高壓開關(guān)柜局部放電檢測及定位方法研究

金 亮

(國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司，上海 200072)

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大以及對供電可靠性要求的不斷提高，高壓開關(guān)柜被越來越多地應(yīng)用到變電站建設(shè)中。開關(guān)柜全封閉的結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)致其故障難以及時發(fā)現(xiàn)，極大地影響了高壓開關(guān)柜運行的可靠性。傳統(tǒng)的開關(guān)柜檢修主要采取計劃檢修和例行性檢修相結(jié)合的方式，無法及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，隨著檢測手段的不斷更新，國家電網(wǎng)公司在運維中逐步應(yīng)用狀態(tài)檢修策略進行開關(guān)柜維護。

開關(guān)柜的狀態(tài)檢修[1-3]內(nèi)容包括紅外檢測、鐵心接地電流檢測、紫外檢測、局部放電(以下簡稱局放)檢測、油色譜檢測等項目，在這些項目中局放是最常用的一種故障檢測手段。局放檢測主要包括暫態(tài)地電壓檢測、特高頻檢測、超聲波檢測以及高頻電流檢測等檢測方法，每種檢測方法都有其優(yōu)點及其局限性,檢修人員在工作中難以判斷何種方法更適合現(xiàn)場需求。通過對現(xiàn)階段開關(guān)柜局放檢測中常見的檢測及定位方法進行分析，應(yīng)用實例說明常見局放檢測手段在開關(guān)柜局放測試中的使用方法和注意事項，為局放檢測方法的選取提供參考。

1 局放檢測的必要性

開關(guān)柜中設(shè)備的放電損壞過程可以分為未擊穿狀態(tài)、間歇擊穿狀態(tài)和完全擊穿狀態(tài)三個階段，局放過程涵蓋未擊穿和間歇擊穿兩個狀態(tài)。其中，未擊穿狀態(tài)主要有輝光放電、電暈放電、刷狀放電等形式，在這個狀態(tài)下設(shè)備雖然發(fā)生了一定程度的放電現(xiàn)象，但其總體絕緣仍保持在較高水平，此時及時消除放電源可以避免設(shè)備進一步損壞。間歇擊穿狀態(tài)主要指火花放電，在該狀態(tài)下設(shè)備絕緣水平已經(jīng)發(fā)生了劣化，無法繼續(xù)使用，此時及時消除放電源并更換絕緣損壞的設(shè)備可以防止事故進一步擴大。完全擊穿狀態(tài)主要指電弧放電狀態(tài)，在這個狀態(tài)下設(shè)備已經(jīng)被嚴(yán)重?fù)p壞，由于電弧放電屬于嚴(yán)重放電，因此發(fā)展至該階段的開關(guān)柜存在隨時爆炸的危險。通過對開關(guān)柜放電過程的分析可以知道，在開關(guān)柜中設(shè)備發(fā)生局放時對其放電情況進行檢測和處理能有效避免設(shè)備的進一步損壞。

2 局放測試可行性及與放電量關(guān)系研究

2.1 開關(guān)柜局放測試可行性研究

開關(guān)柜在運行中由于產(chǎn)品質(zhì)量以及運行環(huán)境等原因會導(dǎo)致某些部位的絕緣劣化。當(dāng)開關(guān)柜中的電場發(fā)生畸變時，這些部位會因為絕緣無法滿足要求而發(fā)生局部放電現(xiàn)象。局放發(fā)生的過程中會有聲、光、電等方面的變化，并會隨之產(chǎn)生一定的電磁波以及機械波，因此只需對產(chǎn)生的機械波、電磁波、聲、光、電等信息進行檢測，即可對開關(guān)柜局放的位置以及嚴(yán)重程度等信息進行判斷，從而為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供依據(jù)。

2.2 局放數(shù)值與放電量關(guān)系研究

現(xiàn)有局放檢測手段測試出的局放值與實際放電量并沒有嚴(yán)格的定量關(guān)系，僅為定性描述。在實際運行中，通常采取基于比較法的方式進行局放水平分析。

變電站正常運行時，開關(guān)室內(nèi)的局放數(shù)值通常在20 dB以內(nèi)，如果局放數(shù)值在20～50 dB，則說明存在局放過大的可能性。但是由于有些局放過大的情況是由于開關(guān)柜所帶負(fù)載過大造成的，因此對于此種情況需要進行密切關(guān)注，通常的做法是發(fā)現(xiàn)該問題后加強定期檢測。如果局放數(shù)據(jù)超過50 dB，則基本可以認(rèn)定該開關(guān)室內(nèi)存在放電，需要采用局放定位方法對局放具體位置進行定位及檢修處理。

3 局放測試方法及現(xiàn)場測試

常見的開關(guān)柜局放測試方法包括特高頻測試、超聲波測試、暫態(tài)地電壓測試、高頻電流測試等，其中暫態(tài)地電壓、超聲波、特高頻是在變電站運維中經(jīng)常使用的局放水平測試方法。在局放位置定位中最常使用的測試方法為超聲波定位法、特高頻定位法，在測試中采用哪種方法需要根據(jù)現(xiàn)場情況而定。下面以某35 kV開關(guān)站為例，介紹局放檢測及定位的詳細(xì)過程。

3.1 背景局放測試

局放測試時，為了對局放水平進行評估，需要對開關(guān)室內(nèi)的空氣以及金屬局放水平進行檢測。對空氣進行局放水平測試的方法為在開關(guān)室內(nèi)懸空放置一塊金屬板，把局放測試儀的探頭垂直緊貼金屬板進行測量，經(jīng)測試本開關(guān)站內(nèi)的空氣局放水平值為39 dB。對金屬局放的測試方法為選定開關(guān)室內(nèi)某接地的金屬物(例如：金屬窗、金屬門、斷路器轉(zhuǎn)運手車)，將局放測試儀的探頭垂直緊貼接地金屬物的表面進行測量，經(jīng)測量本開關(guān)室內(nèi)的金屬局放水平值為53 dB。由于開關(guān)室內(nèi)各處的局放水平可能有差異，建議對多個點進行空氣局放及金屬局放的測量，之后對多個測量結(jié)果取平均值得到最終測試結(jié)果。由測量結(jié)果可知，本開關(guān)室內(nèi)的局放背景值偏高，初步確定有放電情況。

3.2 暫態(tài)地電壓檢測

暫態(tài)地電壓測試[4]是開關(guān)柜局放測試中最常使用的測試方法，其目的在于對開關(guān)室內(nèi)各開關(guān)柜的局放水平進行測量，通過對比確定放電點的大體位置。其原理在于開關(guān)柜中發(fā)生局部放電時，開關(guān)柜的表面上會產(chǎn)生在金屬中傳播的高頻電流波，在開關(guān)柜的金屬接縫處該電流波以電磁波的形式輻射出來，通過對該電磁波的強度進行測量即可得到局放水平。

本開關(guān)站中共有各種開關(guān)柜14臺，檢測時空氣溫度為22℃，空氣濕度為61%，天氣晴。這14臺開關(guān)柜在開關(guān)室內(nèi)分兩列布置，故其中4臺位于端部的開關(guān)柜需要對前中、前下、后上、后中、后下、側(cè)上、側(cè)中、側(cè)下8個位置進行測量，其他位于中間位置的開關(guān)柜不需要對側(cè)面進行測量。由于暫態(tài)地電壓的特殊性，因此在測試點的選取時需要靠近開關(guān)柜的接縫處進行測量，測試結(jié)果如表1所示。

由表1中的測試數(shù)據(jù)可以看出，位于一段母線上的開關(guān)柜局放值明顯高于位于二段上的開關(guān)柜的局放值，繼83開關(guān)柜的局放值明顯高于其他位于一段母線上的開關(guān)柜的局放值，因此可以初步判斷放電點位于繼83開關(guān)柜附近。

3.3 超聲波檢測

由于超聲波在開關(guān)柜中的傳播距離較近，只有在放電點附近才可以檢測到超聲波信號，故可以利用這一特點對放電的開關(guān)柜進行復(fù)測，進一步確定發(fā)生放電的開關(guān)柜的位置。通過對繼83開關(guān)柜及周邊的開關(guān)柜進行檢測發(fā)現(xiàn)該開關(guān)柜處超聲信號中既有50 Hz的信號，又有100 Hz的信號，具有很強的周期性特點，排除了顆粒放電的可能性。其局放有效值為8.5 mV，周期最大值為31.6 mV，明顯高于其兩側(cè)的開關(guān)柜，結(jié)合暫態(tài)地電壓的測試結(jié)果基本可以確定該開關(guān)柜為放電開關(guān)柜。此外，為了提高超聲波檢測的準(zhǔn)確性，在采用接觸式超聲波傳感器緊貼開關(guān)柜檢測時必須在開關(guān)柜表面涂抹電力硅脂。開關(guān)柜超聲波檢測圖如圖1所示。

表1 開關(guān)柜局放值測定 dB

圖1 開關(guān)柜超聲波檢測圖

3.4 特高頻檢測及定位

由開關(guān)柜的暫態(tài)地電壓和超聲波測試結(jié)果，基本可以認(rèn)定放電點位于繼83開關(guān)柜內(nèi)，為了對其精確位置進行檢測，需要采用特高頻檢測法。特高頻[5-6]信號的特點是可以穿過金屬板傳播，檢測時通常采用兩個特高頻傳感器，距離放電點近的傳感器會首先接收到放電信號。不斷對兩個傳感器的位置進行調(diào)整，當(dāng)放電信號到達(dá)兩個傳感器的時間相同時，說明放電點即位于兩個傳感器的中線上，通過此原理測試出開關(guān)柜的放電點位于開關(guān)柜的避雷器艙內(nèi)。開關(guān)柜特高頻檢測圖如圖2所示。

圖2 特高頻檢測圖

4 消缺處理及復(fù)測

為了消除該放電缺陷的影響，對繼83開關(guān)柜內(nèi)進行了停電消缺處理，解體后可以看出B相避雷器引線對絕緣擋板產(chǎn)生了放電。初步分析放電原因為該避雷器因長時間運行發(fā)生了劣化，絕緣層表面的灰塵進一步降低了絕緣強度，最終造成了放電事故的發(fā)生。放電點現(xiàn)場圖如圖3所示。對該避雷器進行更換后，各開關(guān)柜復(fù)測結(jié)果均恢復(fù)到20 dB以下，局放處理完畢。

圖3 放電點現(xiàn)場圖

5 結(jié)語

本文首先對開關(guān)柜設(shè)備的放電損壞過程進行了分析，論證了開關(guān)柜局放檢測對于防止設(shè)備進一步損壞的重要性。對開關(guān)柜局放發(fā)生時的現(xiàn)象進行分析，說明了開關(guān)柜局放檢測的可行性。對開關(guān)柜常見的局放檢測及定位方法進行了分析，并通過一個案例介紹了局放常見檢測及定位方法的使用過程及注意事項，為檢修人員進行局放檢測方法的選取提供了參考。這對供電企業(yè)中開關(guān)柜局放檢測及狀態(tài)檢修的開展具有一定的參考作用。