聯合局部放電檢測技術在開關柜上應用

張　勇，吳鶴民，盛亞偉，龔紹文，鐘華春

（國網江西省電力有限公司贛西供電分公司，江西　新余　338000）

0　引言

目前，金屬封閉開關柜廣泛應用于電力系統6 kV、10 kV、35 kV電壓等級供電系統中，但長期運行導致絕緣劣化會降低開關柜內設備的電氣性能，嚴重時會引起開關柜爆炸[1-4]。因此，對開關柜開展各種試驗和檢測具有十分重要的意義。傳統的停電例行試驗是發現設備絕緣缺陷的有效手段，但存在試驗周期長、對設備潛伏性缺陷覺察靈敏度不高、不宜靈活安排檢測周期進而難以跟蹤缺陷的發展趨勢的弊端。針對傳統例行試驗存在的弊端，開關柜帶電檢測技術應運而生。目前，開關柜主要的帶電檢測技術有超聲波檢測法、暫態地電壓檢測法、特高頻檢測法、脈沖電流檢測法、射頻檢測法等。然而，由于開關柜封閉于金屬殼體內，檢測設備傳感器難以深入開關柜設備內，難以排除環境中各種振動信號、電磁信號的干擾，因此單一的檢測方法對開關柜不同局放類型檢測具有一定的局限性，不能全面、客觀、真實地反映開關柜的故障狀況。綜上所述，開展開關柜多種技術聯合互補的檢測方法顯得尤為重要。

1　開關柜局部放電檢測技術

1.1　超聲波檢測技術

局部放電是一種電荷的快速釋放或遷移過程，導致放電周圍的電場應力、機械應力和粒子力失去平衡而產生振蕩變化，機械應力和粒子力的快速振蕩導致放電點周圍介質的振動，從而產生聲波信號。超聲波檢測法就是利用檢測儀接受局放釋放的超聲信號來判斷放電。其特點是傳感器與電力設備的電氣回路無任何聯系，不受電氣方面的干擾，但在現場使用時易受周圍環境噪聲或設備機械振動的影響[1]。

1.2　暫態地電壓檢測技術

當配電設備發生局部放電現象時，帶電粒子會快速地由帶電體向接地的非帶電體快速遷移，如配電設備的柜體，并在非帶電體上產生高頻電流行波，且以光速向各個方向快速傳播[1]。受集膚效應的影響，電流行波往往僅集中在金屬柜體的內表面，而不會直接穿透金屬柜體。但是，當電流行波遇到不連續的金屬斷開或絕緣連接處時，電流行波會由金屬柜體的內表面轉移到外表面，并以電磁波形式向自由空間傳播，且在金屬柜體外表面產生暫態地電壓，而該電壓可用專門設計的暫態地電壓傳感器進行檢測。具體如圖1所示：

圖1　暫態地電壓信號的產生機理示意圖

1.3　特高頻檢測技術

特高頻檢測法的基本原理是通過特高頻傳感器對電力設備中局部放電時產生的特高頻電磁波信號（0.3 GHz～3 GHz）進行檢測，獲得局放信號的幅值、相位等相關信息[1]。受封閉開關柜的屏蔽，特高頻信號只能從柜子縫隙或觀察孔傳出，類似于超聲波法，利用非接觸外置式傳感器在柜體孔隙處檢測。特高頻檢測法具有較高的靈敏度和抗干擾能力，利用波形特征可識別缺陷類型，同時可實現基于電磁波時差測量的放電定位，有效區分設備內部的局部放電和設備附近的放電型干擾。

UHF方法通過提高信號傳感的頻段以避開干擾信號，從而提高局部放電檢測的抗干擾能力。然而，可能存在一些開關柜放電缺陷的類型，其局部放電信號的頻段不能夠到達UHF頻段，從而限制了檢測靈敏度。

1.4　三種檢測技術的對比

TEV、AE、UHF三種檢測技術的對比如表1所示。

表1　TEV、AE、UHF三種檢測技術的對比

2　聯合檢測技術

現階段，暫態地電壓檢測技術和超聲波檢測技術被廣泛應用于我國電力系統局部放電檢測，但基本都是作為單一的一種檢測技術分別應用，兩種檢測技術都存在局限性，無法客觀的反映其真實狀況，甚至可能出現錯誤的判斷。實際上，放電類型不同，那么能量釋放形式也有所區別，此兩種檢測方法各有優劣，在實用性和靈敏度方面都有所差異。所以，應當針對放電類型的特點采用不同的檢測方法，而且不能簡單的只采用其中一種檢測方法，將二者結合起來將具有更大的應用范圍。基于此，結合開關柜局部放電檢測技術的特點，以超聲波檢測技術為主，以TEV檢測技術、特高頻檢測技術為輔，有效的將多種檢測技術相結合在一起。開關柜局部放電聯合檢測流程如圖2所示：

圖2　開關柜局部放電聯合檢測流程

3　開關柜局部放電聯合檢測案例

2017年7月21日，對某110 kV變電站高壓室開關柜進行超聲波局放測試及暫態地電壓測試，檢測至10 kV孵化園線914開關柜后下電纜室時，有異常聲音，疑似存在局部放電缺陷。

3.1　超聲波檢測

在對10 kV高壓室進行超聲波局放帶電檢測時，發現10 kV孵化園線914開關柜后下部存在明顯的放電聲響，初步判斷存在異常信號。

通過超聲波檢測儀發現10 kV孵化園線914開關柜后下電纜室的超聲波幅值達11 dB，如表2所示。超聲波空氣背景幅值為-10 dB，相差21 dB，進一步判斷存在異常。

表2　914開關柜與鄰近開關柜超聲波檢測數據對比dB

通過超聲波檢測儀對所發現疑似存在放電的部位采用AE幅值圖譜、相位圖譜、波形圖譜進行圖譜檢測，如圖3-5所示。由圖可以看出，放電信號強度較大，相位上分布在一個工頻周期內兩簇放電脈沖，呈現多點放電特征，放電信號強度較弱且相位分布較寬，圖譜特征與沿面放電吻合。

圖3　AE相位圖譜

圖4　AE幅值圖譜

圖5　AE波形圖譜

3.2　暫態地電壓驗證

采用PMDT-PDetector局部放電儀進行暫態地電壓局部放電測試。暫態地電壓空氣金屬背景幅值為6 dB（將手車推至開關室內遠離開關柜的位置，將傳感器貼緊手車金屬板進行測試）、接地金屬背景為7 dB（測點位置：關閉的高壓室接地金屬門內側）。對高壓室中該開關柜及鄰近開關柜的暫態地電壓檢測結果做出橫向比較，如表3所示：

表3　914開關柜與鄰近開關柜TEV檢測數據對比dB

由表3橫向對比可以看出，914開關柜在后下部地電波檢測幅值較臨近側開關柜要高，依據《交流金屬封閉開關設備暫態地電壓局部放電帶電測試技術現場應用導則》（Q/GDW 11060-2013），若設備上測得的信號絕對值≥20 dB，或者當背景信號穩定的情況下，設備上測得的信號≥背景信號15 dB，則認為設備中可能存在有害的局部放電。因此，判斷914開關柜內部有可能存在局部放電，驗證了超聲波檢測結果。

3.3　特高頻檢測驗證

采用PDS-T35型局放測試儀進行特高頻檢測，為了抑制空氣背景干擾，測試儀器選擇高通濾波器，檢測頻帶為1 100~1 500 MHz。空氣背景干擾信號如圖6所示。對測點檢測的特高頻PRPD及PRPS圖譜如圖7所示。特高頻檢測幅值為58 dB，從特高頻圖譜看出空氣背景特高頻信號在一個工頻周期內有兩簇脈沖，914開關柜特高頻信號在一個工頻周期內有四簇脈沖，新增兩簇信號幅值較分散，相位穩定。特高頻檢測進一步驗證了914開關柜存在放電。

圖6　空氣背景信號圖

圖7　測點PRPD及PRPS圖譜

3.4　停電檢查驗證

2017年8月24日上午10點30分，對10 kV孵化園線914開關柜停電檢查，拍攝電纜室三相電纜頭照片如圖7所示。經檢查發現C相電纜頭外絕緣護套受損，具有明顯的放電痕跡。

圖8　10 kV孵化園線914開關柜停電電纜室檢查照片

3.5　原因分析及防范措施

導致該開關柜電纜出現局部放電是由于在安裝過程中電纜絕緣護套受拉拽等因素造成損傷，加之開關柜內運行條件較為潮濕所致。為杜絕此類電纜缺陷問題的發生，主要防范措施有：1）加強電纜的驗收環節的控制，杜絕設計上存在的缺陷；此外，積極開展電纜頭制作、安裝等方面的技能培訓，杜絕安裝后存在電纜相間、電纜與金屬導電體之間絕緣距離不足的安全隱患；2）在電纜表面可安裝應力管、熱縮套管改善其表面電磁的分布；3）對于濕度較大運行條件下的開關柜，應在高壓室安裝除濕器，對于特別潮濕條件的開關柜，建議在開關柜內安裝自動除濕裝置。

4　結束語

本文將多技術聯合檢測應用到開關柜的局部放電檢測中，通過案例證明，TEV、AE和UHF聯合檢測是開關柜局部放電檢測的有效方法，說明了開關柜局部放電檢測多種檢測方法聯合檢測的可行性和互補性。TEV、AE和UHF多種檢測方法的開關柜局放綜合診斷提供了現場應用基礎，同時也為高壓開關柜的狀態檢修決策提供參考。