開關(guān)柜局部放電檢測方法及應(yīng)用

貴州電網(wǎng)有限責任公司安順供電局 邵 春 謝 珂 李 飛 張 輝 楊航康 金哲宇

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，高壓開關(guān)柜的安全穩(wěn)定運行直接關(guān)系到客戶的正常用電。由于在設(shè)計、制造、安裝和運行維護方面存在著不同程度的問題，近年來發(fā)生多起高壓開關(guān)柜放電事件。開關(guān)柜放電是由局部區(qū)域放電逐步擴大發(fā)展來的。局部放電是指當外加電壓在電氣設(shè)備中產(chǎn)生的場強足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電、但未形成固定放電通道的放電現(xiàn)象。局部放電與絕緣材料的劣化和擊穿過程密切相關(guān)，檢測局部放電能有效地反映電氣設(shè)備的絕緣狀況和絕緣缺陷，尤其對早期發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障要有效得多。

由于局部放電區(qū)域電場強度較大，不及時處理將會逐步擴大放電區(qū)域形成固定放電通道，所以局部放電是造成絕緣故障的主要原因之一，也是絕緣劣化的重要征兆和表現(xiàn)形式。局放帶電檢測能夠確定高壓設(shè)備是否存在放電及放電是否超標。發(fā)現(xiàn)其它試驗不能檢查出來的絕緣缺陷及故障，是實現(xiàn)狀態(tài)檢測的重要技術(shù)手段。為了保證開關(guān)柜的安全穩(wěn)定運行，對開關(guān)柜定期開展局部放電檢測很有必要，是提前發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的有效手段。

1 高壓開關(guān)柜局部放電的類型及原因

懸浮放電。在高壓開關(guān)柜中，當某個導(dǎo)體部件由于接觸不良與帶電體或接地體斷開，使得該部件位于高壓電極與低壓電極之間，并根據(jù)其位置的阻抗比獲得分壓產(chǎn)生懸浮電位[1]。具有懸浮電位的導(dǎo)體附近會形成較集中的場強，該場強會造成導(dǎo)體對周圍絕緣介質(zhì)放電，破壞四周絕緣介質(zhì)的形成。懸浮電位放電一般易發(fā)生在電氣設(shè)備內(nèi)處于高電位或地電位的金屬部件上；氣隙放電。是固體絕緣介質(zhì)較常見的內(nèi)部放電。絕緣介質(zhì)由于在生產(chǎn)加工時難免存在材料與工藝缺陷等原因，導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)部缺陷，比如摻入少量的空氣或雜質(zhì)等。帶有內(nèi)部缺陷的絕緣介質(zhì)在高電壓作用下有發(fā)生局部擊穿或重復(fù)性擊穿的可能。通常氣隙大小、缺陷的位置和形狀、氣隙氣體的種類和絕緣介質(zhì)的特性等會對氣隙放電的發(fā)生條件產(chǎn)生影響[2]。

沿面放電。是一種特殊的氣體放電現(xiàn)象，常發(fā)生在電力電纜、絕緣套管的端部等位置。當絕緣介質(zhì)內(nèi)部的場強低于電極邊緣氣隙的場強，且絕緣介質(zhì)沿面擊穿電壓相對較低，沿面放電就會發(fā)生在絕緣介質(zhì)的表面。沿面放電具有不穩(wěn)定性，沿面放電電壓常受電壓波形、電場的分布、空氣質(zhì)量、介質(zhì)的表面狀態(tài)、氣候條件等因素的影響；電暈放電。是一種極不均勻電場下特有的自持放電形式，體現(xiàn)出了典型的極不均勻電場的特征。電暈放電常發(fā)生在被氣體包圍的高壓導(dǎo)體周圍，如高壓線路、高壓斷路器、高壓隔離開關(guān)等，因為這些高壓電氣設(shè)備的高壓接線端子暴露在空氣中，所以發(fā)生電暈放電的機率相對較大。電暈放電起始電壓受電極的形狀、外加電壓、氣體密度、極間距離、空氣的濕度與流動速度等因素的影響。

2 高壓開關(guān)柜局部放電檢測的方法及原理

局部放電通常伴生電磁波、聲波、電流行波、熱能、發(fā)光、產(chǎn)生各類型氣體或化學(xué)分解物等，可通過對上述各類化學(xué)、物理現(xiàn)象進行單項監(jiān)測或多項綜合監(jiān)測對高壓開關(guān)柜局部放電進行判別和定位[3]。目前最主要的三種開關(guān)柜局部放電檢測方法是暫態(tài)地電壓檢測法（TEV）、超聲波檢測法(AE)、特高頻檢測法(UHF)。

2.1 暫態(tài)地電壓檢測法（TEV）

局部放電發(fā)生時，放電點會產(chǎn)生兩個方向傳播的高頻電流波。該高頻電流波受集膚效應(yīng)的影響，僅集中在金屬柜體內(nèi)表面?zhèn)鞑ザ粫苯哟┩?。當傳播到金屬斷開或絕緣連接處時電流波轉(zhuǎn)移至外表面，并以電磁波形式進入自由空間。電磁波上升沿碰到金屬外表面，產(chǎn)生暫態(tài)地電壓。通過測量暫態(tài)地電壓的大小可判斷局部放電的嚴重程度（圖1）。

圖1 暫態(tài)地電壓檢測原理圖

對高壓開關(guān)柜進行局放測試前應(yīng)消除環(huán)境電磁輻射的影響，即先進行背景值的測量，記錄空氣、金屬制品（金屬門、金屬窗）的背景值。這是因為開關(guān)柜外部的電磁干擾會在開關(guān)柜上產(chǎn)生暫態(tài)對地電壓，同樣也會在其他金屬制品上產(chǎn)生暫態(tài)對地電壓。為消除這個外部干擾產(chǎn)生的TEV，開始測試前在開關(guān)室的不同位置測試3～5個點（非帶電金屬體）的值，并取其均值作為背景參考值，測試時將儀器上的顯示值減去背景參考值即為開關(guān)柜實際局放值。

測試過程中要注意排除干擾，如當發(fā)現(xiàn)某臺開關(guān)柜局放值突然增大時，應(yīng)首先排除環(huán)境背景值改變的干擾，再次對背景進行測量；避免隨身用電設(shè)備（如手機）的干擾；注意熒光燈、排風機等的干擾。開關(guān)柜測試點通常選擇前柜門的中、下部和后柜門的上、中、下部五個測試點，條件允許時還可在開關(guān)柜的兩個側(cè)面進行測量。

根據(jù)經(jīng)驗，測試數(shù)據(jù)大于20dB 時則認為開關(guān)柜內(nèi)部存在局部放電。同時應(yīng)與開關(guān)柜歷次測試結(jié)果相互比較，當開關(guān)柜與歷次測試結(jié)果比較增幅在5～10dB 時，應(yīng)加強對該開關(guān)柜的關(guān)注，適當縮短試驗周期。也應(yīng)與相鄰?fù)愋烷_關(guān)柜相互比較，在同一開關(guān)室內(nèi)，如某臺或某臺開關(guān)柜的局放比其他同類型開關(guān)柜局放大10dB 時，應(yīng)加強關(guān)注并現(xiàn)場分析判斷，看此開關(guān)柜附近是否有干擾源及開關(guān)柜內(nèi)是否有故障。

2.2 超聲波檢測法(AE)

局部放電發(fā)生時會產(chǎn)生沖擊振動，放電點會產(chǎn)生超聲波（頻率大于20kHz 以上），可通過超聲波傳感器測量超聲波的大小來判斷放電大小及類型[4]。超聲波檢測法就是通過在設(shè)備腔體外壁上安裝超聲波傳感器來測量局部放電信號。超聲波在固體中傳播速度很快且衰減更快，很難穿透設(shè)備的金屬外殼，所以要求開關(guān)柜必須存在可用于檢測的開口或裂縫。采用超聲波模式時，要先關(guān)閉開關(guān)室內(nèi)可能產(chǎn)生超聲波的設(shè)備（如驅(qū)鼠器）且測試背景數(shù)據(jù)。超聲波傳感器與開關(guān)設(shè)備間一定要有空氣通道（柜體縫隙、排風葉窗），用來保證超聲波信號可傳播出來。測量時將傳感器對準開關(guān)設(shè)備的空氣通道處，沿著開關(guān)柜上的縫隙掃描進行檢測且一定要注意保持足夠的安全距離。

超聲波AE 檢測時可檢測AE 幅值圖、AE 波形圖譜、AE 相位圖。不同的放電類型其檢測數(shù)據(jù)和圖譜不同。懸浮放電超聲檢測AE 幅值圖100Hz 頻率成分大于50Hz 頻率成分；AE 波形圖譜每周期兩組，波形陡、相位寬度窄；AE 相位圖每周期兩簇，打點位置聚集在上方，有懸空趨勢。電暈放電超聲檢測AE 幅值圖100Hz 頻率成分小于50Hz 頻率成分；AE波形圖譜每周期一組，每簇中大小脈沖都有，相位寬度較寬；AE 相位圖每周期兩簇，一簇大一簇小打點位置大小都有。沿面放電超聲AE 幅值圖100Hz 頻率成分大于50Hz 頻率成分；AE 波形圖譜每周期兩組，每組中大小脈沖都有，相位寬度較寬；AE 相位圖每周期兩簇，呈雙駝峰狀，打點位置大小都有。

2.3 特高頻檢測法(UHF)

UHF 法是通過UHF 傳感器對電力設(shè)備局放產(chǎn)生的特高頻信號進行檢測，判斷設(shè)備局部放電狀況和絕緣狀態(tài)。UHF 法具有靈敏度高和抗干擾能力強等優(yōu)點，可實現(xiàn)局放帶電檢測、定位、故障類型判斷。檢測前需關(guān)閉手機、熒光燈等可能產(chǎn)生特高頻信號的設(shè)備，檢測點選擇開關(guān)柜上的觀察窗、排風葉窗。測量原理見圖2所示。

圖2 特高頻檢測原理圖

特高頻檢測法UHF 檢測時可檢測PRPS 圖譜（脈沖序列相位分解）、PRPD 圖譜（局部放電相位分解）和周期圖譜，不同放電類型檢測數(shù)據(jù)和圖譜不同。懸浮放電PRPS 圖譜幅值較大，柱狀圖走勢有內(nèi)八字特征，相位分布較窄；PRPD 圖譜幅值都較大，無小信號，打點位置都在上面兩格；周期圖譜每周期一對脈沖信號，幅值較大，相位相差180°。電暈放電PRPS 圖譜每個周期一簇，脈沖數(shù)非常密集，相位分布寬；PRPD 圖譜幅值有大有小，一般小的多，放電點數(shù)量非常密集，相位分布較寬；周期圖譜每周期一組脈沖信號，幅值有大有小，數(shù)量較多。氣隙放電PRPS 圖譜每個周期一簇，幅值有大有小，脈沖數(shù)較多，幅值不是很大相位分布較寬；PRPD 圖譜每個周期一簇，幅值有大有小，但不會很大，放電點數(shù)量較多，相位分布較寬；周期圖譜每周期一組脈沖信號，幅值有大有小，數(shù)量較多。

2.4 三種方法比較

暫態(tài)地電壓檢測法（TEV）和特高頻檢測法(UHF)屬于電磁測量法：對脈沖的變化速度比較敏感，比較適合介質(zhì)內(nèi)部放電；對放電頻譜較低的套管、終端、絕緣子表面放電不敏感；易受外界電磁干擾的影響；能夠精確定位，但分辨率受檢測設(shè)備精度限制；傳播過程衰減較小等。同時因國產(chǎn)開關(guān)柜密封不是很好，其暫態(tài)地電壓檢測法（TEV）不是太靈敏，很多時候難于檢測處局放信號。

超聲波檢測法(AE)屬于聲音測量法具以下特點：對介質(zhì)類型比較敏感，適合檢測空氣介質(zhì)放電；比較適合檢測套管、終端、絕緣子表面放電；易受現(xiàn)場機械振動的干擾；定位精度對設(shè)備精度要求較低但受內(nèi)部反射折射等現(xiàn)象影響傳播過程衰減大等。

3 案例分析

3.1 案例1

對某110kV 變電站35kV Ⅰ母電壓互感器開關(guān)柜局部放電檢測，發(fā)現(xiàn)該開關(guān)柜后下柜門處暫態(tài)地電壓檢測正常、超聲波檢測異常，特高頻信號異常，存在局放現(xiàn)象。其暫態(tài)地電壓檢測數(shù)據(jù)為：背景6dB、前柜中8dB、前柜下8dB、后柜上9dB、后柜中7dB、后柜下8dB。數(shù)據(jù)顯示該開關(guān)柜暫態(tài)地電壓檢測無異常，圖3顯示超聲 波檢測AE 幅值圖最大值20dB，50Hz頻率成分大于100Hz 頻率成分，符合電暈放電現(xiàn)象。圖4顯示特高頻信號幅值有大有小，放電點的數(shù)量非常密集，相位分布較寬，幅值較大，Max=65dB，每個周期一簇，脈沖數(shù)非常密集，相位分布寬，符合電暈放電現(xiàn)象。綜合判斷該開關(guān)柜存在電暈放電。隨后將該開關(guān)柜停電檢查，發(fā)現(xiàn)柜后門處的電壓互感器和避雷器表面積灰嚴重，將其清掃投入運行后再次進行局部放電檢測，三種方式下的數(shù)據(jù)均無異常。

圖3 超聲波檢測數(shù)據(jù)

圖4 特高頻檢測

3.2 案例2

對某110kV 變電站10kV 某開關(guān)柜局部放電檢測，發(fā)現(xiàn)該開關(guān)柜柜前中柜門處暫態(tài)地電壓檢測正常、超聲波檢測異常，特高頻信號異常，存在局放現(xiàn)象。其暫態(tài)地電壓檢測數(shù)據(jù)為：背景7dB、前柜中8dB、前柜下8dB、后柜上10dB、后柜中8dB、后柜下9dB。數(shù)據(jù)顯示該開關(guān)柜暫態(tài)地電壓檢測無異常，圖5顯示超聲波檢測AE 幅值圖最大值20dB，100Hz 頻率成分大于50Hz 頻率成分，符合懸浮放電現(xiàn)象。圖6顯示特高頻信號具有工頻相關(guān)性，每周期出現(xiàn)兩簇信號。幅值較大，柱狀圖走勢呈內(nèi)八字，相位分布較窄，打點位置大部分在上方。初步判斷存在懸浮放電。綜合判斷該開關(guān)柜存在懸浮放電。隨后將該開關(guān)柜停電檢查，發(fā)現(xiàn)斷路器A 相動觸頭處有放電痕跡，進一步檢查發(fā)現(xiàn)該動觸頭接觸不良，造成帶電運行時存在懸浮放電。

圖5 超聲波檢測數(shù)據(jù)

圖6 特高頻檢測

綜上，對于國產(chǎn)的開關(guān)柜進行局放檢測，暫態(tài)地電壓檢測往往都難以測出真實結(jié)果，測量準確性較差且無法判斷放電類型。而特高頻及超聲波檢測法，除特殊情況（特高頻對沿面放電不靈敏、超聲波對絕緣內(nèi)部氣隙放電不靈敏）外與地電波法相比，都能夠較為精確的測量出設(shè)備局放問題，且可初步判斷放電類型和大致位置。單一的運用某種檢測方法存在著一定局限性，并不能全面、客觀、真實的反映被檢設(shè)備的運行狀況，有時甚至出現(xiàn)誤判斷。唯有綜合運用不同的檢測方法，聲－電聯(lián)合測試是局部放電檢測的最佳選擇，通過專業(yè)分析才能做到對設(shè)備運行狀況最客觀的評估，從而做出合理的決策。