高壓開關(guān)柜多維在線監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)及應(yīng)用

南方電網(wǎng)昆明供電局 劉志洪

搞要：針對高壓開關(guān)柜在制造、運行過程中不可避免出現(xiàn)絕緣缺陷、載流故障等問題，歸納總結(jié)了故障類型及原因，綜述了開關(guān)柜多維在線監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)。

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，為滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需求，電網(wǎng)容量不斷的增大，對供電可靠性提出更高的要求，因此電力設(shè)備需具有更高的安全可靠性才能滿足電網(wǎng)要求。高壓開關(guān)柜是保證配網(wǎng)正常運行的重要環(huán)節(jié)，作為聯(lián)系主變及配電線路的橋梁，在保證供電可靠性中具有舉足輕重的地位，擔(dān)負著電能分配、故障電流開斷與負荷控制的作用[1-2]。

高壓開關(guān)柜經(jīng)歷從GG1A型到XGN型，再到如今的KYN型。開關(guān)柜的密封性更好、體積更小、載流量更大、防護等級更高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化巨大。由于第一代GG1A型已屬于淘汰產(chǎn)品，目前在網(wǎng)運行的主要為XGN型和KYN型，由于KYN型操作方便、載流量大、結(jié)構(gòu)完善，作為主流產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用于當(dāng)今電網(wǎng)中。高壓開關(guān)柜在電網(wǎng)中數(shù)量巨大，作為直接聯(lián)系用戶的供電設(shè)備，其可靠性將決定配電網(wǎng)的可靠性。為確保配電網(wǎng)供電的可靠性，根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》條文電網(wǎng)公司采取定期試驗與檢修相結(jié)合的方法來保證其正常工作，該方法一定程序上減小故障的發(fā)生。但定期檢查存在不足。該方法增加電網(wǎng)運行費用、停電時間、停電試驗缺陷檢出率低和檢修間隔內(nèi)發(fā)生故障。在線檢測技術(shù)能有效發(fā)現(xiàn)處于潛伏的故障，減少停電時間，更加安全可靠。

1 高壓開關(guān)柜的主要故障

在服役期內(nèi)，電氣設(shè)備的故障發(fā)生率與運行時間、方式之間存在宏觀規(guī)律。設(shè)備故障率和使用壽命的關(guān)系如圖1，其形狀為浴盆狀（兩邊高、中間低）。設(shè)備故障率由初始階段、穩(wěn)定階段和劣化階段組成。在投運初期，因為部件磨合不善以及安裝調(diào)試遺留的問題逐漸暴露，所以故障率偏高。隨著員工對設(shè)備的熟悉和掌握，以及顯現(xiàn)問題的不斷處理，導(dǎo)致設(shè)備故障率逐步降低進入穩(wěn)定階段（時長約15～20年）。在后期中，設(shè)備故障率顯著增大主要原因是絕緣老化、油中溶解氣體、局部放電等[3]。

圖1 電氣設(shè)備故障率與使用時間的關(guān)系

2011～2015年8月廣東電網(wǎng)共發(fā)生高壓開關(guān)柜事故17起。依據(jù)國網(wǎng)2015年統(tǒng)計結(jié)果表明，絕緣故障是導(dǎo)致開關(guān)柜故障的主要誘因，占比高達70%[4]。1990～1999間我國發(fā)生的電網(wǎng)開關(guān)事故數(shù)據(jù)同樣表明絕緣故障占比最高。開關(guān)柜常見故障發(fā)生率為：絕緣36%、拒動29%、開斷與關(guān)合9%，載流8%、誤動7%、外力或其他11%。高壓開關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境具有大電流、高電壓和強磁場的特點，絕緣缺陷會導(dǎo)致局部放電并長期累積最終導(dǎo)致故障。拒動故障常發(fā)生在老舊失修的開關(guān)柜設(shè)備中。其它幾種故障發(fā)生率相近、較低。在國外電網(wǎng)中，把機械異常和局部放電引起的拒動和絕緣故障作為重點研究對象。

常見開關(guān)柜故障的原因如下：拒動故障。傳動和操動等機構(gòu)的機械故障，表現(xiàn)為部件變形、機構(gòu)卡澀和鐵芯松動等；誤動故障?？刂苹芈分薪佑|不良等，表現(xiàn)為端子松動、接線接觸不良、接線錯誤等；絕緣故障。柜內(nèi)閃絡(luò)擊穿、絕緣內(nèi)部缺陷和爬電等現(xiàn)象；開斷與關(guān)合故障。斷路器自身原因造成，表現(xiàn)為噴油短路、滅弧室損壞和真空度降低等；載流故障。電纜接頭接觸不良和插件偏心等原因造成；外力及其他故障。加工工藝不良、小動物短路、自然災(zāi)害和異物撞擊等造成。

2 電力設(shè)備在線監(jiān)控與發(fā)展

故障診斷作為電網(wǎng)研究的熱點，新的成果不斷涌現(xiàn)。電網(wǎng)的快速發(fā)展推動了電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的發(fā)展。在電網(wǎng)的發(fā)展過程中，故障檢修策略經(jīng)歷如下階段：

20世紀初，工業(yè)水平低、設(shè)備簡單，停機影響小，設(shè)備無法繼續(xù)運轉(zhuǎn)才維修，稱為事后檢修（又稱為故障檢修）[5-6]；20世紀40年代，隨著社會生活水平提高，電力設(shè)備故障對生產(chǎn)生活影響大，定期預(yù)防性維修開始出現(xiàn)。電力設(shè)備按照計劃定期檢修，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，確保其正常運行[6]。雖然該方式提高了設(shè)備可靠性，但在長期運行效果來看該方式也存在局限性。在經(jīng)濟上該方式易造成過度維修和非必要停機，導(dǎo)致人力、物力和財力的浪費。在技術(shù)上，首先預(yù)防性實驗電壓偏低不能反映設(shè)備真實運行狀態(tài)，其次絕緣故障具有統(tǒng)計性，定期預(yù)防性試驗不能及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障。在安全上實驗時容易造成人員傷亡、設(shè)備故障[5-6]。

20世紀50年代后，通用電氣公司等提出以設(shè)備狀態(tài)為基礎(chǔ)維修方式，即狀態(tài)檢修。即根據(jù)設(shè)備運行時的信息做出判斷，發(fā)現(xiàn)早期潛伏的故障，并安排必要的維修。其優(yōu)點如下[1]：可有效地使用設(shè)備，提高設(shè)備利用率；降低備件的庫存量以及更換部件與維修所要費用；有目標(biāo)地進行維修，可提高維修水平，使設(shè)備運行更安全可靠；可為設(shè)備制造部分反饋設(shè)備的質(zhì)量信息，用以提高產(chǎn)品的可靠性。

通常，電力設(shè)備定時做常規(guī)的預(yù)防性試驗（通常周期為一年），但事故仍然不能避免，時有發(fā)生。在線監(jiān)測技術(shù)能積累大量的試驗數(shù)據(jù)(包括停電及帶電監(jiān)測)，結(jié)合被試設(shè)備的當(dāng)前數(shù)據(jù)和以往歷史數(shù)據(jù)，運用各種數(shù)值方法進行及時、全面的綜合分析判斷，捕捉設(shè)備的早期缺陷，保證安全運行，從而彌補預(yù)防性試驗間隔長所帶來的誤差[1-2]。

在線和離線試驗是相輔相成、而不是對立。如在線監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)事故隱患后，必要時在離線狀態(tài)下全面檢修確定故障（圖2）。在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)實現(xiàn)從“到期必修”過渡到“該修則修”[1-2]。隨著在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究的不斷進步，狀態(tài)檢修必將逐步取代定期檢修，提高電力設(shè)備的運行可靠性。

圖2 電氣設(shè)備監(jiān)測診斷過程流程示意圖

3 高壓開關(guān)柜的多維在線監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)

在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是對被測物理量(信號)進行采集、調(diào)理和變換等多個環(huán)節(jié)組成的系統(tǒng)（圖3）[1]。高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測項目主要是設(shè)備溫度監(jiān)測、環(huán)境溫濕度監(jiān)測、局部放電監(jiān)測、閃絡(luò)監(jiān)測、PT諧振監(jiān)測、電流電壓監(jiān)測、斷路器機械特性監(jiān)測。對中低壓設(shè)備的長期連續(xù)監(jiān)測可實現(xiàn)開關(guān)柜狀態(tài)的全方位監(jiān)測，多維度、多狀態(tài)量地綜合分析評估，能有效克服單狀態(tài)量監(jiān)測的局限性，為安排檢修計劃提供更準(zhǔn)確、有效的技術(shù)支撐[5-6]。

圖3 在線監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

典型配置與主要內(nèi)容如下：溫（濕）度監(jiān)測。梅花觸頭無線測溫、電纜頭無線測溫、斷路器室和電纜室濕度監(jiān)測；弧光監(jiān)測與保護。母線弧光保護、斷路器室弧光保護、電纜室弧光保護，支持閃絡(luò)預(yù)警、故障定位和選擇性跳閘；局部放電監(jiān)測。電纜室局放監(jiān)測，支持局放定位，給出放電頻次、相位圖譜、幅值特征分析等；斷路器機械特性監(jiān)測。分閘線圈電流/電壓、合閘線圈電流/電壓、儲能電機電流/電壓、負荷電流監(jiān)測，給出動作電流曲線，故障特征分析；通風(fēng)除濕降溫控制?？偮饭窆耥旓L(fēng)扇自動控制、柜內(nèi)冷凝除濕、配電室工業(yè)除濕機、電纜溝除濕、百葉窗改造；內(nèi)窺式紅外成像測溫及微光遙視。加工工藝不良、小動物短路、自然災(zāi)害和異物撞擊等造成；站端可視化軟件?？梢酝ㄟ^可視化方式查看開關(guān)柜工作狀態(tài)、內(nèi)部視頻，對各種數(shù)據(jù)進行實時分析與預(yù)警。

3.1 溫（濕）度在線監(jiān)測

由于高壓開關(guān)柜工作在高電壓、大電流的狀態(tài)將造成設(shè)備的局部發(fā)熱、導(dǎo)致異常溫升，若未迅速處理將導(dǎo)致設(shè)備燃燒，更嚴重的會爆炸等事故。根據(jù)相關(guān)實踐經(jīng)驗可知，開關(guān)柜在可能發(fā)生或已發(fā)生機械故障、開合故障、絕緣故障、載流故障時柜內(nèi)都會存在局部（觸頭、接頭處）發(fā)熱的現(xiàn)象，因此可通過柜內(nèi)發(fā)熱檢測實現(xiàn)開關(guān)柜的故障診斷工作。在高壓開關(guān)柜大電流回路的連接點（如動、靜觸頭、母排、主變接頭等）為故障的薄弱環(huán)節(jié)。連接點的接觸不良使接觸電阻增大，導(dǎo)致連接點處發(fā)熱增大，發(fā)熱加劇接觸面氧化，接觸電阻進一步增大，最終造成故障[7]。

開關(guān)柜主要在線測溫技術(shù)的測量方式、供電方式及信號傳輸如下：紅外測溫。非接觸式/有源/無線；光柵光纖測溫。接觸式/無源/有線；半導(dǎo)體數(shù)字測溫。接觸式/有源/無線；熱敏電阻測溫。接觸式/有源/無線；聲表面測溫。接觸式/無源/無線。

3.2 局部放電在線監(jiān)測

開關(guān)柜出現(xiàn)絕緣缺陷或電場畸變的情況下會誘發(fā)局部放電，局部放電過程中往往會伴隨著聲、光、電等物理現(xiàn)象的發(fā)生。絕緣故障主要表現(xiàn)為外絕緣對地閃絡(luò)擊穿，內(nèi)絕緣對地閃絡(luò)擊穿，相間絕緣閃絡(luò)擊穿，雷電過電壓閃絡(luò)擊穿，瓷瓶套管、電容套管閃絡(luò)、污閃、擊閃、擊穿、爆炸，提升桿閃絡(luò)，CT閃絡(luò)、擊穿、爆炸，瓷瓶斷裂等。絕緣缺陷發(fā)展到擊穿的過程中需經(jīng)歷局部放電階段，其強弱能反映出絕緣狀態(tài)。

常規(guī)的人工巡檢方式極難發(fā)現(xiàn)早、中期的絕緣水平降低，通過安裝局放監(jiān)測裝置可在線連續(xù)監(jiān)測局部放電信號，以便及時發(fā)現(xiàn)和定位故障，把事故消除在萌芽狀態(tài)。目前常采用脈沖電流法、超聲波檢測法、高頻檢測法等檢測局部放電[8]，其中脈沖電流法（又稱耦合電容法）可靠性高，對比性強，可定量分析等優(yōu)點，被IEC60270標(biāo)準(zhǔn)選為推薦的局部放電檢測方法[4]。

常用局部放電檢測法的比較如下：超聲波法?？闺姶鸥蓴_能力強，便于局部放電定位，但靈敏度低、受機械振動等干擾大。應(yīng)用對象為變壓器、GIS、供配電線路等；暫態(tài)地電壓法。對絕緣子氣隙放電比較敏感、常與超聲波配合，但不適合除開關(guān)柜外其他設(shè)備。應(yīng)用對象為電纜、配電線路；特高頻法。靈敏度高、抗干擾能力強，但不適合金屬封閉設(shè)備、尚未實現(xiàn)局放強度的量化描述。應(yīng)用對象以GIS為主；脈沖電流法。可靠性高、可對比性強、可定量分析，但對試驗電源和環(huán)境都有很高的要求，靈敏度高。應(yīng)用對象為開關(guān)柜。以上檢測法均可可定位，能局放識別。

3.3 弧光監(jiān)測與保護

由于誤入帶電間隔、誤操作等原因造成電弧光。一旦電弧產(chǎn)生，電弧的能量可高達8～60MW。電弧持續(xù)燃燒超過100ms釋放能量將急劇增加，電纜大約在150ms燃燒，銅排在200ms左右燃燒，約在250ms開關(guān)柜的鋼材開始燃燒，電弧和燃燒釋放的熱能極可能導(dǎo)致開關(guān)柜爆炸?；」馐鹿士稍斐呻娏υO(shè)施損毀和嚴重的人生傷亡事故?；」鈧鞲衅骺裳b設(shè)在開關(guān)設(shè)備的多數(shù)不同位置，根據(jù)其實際位置的不同實現(xiàn)保護分區(qū)和故障點的快速定位，減少處理停電時間，使恢復(fù)供電更快。此外，該保護可連續(xù)的檢測故障前信號（如微弱的弧光信號、強電暈等），在產(chǎn)生較嚴重的爬電、電暈趨勢加強等時發(fā)出告警，有利于將故障消除在萌芽狀態(tài)。