最終灼燒熱縮管形成豁口。潮氣的進一步侵入會加劇放電的發(fā)生，將會形成惡性循環(huán)進一步破壞表面絕緣，加深該區(qū)域的劣化。

4.3 區(qū)域三放電位置

在制作電纜頭時，剝離屏蔽層后，電纜原有的電場分布發(fā)生改變，將產(chǎn)生對絕緣極為不利的切向電場，該電場方向沿導線軸向延伸，此時電力線在屏蔽層端口處集中，該位置成為電纜最容易擊穿的部位。

為改善電力線的分布，在外半導電層外部涂抹一層應(yīng)力疏散膠，并將應(yīng)力錐套裝在外部。應(yīng)力錐的使用將減少切向發(fā)散的電力線，對應(yīng)效果如圖8所示。但是現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)存在應(yīng)力管內(nèi)部錯位，未與銅屏蔽層有效接觸而造成懸空的情況，從而形成一個懸浮于電場中的半導電體。

圖8 應(yīng)力錐度對電場分布影響

4.4 區(qū)域四放電位置

銅屏蔽層在正常運行時通過電容電流，當系統(tǒng)發(fā)生短路時，作為短路電流的通道，同時起到屏蔽電場的作用。外半導電層處在絕緣層與銅屏蔽層之間，與周圍兩層良好接觸，起到均勻電位的作用。

剝?nèi)チ算~屏蔽層的電纜，在相應(yīng)位置的電場分布將會發(fā)生改變，電場線將在此端口沿軸向集中向外散發(fā)，從而對主絕緣產(chǎn)生不利影響，造成斷口處主絕緣能力的薄弱。電纜中如果沒有銅屏蔽層與外半導電層，三芯電纜極有可能發(fā)生相間絕緣擊穿。安裝工藝上要求銅屏蔽與外半導電層端口之間距離達到20mm，銅屏蔽端口距離分支手套端口70mm。

通過現(xiàn)場解體發(fā)現(xiàn)，8處解體4處開關(guān)柜在該區(qū)域共發(fā)生7次發(fā)放電，引起放電的主要原因如下。

安裝工藝不規(guī)范?，F(xiàn)場部分開關(guān)柜未使用應(yīng)力管進行均勻場強，僅僅進行熱縮處理，或者安裝了應(yīng)力管卻不能保證與銅屏蔽、外半導電層的有效接觸面積致使應(yīng)力管作用失效。

檢修處理工藝不規(guī)范。銅屏蔽層端口處理不平整，存在突起，從而加劇電場的不均勻。同時在歷史問題處理中剝離更換熱縮管的過程中，主絕緣受到嚴重劃傷，表面遺留多處劃痕，且有一定深度。

上述安裝工藝以及檢修處理工藝不當都可能導致絕緣受損、電場不均勻，從而引起此區(qū)域的局部放電。

5 結(jié)論

為防止開關(guān)柜電纜倉中潮氣的侵入，在開關(guān)柜中可加強除濕通風，改善運行環(huán)境；電纜故障消缺過程中，注意施工工藝，盡量避免對電纜主絕緣的損傷，減少銅屏蔽層端口及電纜頭壓接管表面突起；使用熱縮套管時熱縮均勻或者使用冷縮套管，正確安裝、更換應(yīng)力錐；開關(guān)柜局放檢測過程中，檢測人員可綜合檢測結(jié)果及現(xiàn)場環(huán)境有針對性的關(guān)注電纜倉中異常。