局部放電檢測技術(shù)在高壓開關(guān)柜上的應(yīng)用分析

鄺玉芳 傅國強(qiáng) 江軍

摘 要 局部放電檢測是在不停電狀態(tài)下了解電氣設(shè)備健康狀態(tài)的重要技術(shù)手段之一。本文對目前采用不同原理的幾種較為成熟局放檢測技術(shù)，在應(yīng)用于高壓開關(guān)柜上時(shí)的特點(diǎn)、效果、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較和探討。實(shí)驗(yàn)表明，超高頻局部放電檢測技術(shù)能有效、準(zhǔn)確、靈敏監(jiān)測到開關(guān)柜的局部放電信號，較為適合用于對高壓開關(guān)柜開展局部放電在線監(jiān)測。

關(guān)鍵詞 高壓開關(guān)柜;局部放電;脈沖電流;超聲波;特高頻

引言

高壓開關(guān)柜健康可靠運(yùn)行是電網(wǎng)安全運(yùn)行及確保供電可靠性的基礎(chǔ)，因此，設(shè)備運(yùn)維人員一直致力于提高高壓開關(guān)柜的健康度和運(yùn)行可靠性，但由于開關(guān)柜運(yùn)行數(shù)量龐大，安裝布點(diǎn)分散，加上停電困難、運(yùn)維人員不足及開關(guān)柜各主要部件均被包裹在金屬外殼內(nèi)不便于日常維護(hù)檢查等客觀原因，往往容易造成開關(guān)柜實(shí)時(shí)運(yùn)行情況不被掌握，隱患不被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除，以致開關(guān)柜燒毀、絕緣擊穿的事故還時(shí)有發(fā)生，故探討如何更好應(yīng)用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掌握開關(guān)柜運(yùn)行狀況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)備隱患具有重要意義。

1高壓開關(guān)柜的常見故障及隱患

高壓開關(guān)柜常見故障及隱患概括起來主要有兩類：一是拒動、誤動故障。一般由機(jī)械異常和電氣回路缺陷造成，具體表現(xiàn)為開關(guān)機(jī)構(gòu)卡澀、部件變形損壞、二次接線接觸不良、接線錯(cuò)誤、分合閘線圈因機(jī)構(gòu)卡澀或輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換不良造成燒損、輔助接點(diǎn)異常等缺陷。 二是絕緣失效故障。原因是絕緣件、絕緣材料內(nèi)部、外表絕緣不良造成，具體表現(xiàn)為滅弧室及波紋管漏氣造成真空泡真空度降低、支持絕緣子破裂、絕緣件表面污穢、對地絕緣不良、相間絕緣不足、小動物進(jìn)入、載流導(dǎo)體接頭接觸不良、絕緣件內(nèi)部缺陷、設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行后絕緣件老化、受潮等。一般情況下，拒動、誤動故障不會對開關(guān)柜本體造成損壞，而絕緣失效方面故障將會造成開關(guān)柜損壞或燒毀，嚴(yán)重時(shí)波及旁邊設(shè)備甚至整段母線[1]。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，高壓開關(guān)柜絕緣失效方面故障引發(fā)的事故率約為0.011次/百臺·年;在影響設(shè)備安全運(yùn)行的缺陷中，絕緣失效缺陷的缺陷率約為0.404次/百臺·年，占開關(guān)柜總?cè)毕輸?shù)的40%以上;內(nèi)部絕緣失效和劣化缺陷給開關(guān)柜的安全運(yùn)行帶來了巨大隱患。

2高壓開關(guān)柜的局部放電特性

局部放電 （partial discharge） 通常是指設(shè)備絕緣系統(tǒng)中部分被擊穿的電氣放電，在高壓開關(guān)柜上主要表現(xiàn)為：導(dǎo)體和柜體內(nèi)表面上的金屬突出物引起的尖端放電，金屬部件接觸不良或應(yīng)接地金屬部件接地不良引起的懸浮電位放電，絕緣件表面污穢、受潮和凝露引起的沿面放電及開關(guān)柜絕緣件介質(zhì)不均勻，存在氣泡或者雜質(zhì)，使局部的場強(qiáng)增大引起的內(nèi)部放電等。

造成高壓開關(guān)柜出現(xiàn)局部放電的主要原因有：①生產(chǎn)及安裝施工過程因工藝不良造成設(shè)備金屬部件出現(xiàn)尖端、毛刺，絕緣部件、介質(zhì)出現(xiàn)破損、裂紋等異常情況，以及應(yīng)接地金屬部件接地不良、導(dǎo)體接頭緊固不足造成接觸不良等均有可能引發(fā)局放;②長時(shí)間運(yùn)行后開關(guān)柜絕緣介質(zhì)老化、絕緣強(qiáng)度下降引發(fā)局部放電。③為降低生產(chǎn)成本，開關(guān)柜廠家采用了強(qiáng)度不足、工藝不良、可靠性低及不滿足使用環(huán)境要求的金屬部件、材料和絕緣介質(zhì)，使開關(guān)柜出廠便攜帶安全隱患;④高壓開關(guān)柜長期處于高溫、高濕、高污染環(huán)境下運(yùn)行，設(shè)備絕緣件表面臟污形成污閃放電，以及金屬部件生銹形成的尖端放電和導(dǎo)體觸頭氧化引發(fā)接觸不良產(chǎn)生的放電等[2]。

3高壓開關(guān)柜局放檢測方式

局部放電時(shí)，高能量電子或加速電子的高速運(yùn)動將引起多種物理效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，因此局部放電往往伴隨電脈沖、超聲波、電磁輻射、光、化學(xué)反應(yīng)以及局部發(fā)熱等現(xiàn)象。基于上述信號，目前用于局部放電監(jiān)測的方法有脈沖電流法、超聲波法、暫態(tài)地電位法、光測法、化學(xué)檢測法、紅外檢測和特高頻檢測法等多種方法。其中脈沖電流法、超聲波+暫態(tài)地電位法及特高頻法是對高壓開關(guān)柜開展局放監(jiān)測最為常用和成熟的方法。

（1）脈沖電流法。每一次局部放電都會產(chǎn)生一個(gè)陡峭的電流脈沖信號，脈沖電流法就是基于測量該脈沖電流實(shí)現(xiàn)局部放電監(jiān)測的。該方法一般通過測量阻抗在耦合電容側(cè)或通過 Rogowski 線圈（又稱羅氏線圈）測取由局放引起的脈沖電流，獲得視在放電量、放電相位等放電信息。這是最早研究及開展的一種局部放電檢測方法，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、實(shí)時(shí)性好，且可測得放電量、放電重復(fù)率、平均電流等，相對于超高頻檢測法，脈沖電流法檢測設(shè)備簡單，價(jià)格上也相對便宜，但缺點(diǎn)是脈沖電流法主要采集局放信號較低頻段的視在放電量，而干擾噪聲頻譜也主要分布在小于1MHz 的頻帶范圍內(nèi) ，使得脈沖電流法測得的局放信號容易被噪聲干擾甚至湮沒，信噪比低，容易引起誤報(bào)漏報(bào)，同時(shí)檢測接線涉及高壓回路，現(xiàn)場開展帶電檢測存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)，故一般應(yīng)用于在線監(jiān)測。

（2）超聲波+暫態(tài)地電位法。根據(jù)局部放電發(fā)生時(shí)的伴生信號，現(xiàn)場常用采用測量開關(guān)柜暫態(tài)對地電壓法（Transient EarthVoltage，簡稱TEV） +超聲波法（Acoustic Emission，簡稱AE） 開展局部放電檢測。TEV 測量方法對于脈沖的變化速度很敏感，適用于介質(zhì)內(nèi)部的放電缺陷，但TEV 檢測方法對套管、絕緣子等表面的放電現(xiàn)象不敏感，相反，AE檢測方法比較適合表面放電的檢測，TEV 檢測容易受外界電磁波干擾，AE 檢測容易受機(jī)械振動影響，兩項(xiàng)技術(shù)互補(bǔ)性強(qiáng)，因此將兩項(xiàng)檢測方法結(jié)合一起對高壓開關(guān)柜開展局部放電檢測是目前人工檢測的主要技術(shù)手段，并取得了良好的效果，缺點(diǎn)是很難準(zhǔn)確定位、人工定期開展局部放電檢測需耗費(fèi)大量人力資源，同時(shí)易受檢測人員技術(shù)水平影響，也無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)兩次人工檢測期間所出現(xiàn)的局部放電缺陷[3]。

局部放電使絕緣介質(zhì)發(fā)生裂化是一個(gè)漸變的過程，僅僅根據(jù)人工去開展周期性的現(xiàn)場檢測工作，令單次數(shù)據(jù)有時(shí)并不能完整地反映設(shè)備的狀況，需要在設(shè)備之間開展橫向以及設(shè)備自身縱向?qū)Ρ?，并通過分析差異及趨勢變化，才能系統(tǒng)地分析、衡量開關(guān)柜的健康狀況。

（3）特高頻法。特高頻檢測法是近些年出現(xiàn)的一種新的檢測方法，通過檢測電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻（300～3000MHz）電磁波信號，實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測和定位。一般情況下噪聲信號主要集中于低頻段，故特高頻檢測法具有很強(qiáng)的抗干擾能力，且靈敏度高，但其缺點(diǎn)是對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電氣設(shè)備，電磁波傳播時(shí)會發(fā)生多次折反射及衰減，同時(shí)高壓開關(guān)柜內(nèi)不同放電源在特高頻段的能量分布差異較大，加上天線放置位置與放電產(chǎn)生位置的距離也會影響天線耦合到特高頻信號的強(qiáng)度，導(dǎo)致特高頻檢測方法無法對放電的大小進(jìn)行定量分析，也就無法準(zhǔn)確確定開關(guān)柜內(nèi)的放電嚴(yán)重程度。因此，一直以來特高頻檢測方法只常應(yīng)用于GIS及一些固體絕緣設(shè)備（如變壓器、電力電纜等）中開展局部放電檢測，而很少應(yīng)用于對高壓開關(guān)柜進(jìn)行局放檢測。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前特高頻局放檢測裝置的前置濾波技術(shù)已能有效去除各項(xiàng)干擾信號，只要傳感器布置合理，就可以精準(zhǔn)地捕捉到高壓開關(guān)柜的異常局部放電信號及能基本判斷嚴(yán)重程度[4]。

4特高頻法應(yīng)用案例分析

（1）沿海某市新建的110kV變電站于10月投運(yùn)，投運(yùn)前在兩條給重要用戶供電的10kV饋線高壓開關(guān)柜內(nèi)安裝了高頻局部放電在線檢測裝置，投運(yùn)后一直未監(jiān)測到異常局放信號;次年3月份起柜內(nèi)局部放電探頭持續(xù)監(jiān)測到較高的表面局部放電量，并持續(xù)發(fā)展;4月10日申請將該饋線停電檢修，詳細(xì)檢查柜內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)局部放電源，期間局部放電檢測裝置監(jiān)測到的異常局部放電量并沒有消失，也沒有降低。經(jīng)進(jìn)一步檢查后發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)局放探頭監(jiān)測到的表面放電信號來自于隔壁的51PT柜，將51PT柜停電后異常局放信號消失。檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)51PT相間絕緣距離不足，3月份起陰雨潮濕造成表面爬電情況迅速發(fā)展（見圖5），檢修處置后開關(guān)柜內(nèi)局放信號恢復(fù)正常。

（2）在某10kV開關(guān)站試點(diǎn)安裝了高壓開關(guān)柜超高頻局部放電在線檢測裝置后，一直運(yùn)行良好;一天開關(guān)站局部放電在線檢測裝置發(fā)送了局放異常告警信號，詳細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)，該開關(guān)柜在一周前并接了一回出線電纜，出線電纜相間電場不均引發(fā)放電（見圖6），經(jīng)處置后局部放電情況消除[5]。

5結(jié)束語

高壓開關(guān)柜作為最為重要的配電設(shè)備之一，其健康可靠運(yùn)行是電網(wǎng)安全運(yùn)行及確保對用戶可靠供電的基礎(chǔ)。面對設(shè)備越來越多、運(yùn)維工作量越來越大，而運(yùn)維人員配置越來越少的現(xiàn)實(shí)情況，有必要研究通過提高自動化程度及通過運(yùn)用帶電在線檢測技術(shù)來加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)確保設(shè)備健康可靠運(yùn)行的目標(biāo)。本文簡單介紹了3種高壓開關(guān)柜常用局部放電檢測技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際淺析了3種方法相對優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)探討和開展高壓開關(guān)局放檢測提供參考。

參考文獻(xiàn)

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