開(kāi)關(guān)柜穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究

陳繼堯，牛勃, 李洋，李超，伍弘，龍青

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411;2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

0 引 言

由于開(kāi)關(guān)柜套管內(nèi)絕緣、外絕緣等絕緣設(shè)備在設(shè)計(jì)、選型、安裝等方面存在不足，導(dǎo)致其運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生突發(fā)性接地短路故障，其中以穿柜套管內(nèi)懸缺陷最為典型，內(nèi)懸缺陷主要包括套管內(nèi)部采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)、套管內(nèi)部等電位線懸浮兩種。以某公司近3年開(kāi)關(guān)柜異常臨停為例，穿柜套管內(nèi)懸缺陷占比19%，嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)穩(wěn)定與運(yùn)維檢修人員的安全[1-2]。

由于開(kāi)關(guān)柜穿柜套管的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)懸狀態(tài)下部分帶電檢測(cè)手段不能有效進(jìn)行檢測(cè)，且相應(yīng)的檢測(cè)手段僅能進(jìn)行缺陷位置的定位，不能進(jìn)行缺陷發(fā)展?fàn)顟B(tài)、材料劣化程度的預(yù)警。針對(duì)穿柜套管內(nèi)懸缺陷存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了相應(yīng)的研究：文獻(xiàn)[3-7]通過(guò)COMSOL電場(chǎng)仿真的方式，給出了穿柜套管內(nèi)屏蔽、外屏蔽的優(yōu)化方案，以降低套管內(nèi)部的電場(chǎng)畸變程度，但未對(duì)穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)時(shí)柜內(nèi)電場(chǎng)畸變程度進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[8-11]對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)不同類型放電過(guò)程中的放電特征進(jìn)行研究，提出了聲電聯(lián)合定位方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，但該檢測(cè)系統(tǒng)未考慮穿柜套管內(nèi)屏蔽對(duì)超聲波信號(hào)的衰減，檢測(cè)可靠性較低；文獻(xiàn)[12-16]以針板電極為模型，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)絕緣材料劣化過(guò)程中氣體成分進(jìn)行檢測(cè)，獲取了相應(yīng)的氮氧化合物與臭氧等特征成分，但未給出絕緣劣化與氣體成分之間的定量關(guān)系；文獻(xiàn)[17-19]對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)等電位線的安裝工藝進(jìn)行分析，介紹了因安裝工藝不良生成的典型故障案例，但未對(duì)傳統(tǒng)帶電檢測(cè)在穿柜套管局放檢測(cè)中存在的不足進(jìn)行分析。

基于國(guó)內(nèi)外穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)的研究現(xiàn)狀，本文對(duì)穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)進(jìn)行介紹，并給出內(nèi)懸狀態(tài)表現(xiàn)出的放電特征，之后通過(guò)物理場(chǎng)仿真對(duì)內(nèi)懸狀態(tài)下的電場(chǎng)變化情況進(jìn)行分析，接著以多起典型故障案例為模型，對(duì)現(xiàn)有暫態(tài)地電壓、特高頻局部放電與超聲波局部放電進(jìn)行有效性驗(yàn)證，并提出了空氣電離產(chǎn)物檢測(cè)方法與可燃?xì)怏w檢測(cè)方法，針對(duì)分析檢測(cè)結(jié)果給出相應(yīng)的改善措施，避免事故發(fā)生。

1 穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)概述

依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)設(shè)備[2018]979號(hào)《國(guó)家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》中的要求：24 kV及以上開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的穿柜套管、觸頭盒應(yīng)采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)，以避免穿柜套管運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生沿面、氣隙放電。相應(yīng)的典型穿柜套管二維平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要有安裝螺母、高電位屏蔽、地電位屏蔽、等電位線及環(huán)氧套管。

(a)套管二維結(jié)構(gòu)

穿柜套管內(nèi)懸問(wèn)題較多，主要原因來(lái)自兩方面：首先是未采用內(nèi)屏蔽等電位方式，在柜內(nèi)溫度變化產(chǎn)生凝露情況下，發(fā)生內(nèi)部氣隙擊穿；其次為安裝工藝不良，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中等電位線發(fā)生電暈、懸浮等放電，影響柜內(nèi)絕緣材料絕緣性能。某公司近5年40.5 kV開(kāi)關(guān)柜套管內(nèi)懸導(dǎo)致異常臨停11例，其中2020年發(fā)生4次，若運(yùn)行過(guò)程中該類缺陷不能被有效診斷與智能預(yù)警，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)穩(wěn)定與運(yùn)維檢修人員安全。相應(yīng)的穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)典型案例如圖2所示。

(a)無(wú)內(nèi)屏蔽等電位線

2 穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)電場(chǎng)仿真

采用COMSOL對(duì)穿柜套管高壓電極內(nèi)懸狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，由于40.5 kV及以下配電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中采用非有效接地方式，從而高壓端激勵(lì)電位選取設(shè)備最高線電壓峰值57 kV。相應(yīng)的穿柜套管內(nèi)屏蔽良好與存在內(nèi)懸狀態(tài)下的電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3所示。

(a) 典型穿柜套管二維結(jié)構(gòu)

由圖3(a)可知屏蔽不存在內(nèi)懸狀態(tài)時(shí)電場(chǎng)均低于 1.50 kV/mm，即內(nèi)、外屏蔽均不懸浮情況下，內(nèi)外屏蔽之間環(huán)氧絕緣電場(chǎng)強(qiáng)度最高，外屏蔽與外殼之間的環(huán)氧絕緣電場(chǎng)強(qiáng)度最低。由圖3(b)可知內(nèi)懸狀態(tài)下空氣域電場(chǎng)分布畸變明顯，母排窄面附近電場(chǎng)強(qiáng)度大于 1.50 kV/mm，最大電場(chǎng)強(qiáng)度7.29 kV/mm，高于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，因空氣介電常數(shù)低，導(dǎo)致空氣承擔(dān)著約 80%的電壓載荷；另外母排形狀為矩形，窄面曲率更大，導(dǎo)致窄面周圍空氣電場(chǎng)強(qiáng)度更高。仿真結(jié)果表明內(nèi)屏蔽懸浮會(huì)導(dǎo)致母排與套管之間空氣絕緣擊穿。

3 傳統(tǒng)內(nèi)懸狀態(tài)檢測(cè)方法

3.1 暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)

暫態(tài)地電壓檢測(cè)依據(jù)文獻(xiàn)[20]進(jìn)行診斷分析。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了開(kāi)關(guān)柜暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的檢測(cè)儀器要求、帶電檢測(cè)要求、帶電檢測(cè)方法、檢測(cè)步驟以及結(jié)果分析方法，且該標(biāo)準(zhǔn)給出變化量為20 dBmV缺陷預(yù)警值。根據(jù)表1對(duì)多起穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)下氣隙放電的暫態(tài)地電壓檢測(cè)結(jié)果知，由于穿柜套管內(nèi)屏蔽對(duì)局部放電過(guò)程中的屏蔽，暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)不能有效對(duì)開(kāi)關(guān)柜穿墻套管內(nèi)部局部放電的嚴(yán)重程度進(jìn)行定性。

表1 暫態(tài)地電壓檢測(cè)結(jié)果

3.2 特高頻局部放電檢測(cè)

開(kāi)關(guān)柜無(wú)相應(yīng)的特高頻檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，運(yùn)檢人員主要依據(jù)文獻(xiàn)[21]進(jìn)行診斷分析。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了特高頻局部放電檢測(cè)原理、檢測(cè)儀器要求、帶電檢測(cè)方法及要求、檢測(cè)原理、檢測(cè)步驟以及分析原則。由于特高頻法沒(méi)有成熟的放電量評(píng)價(jià)方法，從而特高頻局部放電檢查方法無(wú)法對(duì)套管內(nèi)懸放電發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)警。通過(guò)對(duì)11起40.5 kV穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)下特高頻局部放電檢測(cè)分析，特高頻局部放電檢測(cè)可以有效發(fā)現(xiàn)套管內(nèi)懸狀態(tài)產(chǎn)生的氣隙、尖端、懸浮等放電，結(jié)合特高頻時(shí)差定位方法、超聲波局部放電檢測(cè)，可以確定放電位置位于穿柜套管處。典型的檢測(cè)圖譜如圖4所示。

(a)尖端放電缺陷

3.3 超聲波局部放電檢測(cè)

開(kāi)關(guān)柜無(wú)相應(yīng)的超聲波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，運(yùn)檢人員主要依據(jù)文獻(xiàn)[20-22]中規(guī)定的超聲波局部放電檢測(cè)原理、檢測(cè)儀器要求、帶電檢測(cè)要求及方法進(jìn)行診斷分析。文獻(xiàn)[20]中要求局部放電設(shè)備與背景之間差值不大于8 dBmV且有輕微放電現(xiàn)象時(shí)需縮短檢測(cè)周期，而穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)一般為尖端、氣隙放電，放電幅值較背景知差異明顯，從而該標(biāo)準(zhǔn)不能有效指導(dǎo)穿柜套管狀態(tài)檢修。通過(guò)PDS-T90局部放電測(cè)試儀對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行超聲波局部放電檢測(cè)，相應(yīng)的檢測(cè)圖譜如圖5所示。

(a)背景圖譜

4 新型內(nèi)懸狀態(tài)檢測(cè)方法研究

4.1 泵吸式臭氧濃度檢測(cè)

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)時(shí)主要為尖端放電與氣隙放電，放電能量易使空氣發(fā)生電離，會(huì)產(chǎn)生O3與NO2等特征氣體產(chǎn)物。本文基于紫外成像檢測(cè)敞開(kāi)式設(shè)備放電，提出并設(shè)計(jì)一套泵吸式臭氧濃度檢測(cè)裝置，完成一次開(kāi)關(guān)柜絕緣缺陷定性。以某330 kV ZN65A-12開(kāi)關(guān)柜內(nèi)懸放電為例進(jìn)行臭氧檢測(cè)，相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)布置方式以及檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

由圖6(b)可知異常開(kāi)關(guān)柜內(nèi)臭氧濃度最低測(cè)點(diǎn)為21.38 μL/L，高于背景臭氧濃度值3.58 μL/L。由于國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相應(yīng)的國(guó)標(biāo)、行標(biāo)以及相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定，從而本方法宜與特高頻局部放電檢測(cè)相結(jié)合，通過(guò)特高頻局部放電完成放電類型定性，通過(guò)氣體含量完成放電嚴(yán)重程度定性。基于臭氧濃度檢測(cè)結(jié)果與特高頻檢測(cè)結(jié)果，設(shè)備運(yùn)維單位對(duì)其進(jìn)行了解體檢查，結(jié)果如圖6(c)所示。

(a)不同測(cè)試點(diǎn)臭氧濃度測(cè)試值

4.2 可燃性氣體濃度檢測(cè)

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部若電纜溝封堵不嚴(yán)，無(wú)相關(guān)除濕裝置，在溫差變化較大時(shí)內(nèi)部易發(fā)生凝露現(xiàn)象，若套管內(nèi)部同時(shí)存在內(nèi)懸缺陷以及凝露水珠，則套管內(nèi)絕緣會(huì)發(fā)生相應(yīng)的熱分解與電分解，本文以40.5 kV環(huán)氧樹(shù)脂套管為例進(jìn)行熱分解與電分解測(cè)試，并對(duì)分解過(guò)程中的氣體成分進(jìn)行檢測(cè)。其中熱分解氣體測(cè)試采用馬弗爐對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂加熱，收集不同溫度下產(chǎn)生的氣體，收集溫度分別為200 ℃～400 ℃，通過(guò)集氣袋收集氣體，且放置時(shí)間不超過(guò)48 h。通過(guò)GC-MS測(cè)試，環(huán)氧樹(shù)脂熱分解產(chǎn)物包括CO，CO2，C2H2，C2H4等小分子化合物。電分解氣體測(cè)試采用對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行耐電痕測(cè)試方式進(jìn)行，測(cè)試過(guò)程中收集不同時(shí)間的耐電痕氣體，48 h內(nèi)進(jìn)行GC-MS測(cè)試，測(cè)試發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂電分解產(chǎn)物包括C2H2、C2H4、C2H6氣體，且氣體含量逐漸增加。通過(guò)2 h的測(cè)試，C2H2、C2H4氣體能夠測(cè)試到，而且C2H2含量較高，可以作為絕緣材料劣化程度預(yù)判的目標(biāo)氣體之一。見(jiàn)圖7、表2所示。

表2 絕緣材料劣化分解氣體測(cè)試結(jié)果

圖7 絕緣材料電分解氣體成分測(cè)試

目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相應(yīng)的國(guó)標(biāo)、行標(biāo)對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)絕緣材料熱分解、電分解產(chǎn)生的氣體成分、濃度進(jìn)行規(guī)定。通過(guò)可燃?xì)怏w檢測(cè)分析可知，柜內(nèi)絕緣材料在高溫劣化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生C2H4、C2H6等特征氣體，及可以通過(guò)可燃?xì)怏w成分檢測(cè)判斷柜內(nèi)穿柜套管放電是否發(fā)展為危急階段。

5 穿柜套管內(nèi)懸缺陷運(yùn)檢措施

1)新投運(yùn)開(kāi)關(guān)柜穿柜套管內(nèi)外表面應(yīng)該采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)，避免穿柜套管內(nèi)懸發(fā)生尖端、氣隙、沿面等局部放電。

2)凝露現(xiàn)象嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行場(chǎng)所，應(yīng)采取電纜溝封堵、內(nèi)嵌加熱裝置、小室增設(shè)空調(diào)等方式，破壞柜內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生凝露條件，避免因套管表面凝露導(dǎo)致其內(nèi)絕緣破壞。

3)穿柜套管故障比例較高場(chǎng)所宜采用基于臭氧濃度與可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)穿柜套管運(yùn)行過(guò)程中缺陷發(fā)展?fàn)顟B(tài)重癥監(jiān)測(cè)，并依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)警。

4)穿柜套管內(nèi)懸狀態(tài)下局部放電特高頻信號(hào)特征明顯，超聲波信號(hào)、暫態(tài)地電壓信號(hào)特征不明顯，目前在運(yùn)同類穿柜套管，帶電檢測(cè)巡檢過(guò)程應(yīng)以特高頻局部放電檢測(cè)法為主，超聲波、暫態(tài)地電壓檢測(cè)為輔。

6 結(jié) 論

1)開(kāi)關(guān)柜穿柜套管應(yīng)采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)，且設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)屏蔽與高壓帶電體之間應(yīng)可靠連接，避免穿柜套管存在內(nèi)懸缺陷。

2)穿柜套管內(nèi)懸缺陷依據(jù)缺陷種類的不同主要分為尖端放電、絕緣放電、氣隙放電三種。傳統(tǒng)的特高頻局部放電檢測(cè)手段可有效進(jìn)行該類缺陷的定位，超聲波局部放電、暫態(tài)地電壓對(duì)該類缺陷狀態(tài)特征不明顯。

3)穿柜套管內(nèi)懸缺陷放電過(guò)程中空氣電解可產(chǎn)生O3與NOx等氣體，絕緣材料電解可產(chǎn)生C2H2、C2H4等可燃?xì)怏w，運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)相應(yīng)特征氣體成分進(jìn)行套管內(nèi)懸缺陷發(fā)展?fàn)顟B(tài)的預(yù)警。