高壓開關(guān)柜局部放電診斷定位技術(shù)研究與運(yùn)用

趙祥龍，焦 偉，劉成華，蓋 磊，李小龍

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276003）

0 引言

高壓開關(guān)柜的故障可分為：拒動(dòng)故障、誤動(dòng)故障、絕緣故障、載流故障、開斷與關(guān)合故障、外力故障及其他故障［1］。從故障對(duì)電網(wǎng)的影響程度看，絕緣和載流故障對(duì)電網(wǎng)的影響最大，占高壓開關(guān)柜所有故障的40%以上。并且絕緣和載流故障一旦發(fā)生，故障處理困難，處理時(shí)間長(zhǎng)，影響供電。目前常采用停電例行試驗(yàn)和帶電檢測(cè)的手段來發(fā)現(xiàn)此類故障隱患。停電例行試驗(yàn)，一方面對(duì)設(shè)備內(nèi)的固體絕緣有積累損害效應(yīng)，另一方面由于設(shè)備必須停電，造成供電可靠性下降［2-4］。帶電檢測(cè)是在設(shè)備運(yùn)行條件下進(jìn)行的檢測(cè)，能夠反映設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行狀況，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，并且不會(huì)影響供電。由于帶電檢測(cè)的優(yōu)越性，近幾年在電網(wǎng)中被廣泛使用［3］。高壓開關(guān)柜的帶電檢測(cè)主要是設(shè)備的局部放電檢測(cè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，引起高壓開關(guān)柜局部放電的主要因素包括：絕緣表面受潮和污穢、設(shè)備連接處的接觸不良、導(dǎo)體或柜體有金屬毛刺、設(shè)備內(nèi)部有金屬微粒、設(shè)備絕緣內(nèi)部氣隙放電等。

高壓開關(guān)柜內(nèi)的局部放電主要分為表面放電和內(nèi)部放電，發(fā)生放電時(shí)伴隨著聲、熱、光、電、磁等多種形式的物理現(xiàn)象以及氣體電離等化學(xué)反應(yīng)［5］。目前針對(duì)高壓開關(guān)柜局部放電采用的檢測(cè)方法有超聲法、暫態(tài)地電壓法、特高頻法等［6］。通過一起35 kV高壓開關(guān)柜的局部放電的案例，采用3種檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，并采用特高頻法對(duì)放電源進(jìn)行了精確定位，通過停電檢修驗(yàn)證了局部放電檢測(cè)和定位的準(zhǔn)確性。

1 局部放電檢測(cè)方法

1.1 超聲波局部放電檢測(cè)法

局部放電產(chǎn)生的聲信號(hào)頻率高于20 kHz時(shí)，人耳無法聽到，此頻段聲波為超聲波。依據(jù)局部放電的機(jī)理，局部放電在初期表現(xiàn)為微弱的輝光放電，釋放的能量很小，放電后期將出現(xiàn)強(qiáng)烈的電弧放電，釋放的能量很大，可見局部放電釋放的能量是從小到大變化的，則聲能也是從小到大變化的［7-8］。超聲波局部放電檢測(cè)法就是根據(jù)局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)的特征和大小來判斷局部放電發(fā)生的類型與強(qiáng)弱。檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 超聲波局部放電檢測(cè)原理

1.2 暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)法

高壓開關(guān)柜發(fā)生局部放電產(chǎn)生的電磁波在傳播過程中遇到金屬時(shí)，會(huì)在金屬中產(chǎn)生頻率相同的電流行波，電流行波以光速向各個(gè)方向傳播，受集膚效應(yīng)的影響，電流行波往往僅集中在金屬柜體的內(nèi)表面，而不會(huì)直接穿透金屬柜體［9-11］。但是，高壓開關(guān)柜有觀察窗、絕緣連接處等金屬不連續(xù)部位，電流行波就會(huì)在這些金屬不連續(xù)部位由高壓開關(guān)柜的內(nèi)表面?zhèn)鞑サ酵獗砻?，并且在外表面產(chǎn)生暫態(tài)對(duì)地電壓。由于電氣設(shè)備柜體存在電阻，電流行波在傳播過程中必然存在功率損耗，因此，金屬柜體外表面產(chǎn)生的暫態(tài)地電壓不僅與局部放電量有關(guān)，還會(huì)受到放電位置、傳播途徑及箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和金屬斷口大小的影響，暫態(tài)地電壓信號(hào)的強(qiáng)弱雖與局部放電量成正比，但比例關(guān)系復(fù)雜、多變且難以預(yù)見，也就無法根據(jù)暫態(tài)地電壓信號(hào)的測(cè)量結(jié)果定量推算出局部放電量的大?。?2］。通過暫態(tài)地電壓傳感器檢測(cè)其暫態(tài)地電壓的大小來反映內(nèi)部局部放電的強(qiáng)弱，檢測(cè)原理如圖2所示。

1.3 特高頻局部放電檢測(cè)法

設(shè)備中局部放電時(shí)產(chǎn)生的電流脈沖具有納秒級(jí)甚至皮秒級(jí)的上升前沿和極短的持續(xù)時(shí)間，能夠激發(fā)頻率高達(dá)數(shù)百兆赫茲及以上的電磁波。電磁波在設(shè)備內(nèi)傳播，經(jīng)由觀察窗、柜體縫隙等部位向外輻射。特高頻局部放電檢測(cè)是應(yīng)用內(nèi)置或外置特高頻傳感器，通過耦合設(shè)備中局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜局部放電檢測(cè)，檢測(cè)原理如圖3所示。

圖2 暫態(tài)地電壓檢測(cè)原理

圖3 特高頻局部放電檢測(cè)原理

實(shí)際巡視檢測(cè)時(shí)使用的是如圖4所示的便攜式局部放電檢測(cè)儀，該儀器具有超聲波局部放電、暫態(tài)地電壓局部放電和特高頻局部放電檢測(cè)等功能，能對(duì)局部放電產(chǎn)生的異常信號(hào)進(jìn)行快速診斷。局部放電源精確定位系統(tǒng)主要包含特高頻局部放電傳感器、示波器、信號(hào)調(diào)理器等設(shè)備，如圖5所示。

圖4 便攜式局部放電檢測(cè)儀

圖5 局部放電源精確定定位系統(tǒng)

2 缺陷檢測(cè)與分析定位

2.1 發(fā)現(xiàn)過程

2018年5月18日，試驗(yàn)人員對(duì)220 kV某變電站進(jìn)行帶電檢測(cè)巡檢時(shí)，在對(duì)站內(nèi)35 kV高壓室內(nèi)的開關(guān)柜進(jìn)行超聲波局部放電檢測(cè)，在35 kV 1號(hào)所變S31-1隔離開柜上方檢測(cè)到明顯的超聲波局放信號(hào)，在隔離開關(guān)柜柜頂中間縫隙區(qū)域最強(qiáng)，超聲周期最大值為13.0 mV，頻率成分1（50 Hz）為 0.3 mV 小于頻率成分 2（100 Hz）為 1.0 mV，如圖6～8所示，可知超聲波相位圖譜及波形圖譜具有工頻相關(guān)性，且相位圖譜每個(gè)周期有兩簇信號(hào)，成駝峰狀，具有明顯的聚集效應(yīng)，波形圖譜每個(gè)周期有兩組脈沖波形，波形形狀各不相同，且幅值不一，同時(shí)耳機(jī)中也具有放電特征聲音，根據(jù)這些超聲特征，依據(jù)Q/GDW 11059.1—2013《超聲波法局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則》，綜合判斷35 kV 1號(hào)所變S31-1隔離開關(guān)柜內(nèi)檢測(cè)到超聲波異常信號(hào)。

圖6 超聲波幅值圖譜

對(duì)35 kV開關(guān)柜進(jìn)行暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)，測(cè)試空氣背景讀數(shù)為13dB，金屬背景讀數(shù)為12 dB，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，1號(hào)所變S31-1隔離開關(guān)柜的信號(hào)最大，并且距離1號(hào)所變S31-1隔離開關(guān)柜越遠(yuǎn)的開關(guān)柜檢測(cè)數(shù)值越小。依據(jù)Q/GDW 11060—2013《交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備暫態(tài)地電壓局部放電帶電測(cè)試技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則》，若開關(guān)柜檢測(cè)結(jié)果與環(huán)境背景值的差值大于20 dB，需查明原因。

圖7 超聲波相位圖譜

圖8 2個(gè)周期內(nèi)超聲波波形圖譜

表1 暫態(tài)地電壓（TEV）測(cè)試數(shù)據(jù) dB

對(duì)35 kV 1號(hào)所變S31-1隔離開關(guān)柜進(jìn)行特高頻局部放電檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)及圖譜，如圖9所示?？芍馗哳lPRPD/PRPS圖譜具有的局放特征，PRPD/PRPS圖譜顯示在一個(gè)工頻周期出現(xiàn)兩簇局部放電信號(hào)，信號(hào)在工頻周期內(nèi)有很強(qiáng)的對(duì)稱性，依據(jù)Q/GDW 11059.2—2013《特高頻法局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則》，呈現(xiàn)明顯的放電特征。

圖9 特高頻PRPD/PRPS圖譜

2.2 定位分析

通過局部放電精確定位系統(tǒng)檢測(cè)可以看到示波器的綠色、黃色和紅色通道顯示在一個(gè)工頻周期內(nèi)有兩簇脈沖信號(hào)，呈現(xiàn)很均勻的特征，脈沖信號(hào)間隔時(shí)間基本相等，最大幅值約為1.22 V，如圖10所示，綜合判斷放電類型為金屬性放電。

圖10 特高頻信號(hào)圖譜

2.2.2 局放定位分析

為了準(zhǔn)確定位局部放電源的位置，采用特高頻局部放電平分面法和時(shí)差法進(jìn)行定位。采用平分面法進(jìn)行精確定位，步驟為：左右水平移動(dòng)兩傳感器，當(dāng)示波器兩個(gè)檢測(cè)通道的信號(hào)波形重疊時(shí)，則局部放電源位于兩個(gè)傳感器連線的垂直平分面P上，平分面法定位原理如圖11所示。

圖11 平分面法定位原理

在確定局部放電源位于O位置周圍后，可在鄰近開關(guān)柜縫隙處或者觀察窗分別放置兩個(gè)傳感器B1和B2，兩傳感器之間水平距離L，并通過示波器觀察兩個(gè)傳感器接收到的信號(hào)時(shí)間差Δt，設(shè)開關(guān)柜局部放電源距傳感器B1距離為x，按公式（1）計(jì)算局部放電源的準(zhǔn)確位置。時(shí)差法定位原理如圖12所示。

圖12 特高頻局部放電時(shí)差法定位

式中：c為電磁波等效傳播速度，3×108m/s。

第1次定位檢測(cè)判斷特高頻局部放電信號(hào)位置。傳感器信號(hào)來源定位波形如圖13所示，綠色傳感器波形上升沿位置超前于紅色傳感器，且紅色傳感器基本無特高頻信號(hào)，可知信號(hào)源位于開關(guān)柜內(nèi)部。

圖13 信號(hào)來源定位波形

第2次定位檢測(cè)局放信號(hào)左側(cè)定位分析。傳感器左側(cè)定位波形如圖14所示，綠色傳感器波形上升沿位置超前于紅色傳感器，可知信號(hào)源位于左側(cè)即35 kV 1號(hào)所變S31-1隔離開關(guān)柜開關(guān)柜。

圖14 左側(cè)定位波形

第3次定位檢測(cè)局放信號(hào)右側(cè)定位分析。傳感器右側(cè)定位波形如圖15所示，綠色傳感器波形上升沿位置超前于紅色傳感器，可知信號(hào)源位于右側(cè)即35 kV 1號(hào)所變S31-1隔離開關(guān)柜。

圖15 右側(cè)定位波形

第4次定位檢測(cè)局放信號(hào)橫向定位分析。傳感器橫向定位波形如圖16所示，綠色傳感器檢測(cè)到的信號(hào)波形與紅色傳感器檢測(cè)到的信號(hào)波形上升沿基本相同，由此可知信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間基本相同，說明局部放電信號(hào)源位于兩個(gè)傳感器連線垂直平分面上。

圖16 橫向定位波形

第5次定位檢測(cè)局部放電源縱向定位分析。傳感器縱向定位波形如圖17所示，上下移動(dòng)傳感器，綠色傳感器檢測(cè)到的信號(hào)波形與紅色傳感器檢測(cè)到的信號(hào)波形的上升沿基本一相同，可知信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間基本相同，說明局部放電源位于兩個(gè)傳感器連線垂直平分面上。

第6次定位檢測(cè)局放信號(hào)深度定位分析。傳感器深度定位波形如圖18所示，紅色傳感器放置在1號(hào)所變S31-1隔離開關(guān)柜后側(cè)觀察窗，綠色傳感器放置在1號(hào)所變S31-1隔離開關(guān)柜前側(cè)觀察窗，兩傳感器物理距離約為2.4 m（開關(guān)柜的前后距離）；根據(jù)示波器波形可以看出紅色波形超前綠色波形約6 ns，對(duì)應(yīng)的物理距離約為1.8 m。代入式（1）得出放電源距離綠色傳感器的距離大約為0.3 m的位置。

圖17 縱向定位波形

圖18 深度定位波形

綜上可判斷，局部放電位置在35 kV1號(hào)所變S31-1隔離開關(guān)柜右上部位的內(nèi)部往里30 cm處概率較大（初步判斷為A相），更進(jìn)一步的位置需結(jié)合開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)綜合判斷。

3 局部放電位置檢查與處理

經(jīng)過停電檢查發(fā)現(xiàn)在35 kV 1號(hào)所變S31-1隔離開關(guān)柜與311開關(guān)柜A相穿柜套管內(nèi)母線與套管屏蔽層之間發(fā)生了放電。為了使母線和套管屏蔽層之間形成等電位，在母線與套管屏蔽之間用屏蔽彈簧相連。長(zhǎng)期運(yùn)行，屏蔽彈簧的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)降低，材質(zhì)太軟，變形后不易恢復(fù)，如果受到外力或者設(shè)備電動(dòng)力的作用，屏蔽彈簧出現(xiàn)松動(dòng)，就會(huì)和套管屏蔽層接觸不良形成金屬性放電。經(jīng)過檢查套管內(nèi)部有明顯的放電灼燒痕跡，屏蔽彈簧由于放電燒蝕得非常嚴(yán)重，如圖19～20所示。通過更換套管和屏蔽彈簧消除了放電缺陷。

圖19 屏蔽彈簧放電燒蝕情況

圖20 套管屏蔽層放電燒蝕情況

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際工作中，開關(guān)柜局部放電檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于停電例行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量，局部放電檢測(cè)已經(jīng)成為開關(guān)柜狀態(tài)檢修的主要手段。超聲波局部放電檢測(cè)對(duì)外部放電缺陷和機(jī)械振動(dòng)比較靈敏，抗干擾能力較強(qiáng)；TEV是間接檢測(cè)電磁波信號(hào)，主要發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣缺陷，抗干擾能力差，較適用于純電纜進(jìn)線；特高頻局部放電檢測(cè)是直接對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)放電信號(hào)比較靈敏，對(duì)于機(jī)械振動(dòng)信號(hào)靈敏度較差。

放電源粗略定位時(shí)，可根據(jù)超聲波、暫態(tài)地電壓和特高頻局部放電的幅值大小進(jìn)行，而放電源精確定位時(shí)，采用特高頻定位技術(shù)的時(shí)差法和平分面法，在有條件的情況下還可以采用聲電聯(lián)合法進(jìn)行定位。