基于紫外成像技術(shù)的開關(guān)柜局部放電故障精準(zhǔn)定位

李杏，陳浩

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局，廣東 湛江 524000)

1 引言

10kV高壓開關(guān)柜是直接面對(duì)用戶的電力設(shè)備，具有是極其重要的地位，其可靠性直接關(guān)系著系統(tǒng)穩(wěn)定性。保證開關(guān)柜安全運(yùn)行的關(guān)鍵是對(duì)開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)、預(yù)判和合理檢修。開關(guān)柜運(yùn)行一定年限后，常常會(huì)受到溫度、濕度等因素加速老化或因表面污穢出現(xiàn)異常放電現(xiàn)象形成絕緣劣化，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低，甚至容易發(fā)生觸點(diǎn)和母排溫度升高，嚴(yán)重的導(dǎo)致高壓開關(guān)柜爆炸[1-2]。目前，檢測(cè)高壓開關(guān)柜局部放電故障主要有TEV、超聲波、特高頻等方法。這些傳統(tǒng)檢測(cè)方法能夠有效的檢測(cè)出局放信號(hào)，但是對(duì)于微小的隱蔽缺陷的定位準(zhǔn)確性不高，直接影響著消缺的工作效率。因此，尋找一種既能有效發(fā)現(xiàn)絕緣問題而又不會(huì)增加大量重復(fù)操作的檢測(cè)手段顯得非常重要。

2 開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生的原因

當(dāng)外加電壓在電氣設(shè)備產(chǎn)生一定場(chǎng)強(qiáng)，使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但在并未形成固定放電通道的這種放電現(xiàn)象稱為局部放電。主要分為四種：沿面放電、電暈放電、內(nèi)部放電以及懸浮放電。然而，開關(guān)柜的局部放電分為兩種：沿面放電和內(nèi)部放電，據(jù)統(tǒng)計(jì)，開關(guān)柜局部放電中沿面放電百分比大[3]。

發(fā)生在絕緣介質(zhì)表面的局部放電稱為沿面放電。沿面放電電壓主要受電壓波形、空氣污穢程度、電場(chǎng)分布情況、介質(zhì)表面狀況和氣候條件等因素的影響[4]。

發(fā)生在固體絕緣介質(zhì)內(nèi)部的局部放電稱為內(nèi)部放電。由于材質(zhì)和工藝等缺陷，使絕緣介質(zhì)內(nèi)部在生產(chǎn)過程中會(huì)存有少量雜質(zhì)和氣隙，從而形成絕緣內(nèi)部缺陷。當(dāng)在絕緣介質(zhì)上施加高電壓時(shí)，內(nèi)部缺陷就可能發(fā)生局部或重復(fù)性的擊穿。內(nèi)部放電的發(fā)生主要受與氣隙的大小、形狀、位置及氣隙中氣體種類和介質(zhì)本身特性有關(guān)條件的影響。

3 帶電檢測(cè)的方法及原理

3.1 TEV檢測(cè)技術(shù)

暫態(tài)對(duì)地電壓(Transient Earth Voltage)是當(dāng)高壓開關(guān)柜發(fā)生局部放電時(shí)，由于存在集膚效應(yīng)作用，放電電量會(huì)聚集在與離放電點(diǎn)相近的接地金屬部分，形成電磁波并向各個(gè)方向傳播，在金屬斷開或絕緣連接處，放電產(chǎn)生電磁波信號(hào)通過金屬箱體連接處傳播到大地，同時(shí)在外殼上感應(yīng)出持續(xù)的納秒級(jí)的電壓信號(hào)。如果開關(guān)柜是全部密封的，則在柜外是無(wú)法檢測(cè)到放電信號(hào)[5]。

TEV檢測(cè)技術(shù)對(duì)高壓開關(guān)柜的內(nèi)部放電有較強(qiáng)的敏感度，但是需要專業(yè)水平較高、檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員，才能有效地發(fā)現(xiàn)在開關(guān)柜內(nèi)的缺陷。其次對(duì)背景要求高，若干擾較大時(shí)，判斷是否存在有局部放電存在一定的難度。

3.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)

超聲波法的特點(diǎn)是在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)容易受周圍環(huán)境設(shè)備機(jī)械振動(dòng)或噪聲的影響。超聲波在不同材質(zhì)中傳播，速度和衰減程度不同。在固體中傳播速度很快，衰減也更快，它很難穿透設(shè)備的金屬外殼，所以要求電氣設(shè)備必須存在可以用于檢測(cè)的開口或裂縫。再者，超聲波具有很強(qiáng)的方向性，傳感器必須指向局放源才能有較高的靈敏度。

超聲波是需要通過多個(gè)不同位置的超聲傳感器所測(cè)得的時(shí)延，利用空間幾何方法計(jì)算出局部放電源的位置，實(shí)現(xiàn)局部放電的準(zhǔn)確定位。

3.3 紫外成像檢測(cè)技術(shù)

高壓設(shè)備放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電暈、閃絡(luò)或電弧。電離時(shí)，空氣中的正負(fù)離子不斷獲得和釋放能量，在釋放能量的過程中，即有紫外線輻射出來(lái)。紫外成像技術(shù)就是利用太陽(yáng)盲區(qū)的紫外線光(240nm～280nm)進(jìn)行檢測(cè)。目前，紫外成像儀可以直觀的判斷和定位運(yùn)行中的電力設(shè)備電暈放電和表面局部放電特性及其電力設(shè)備外絕緣狀態(tài)和污穢程度，不接觸，可遠(yuǎn)距離觀察、檢測(cè)，為開展的輸、變電設(shè)備狀態(tài)檢修提供強(qiáng)有力的支撐[6-7]。

4 典型案例

4.1 現(xiàn)場(chǎng)局放測(cè)試

某變電站10kV高壓室共有44面開關(guān)柜，在2019年12月14日，試驗(yàn)人員采用UltraTEV Plus+便攜式聲電波局部放電檢測(cè)儀對(duì)該高壓室的開關(guān)柜進(jìn)行TEV和超聲波聯(lián)合檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)莫村線F06開關(guān)柜和上蒙線F09開關(guān)柜TEV幅值正常，F(xiàn)06、F09開關(guān)柜處可聽到放電的“嘶嘶”聲，在左右相鄰的F05開關(guān)柜、F07開關(guān)柜、F08開關(guān)柜、F10開關(guān)柜沒有聽到明顯的放電聲。隨后2020年01月20日試驗(yàn)人員再次復(fù)測(cè)，兩次檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 F06、F09開關(guān)柜TEV和超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和兩次檢測(cè)數(shù)據(jù)，如表1所示，判斷F06開關(guān)柜和F09開關(guān)柜柜后中附近的超聲值超標(biāo)，設(shè)備存在明顯的放電，需將其停電進(jìn)行檢查處理。

4.2 停電檢查與分析

考慮到長(zhǎng)期工頻電壓下開關(guān)柜局部放電的積累效應(yīng)、創(chuàng)傷效應(yīng)，2020年01月24日，F(xiàn)06、F09開關(guān)柜進(jìn)行停電檢查，檢修人員檢查兩面柜中部位的設(shè)備外觀，并未發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡。試驗(yàn)人員對(duì)其設(shè)備各斷口進(jìn)行絕緣試驗(yàn)，判斷斷口上、斷口下、斷口和整組的絕緣性能，其絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 F06、F09開關(guān)柜絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明：F06、F09開關(guān)的斷口上、斷口、斷口下、整組的絕緣值總體都偏低。檢修人員對(duì)其設(shè)備進(jìn)行酒精清抹等處理后，并分別對(duì)其進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，耐壓裝置的電流表、電壓表指示無(wú)明顯變化，試驗(yàn)結(jié)果為交流耐壓試驗(yàn)通過。從結(jié)果分析，經(jīng)過常規(guī)性的絕緣試驗(yàn)檢查，并不能準(zhǔn)確確定局部放電的位置。

4.3 基于紫外檢測(cè)技術(shù)的局放定位

圖1是某變電站10kV部分運(yùn)行圖，將10kV莫村線F06開關(guān)、10kV上蒙線F09開關(guān)合上，斷開F061、F091、F064、F094刀閘，斷開F06B0、F09B0、F0640、F0940刀閘，分別從F064、F094刀閘加入kV試驗(yàn)電壓，模擬正常運(yùn)行時(shí)開關(guān)承受的電壓情況。

圖1 某變電站10kV部分運(yùn)行圖

根據(jù)圖2可知，試驗(yàn)電壓試驗(yàn)電源由自藕調(diào)壓器輸出后接到試驗(yàn)變壓器，試驗(yàn)變壓器輸出kV的試驗(yàn)電壓分別接入F06、F09開關(guān)A相、B相、C相，保持足夠的安全距離，采用CoroCAM 504紫外成像儀對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)放電量的情況，如圖2～圖4。

圖2 模擬開關(guān)運(yùn)行情況原理圖

圖3 F06開關(guān)A相紫外定位圖譜

圖4 F06開關(guān)B相紫外定位圖譜

從紫外檢測(cè)圖中可以看出，F(xiàn)06開關(guān)A相、B相真空泡下端的支撐絕緣子附件存在集中的噪點(diǎn)，光子計(jì)數(shù)量達(dá)到519、696，F(xiàn)09開關(guān)柜C相真空泡上端與絕緣護(hù)套之間存在集中的噪點(diǎn)光子計(jì)數(shù)達(dá)到252，存在嚴(yán)重的放電現(xiàn)象。

圖5 F09開關(guān)C相紫外定位圖譜

4.4 解體檢查

根據(jù)紫外檢測(cè)定位圖譜，耐壓試驗(yàn)結(jié)束后檢修人員分別對(duì)F06、F09開關(guān)柜相關(guān)部位進(jìn)行解體檢查。

F06開關(guān)柜：拆除F06開關(guān)A相、B相真空泡下端的支撐絕緣子，發(fā)現(xiàn)A相、B相支撐絕緣子上面有小范圍的裂紋，存在輕微的放電痕跡，并測(cè)量其絕緣電阻值為22MΩ、7MΩ。

F09開關(guān)柜：拆開F09開關(guān)C相真空泡上端的絕緣護(hù)套，發(fā)現(xiàn)F09開關(guān)柜C相絕緣護(hù)套的內(nèi)側(cè)靠外端有少量毛刺。

處理方案：檢修人員對(duì)F06開關(guān)A相、B相真空泡下端的支撐絕緣子進(jìn)行更換，對(duì)F09開關(guān)C相絕緣護(hù)套內(nèi)側(cè)毛刺進(jìn)行打磨處理，并檢查了另外相同位置支撐絕緣子和絕緣護(hù)套，未發(fā)現(xiàn)此類情況，懷疑是個(gè)別絕緣子和絕緣護(hù)套在制造時(shí)的工藝問題造成的絕緣缺陷。

5 結(jié)論

(1)紫外成像技術(shù)作為一種新型的電氣設(shè)備帶電檢測(cè)方法，可有效檢測(cè)到因缺陷或故障導(dǎo)致的變電站開關(guān)柜局部放電現(xiàn)象，適用于電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)評(píng)估；

(2)在開關(guān)柜局部放電故障定位診斷時(shí)應(yīng)用紫外成像技術(shù)，能夠成功實(shí)現(xiàn)微小的隱蔽缺陷精準(zhǔn)定位，從而高效的指導(dǎo)檢修工作的開展。

紫外成像技術(shù)也存在有一定的局限性，檢測(cè)時(shí)需要裝設(shè)專業(yè)檢測(cè)窗口，且對(duì)有些內(nèi)部缺陷的檢測(cè)存在不靈敏性。在工程實(shí)際中，非常有必要結(jié)合其他檢測(cè)方法如超聲波、超高頻等進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)才能取得較好的效果。