試析開關(guān)柜局部放電帶電檢測技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局 何 曄

帶電檢測技術(shù)是針對電力設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)施檢測的技術(shù)手段，相較于傳統(tǒng)的離線檢測方式不會對電力生產(chǎn)造成較大影響，能明確不同工況條件下設(shè)備運(yùn)行狀況，為檢修和維護(hù)提供可靠參考。開關(guān)柜設(shè)備在配電網(wǎng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，當(dāng)出現(xiàn)局部放電故障時易引起設(shè)備和線路的損壞，進(jìn)而引起大范圍的事故問題，不利于電力行業(yè)的健康發(fā)展。尤其是開關(guān)柜的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，當(dāng)外界條件出現(xiàn)變化時也有可能導(dǎo)致局部放電故障發(fā)生，這也給檢修工作帶來一定難度。應(yīng)充分發(fā)揮帶電檢測技術(shù)優(yōu)勢，明確局部放電位置和原因等，從而保障開關(guān)柜的良好絕緣性，防止出現(xiàn)安全事故。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)制定切實(shí)可行的檢測方案，達(dá)到預(yù)防和控制目的。

1 開關(guān)柜局部放電帶電檢測重要性

局部放電現(xiàn)象出現(xiàn)后易使開關(guān)柜絕緣性受到影響，因此易出現(xiàn)安全事故，同時引起設(shè)備老化。系統(tǒng)運(yùn)行會由于局部放電的存在而增加能耗，導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)問題，使電力企業(yè)成本投入加大，因此應(yīng)通過帶電檢測技術(shù)進(jìn)行全面檢測和處理，以保障設(shè)備的良好運(yùn)行狀態(tài)，消除高能耗問題。帶電檢測相較于其他檢測方法，由于不需進(jìn)行停電處理，因此能創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，避免停電給用戶造成的損失[1]。開關(guān)柜在停電后狀況和運(yùn)行中狀況存在較大差異性，只有通過帶電檢測技術(shù)的運(yùn)用才能真正了解運(yùn)行過程中的局部放電情況，使絕緣缺陷得到快速處理，因此在技術(shù)優(yōu)勢上也十分顯著。

2 開關(guān)柜局部放電的缺陷類型

氣隙放電。在開關(guān)柜的局部放電中氣隙放電十分普遍，氣泡出現(xiàn)在液體和固體的絕緣位置中，進(jìn)而引起局部放電現(xiàn)象。出現(xiàn)氣隙放電時會存在較大脈沖頻率，相較于容性阻抗電阻對放電脈沖的阻抗要更大，相較于絕緣介質(zhì)場強(qiáng)氣隙中的場強(qiáng)也更大[2]。絕緣介質(zhì)的擊穿電壓要比氣隙擊穿電壓大，不會導(dǎo)致固定放電通道的出現(xiàn)，這是引起局部放電的主要原因；沿面放電。周圍電場會對絕緣介質(zhì)產(chǎn)生影響，隨著沿表面場強(qiáng)的不斷增大會導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象的發(fā)生，同樣未能擊穿絕緣介質(zhì)，因此也不會有固定放電通道的出現(xiàn)。沿面放電的影響因素較多，通常會由于積灰或受潮等原因而出現(xiàn)，嚴(yán)重時會造成閃絡(luò)和設(shè)備損壞情況。

懸浮電位放電。開關(guān)柜既不和高壓極連接也不和接地極連接，此時存在一種懸浮電位狀態(tài)，因此會導(dǎo)致電荷的不斷積累引起局部放電情況。氣隙放電和懸浮電位放電具有一定的相似性，然而在懸浮電位放電時產(chǎn)生的電量會更大，放電脈沖幅值不會產(chǎn)生較大的波動；電暈放電。高壓導(dǎo)體附近氣體場強(qiáng)達(dá)到擊穿場強(qiáng)是引發(fā)電暈放電主因，該放電形式也只是局部。導(dǎo)體的正負(fù)極性會對電壓產(chǎn)生直接影響，如存在負(fù)極性的導(dǎo)體那么電壓相對不高[3]，遇到交流電壓后會出現(xiàn)整齊的放電脈沖。

3 開關(guān)柜局部放電帶電檢測技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 常規(guī)脈沖電流檢測法

針對開關(guān)柜的局部放電問題可采用常規(guī)脈沖電流檢測法，其發(fā)展較為成熟，我國相關(guān)部門也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，為檢測工作的實(shí)施提供了依據(jù)。局部放電問題出現(xiàn)在絕緣介質(zhì)當(dāng)中時會導(dǎo)致電荷的出現(xiàn)，通過電流回路的構(gòu)建獲得相應(yīng)的脈沖電流。對阻抗脈沖電壓進(jìn)行檢測能滿足局部放電檢測的要求。檢測阻抗、耦合電容和濾波器等共同組成檢測電路，同時又可分為串聯(lián)測試電路和并聯(lián)測試電路兩種，前者適用于電容較小的情況，能充分發(fā)揮雜散電容的作用，獲得良好濾波效果。后者應(yīng)用于較大電容情況中，也是在實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛的電路形式。應(yīng)根據(jù)國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求明確檢測系統(tǒng)的靈敏度，耦合電容要在1000pF內(nèi)，使用局部放電測量儀時頻率應(yīng)該在30～500kHz之間[4]。

3.2 高頻電流檢測法

當(dāng)開關(guān)柜出現(xiàn)局部放電的情況時會伴隨磁場的出現(xiàn)，對其中的能量可運(yùn)用耦合器進(jìn)行獲得，在線圈技術(shù)下能對脈沖電流信號進(jìn)行耦合處理。發(fā)生局部放電時，脈沖電流會產(chǎn)生于接地線中且頻率相對較高、進(jìn)而導(dǎo)致磁場的出現(xiàn)。借助于傳感器測定電動勢值，則能獲得可靠的檢測結(jié)果，這是高頻電流檢測法的基本原理。羅格夫斯基線圈在高頻電流檢測法檢測局部放電中應(yīng)用較多，可作為傳感器使用。連接接地線和傳感器鉗，借助專業(yè)檢測儀器接收信號并完成數(shù)據(jù)的處理[5]。高頻電流定相技術(shù)的運(yùn)用能有效定位局部放電源。局部放電問題出現(xiàn)在一相電纜中時局部放電信號也會出現(xiàn)在其他相電纜中，因此可通過高頻電流傳感器的應(yīng)用獲得信號。在對其進(jìn)行定位過程中，需針對相位的關(guān)系情況和信號的幅值情況進(jìn)行判斷。

3.3 特高頻檢測法

開關(guān)柜設(shè)備的擊穿場強(qiáng)會受到絕緣體絕緣強(qiáng)度的影響，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。如局部放電故障出現(xiàn)在開關(guān)柜中，會在極短時間內(nèi)對其造成擊穿，脈沖電流的上升時間在1ns內(nèi)，伴隨著較多的電磁波，其頻率能達(dá)到GHz級別，這就是特高頻電磁波產(chǎn)生的主要原因。通常情況下特高頻電磁波頻率最低為300MHz，最高可達(dá)3GHz。運(yùn)用特高頻檢測技術(shù)對開關(guān)柜的局部放電實(shí)施帶電檢測時，需針對電磁波信號運(yùn)用特高頻傳感器進(jìn)行獲取與處理，達(dá)到高效化檢測目的。外置式特高頻傳感器和內(nèi)置式特高頻傳感器是當(dāng)前實(shí)踐應(yīng)用中的兩種主要類型，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場帶電檢測實(shí)際要求進(jìn)行選擇。

針對開關(guān)柜的觀察窗和縫隙等進(jìn)行檢測時通常會采用外置式特高頻傳感器。電暈干擾也會存在于帶電檢測中，其頻率通常不超過300MHz，而特高頻電磁波的頻率在300MHz以上，因此能防止出現(xiàn)嚴(yán)重的干擾問題，能增強(qiáng)局部放電帶電檢測的靈敏性，在識別開關(guān)柜缺陷和定位故障中的應(yīng)用效果較好。如在識別缺陷類型過程中可借助PRPS圖譜和PRPD圖譜實(shí)現(xiàn)，通常在表面爬電、懸浮放電、絕緣間隙放電和絕緣空穴放電檢測中的應(yīng)用較多，而對于尖端放電則不采用特高頻檢測技術(shù)[6]。該技術(shù)也具有一定的局限性，尤其是在設(shè)備購置中成本較大，且需操作人員掌握豐富專業(yè)知識，在氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的檢測中得到應(yīng)用。

運(yùn)用該技術(shù)對局部放電源進(jìn)行定位也可取得良好成效，主要是通過幅值定位和時差定位方式明確缺陷問題，從而幫助檢修人員及時處理。特高頻信號可通過單個傳感器進(jìn)行獲取，找到幅值最大信號所在的開關(guān)柜，那么可能存在局部放電故障。而時差定位法的應(yīng)用更加普遍，局部放電源位置可通過電磁波傳播速度和電源信號傳播速度的差值來定位，在此過程中最關(guān)鍵的是確保從同一個放電源接收特高頻信號。分米級是該定位方法的精度等級，當(dāng)部分元器件出現(xiàn)局部放電問題時運(yùn)用特高頻檢測和定位技術(shù)則能實(shí)現(xiàn)快速處理。

3.4 超聲波檢測法

振動和聲響會由于局部放電缺陷的存在而出現(xiàn)在開關(guān)柜中，因此據(jù)此類現(xiàn)象可借助于超聲波檢測法開展帶電檢測工作，將超聲波傳感器應(yīng)用于開關(guān)柜設(shè)備內(nèi)壁中，能有效獲取電信號。分子會由于局部放電而發(fā)生強(qiáng)烈撞擊導(dǎo)致設(shè)備中的壓力增大，介質(zhì)應(yīng)力、電場應(yīng)力和粒子力發(fā)生變化。介質(zhì)會由于粒子力和機(jī)械應(yīng)力的相互作用而出現(xiàn)振動，借助于傳感器獲取聲波信號后能深入分析設(shè)備的局部放電情況。在此過程中采集的超聲信號頻率最低為20kHz，最高不超過100kHz[7]。壓力波以脈沖的形式存在，局部放電區(qū)域不大，因此點(diǎn)聲源即為局部放電源，這是應(yīng)用超聲波檢測法的基本原理。

在液體介質(zhì)和氣體介質(zhì)中傳播時，聲波呈現(xiàn)出縱波的形式，壓力傳遞則以振動方向平行于波傳播方向的分子撞擊為核心。在固體當(dāng)中傳播時，聲波呈現(xiàn)出橫波和縱波同時存在的形式，在橫波當(dāng)中傳播方向與振動方向垂直，質(zhì)點(diǎn)的振動主要依靠彼此間的引力作用。因此，當(dāng)液體濃度較大或存在固體介質(zhì)時會有橫波的產(chǎn)生。在開關(guān)柜內(nèi)部的金屬殼中聲波以橫波形式傳播。由于溫度和媒介、頻率和類型的差異性，聲波在傳播中速率也呈現(xiàn)出較大差異性，相較于橫波而言縱波傳播速率更快，傳播速率也會隨著頻率的升高而加快。相較于氣體介質(zhì)聲波在固體中的傳播速度也更快，如果電纜的長度較長會導(dǎo)致衰減現(xiàn)象的發(fā)生，對于檢測效果產(chǎn)生影響，為此可通過電纜接頭實(shí)施帶電檢測。

電氣回路不會對傳感器的應(yīng)用造成影響，因此可有效保障帶電檢測的可靠性和精確性，然而機(jī)械振動和外界噪聲等會產(chǎn)生一定程度的干擾。雖然容易出現(xiàn)信號衰減的現(xiàn)象，但在精確性上卻具有其他檢測方法不具備的優(yōu)勢。在爬電檢測、電暈檢測和電弧檢測中可運(yùn)用超聲波檢測法，同時局部放電源的定位效果較好。非接觸式檢測和接觸式檢測是超聲波檢測的兩種主要方式，在開關(guān)柜的局部放電帶電檢測中采用非接觸式檢測方法，通常在縫隙位置設(shè)置傳感器可最大限度靠近放電點(diǎn)，從而獲得較強(qiáng)的信號。

在采用非接觸式檢測方法時可通過耳機(jī)辨別其中的聲響，同時結(jié)合相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。局部放電類型則體現(xiàn)在波形圖譜、信號連續(xù)圖譜和相位圖譜中。在現(xiàn)場工作當(dāng)中應(yīng)注重外部環(huán)境的優(yōu)化，避免由于施工或走動而造成較大的干擾，防止機(jī)械摩擦、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)和帶電導(dǎo)體放電等對檢測結(jié)果造成影響。在大面積普測的過程中，可以借助于一般的超聲波帶電檢測儀器，能夠降低帶電檢測的成本投入，能夠?qū)?shù)值進(jìn)行可視化顯示，滿足巡視工作的基本要求。而在精確檢測中則需采用專門的診斷類設(shè)備，能直觀化顯示信號的相位圖譜、波形圖譜和連續(xù)圖譜等，為數(shù)據(jù)分析和缺陷判別提供了可靠的依據(jù)。

3.5 暫態(tài)地電壓檢測法

高壓設(shè)備相對大地絕緣時，若發(fā)生局部放電情況高壓導(dǎo)體中的電荷會向金屬外殼耦合，耦合時間十分短暫。電磁波會由于局部放電的出現(xiàn)而傳輸?shù)絻啥酥?，在肌膚效應(yīng)下無法從外部對電壓進(jìn)行檢測，因此可通過金屬外殼的開口或縫隙進(jìn)行檢測。通過檢測金屬外殼中的暫態(tài)地電壓能獲得開關(guān)柜的局部放電信息，其上升時間較短，根據(jù)放電峰值和傳播路徑對暫態(tài)地電壓的量值予以確定，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況和開口大小則會對傳播路徑上的衰減大小產(chǎn)生影響。應(yīng)在金屬柜壁中設(shè)置TEV傳感器，從而得到可靠的檢測結(jié)果。

運(yùn)用暫態(tài)地電壓檢測法實(shí)施局部放電的帶電檢測時能有效提高工作效率，同時為故障的診斷和分析提供了依據(jù)，但電磁環(huán)境發(fā)生改變時也會對檢測精度造成影響。在絕緣空穴放電、懸浮放電的檢測工作中常采用暫態(tài)地電壓檢測法，而在間隙放電、爬電和檢點(diǎn)放電檢測中則不采用該檢測方法[8]。該技術(shù)的應(yīng)用可對缺陷的診斷和識別技術(shù)加以改善，同時增強(qiáng)其抗干擾性能，拓展其應(yīng)用范圍。

3.6 現(xiàn)場聯(lián)合檢測法

在開關(guān)柜局部放電帶電檢測中采用一種檢測技術(shù)往往難以取得良好的效果，因此可采用現(xiàn)場聯(lián)合檢測技術(shù)，增強(qiáng)檢測的全面性和可靠性，其具有綜合性特點(diǎn)，融合了多種檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。如在10～35kV帶電開關(guān)柜檢測中，將放電測試儀應(yīng)用于開關(guān)柜的關(guān)鍵位置，獲得前后金屬門和內(nèi)部信號的平均值。在此基礎(chǔ)上可初步了解開關(guān)柜中局部放電情況，同時運(yùn)用超聲波檢測法加以進(jìn)一步的檢測和分析，明確局部放電故障的位置。數(shù)據(jù)的分析可借助于閾值比較法、縱向分析法和橫向分析法等，能使局部放電的分析更加可靠。

綜上，局部放電問題是開關(guān)柜中常見問題，應(yīng)對其進(jìn)行全面檢測和預(yù)防處理，降低對設(shè)備性能和安全的影響，延長開關(guān)柜使用壽命，為電力企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。