基于超聲波檢測的10kV開關(guān)柜電纜局放故障分析研究

海南電網(wǎng)海南輸變電檢修分公司 楊杰 梁盛樂 李曉洋

0 引言

10 kV金屬封閉式開關(guān)柜作為配網(wǎng)系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，是連接變壓器與用戶負(fù)荷的導(dǎo)體，其主要作用是進(jìn)行開合、控制與保護(hù)用電設(shè)備，在整個(gè)電力系統(tǒng)配網(wǎng)中起重要作用。

文中針對某地級(jí)市部分開閉所中開關(guān)柜檢測案例，采用超聲波檢測技術(shù)對開關(guān)柜內(nèi)部電纜倉的局放進(jìn)行了測量。為探究開關(guān)柜中電纜出現(xiàn)局放故障的深層次原因，對該地區(qū)檢測案例中電纜放電缺陷進(jìn)行細(xì)致分類，討論分析了電纜分支放電的位置、形態(tài)、原因，并提出了具體的合理化建議。

1 超聲波局放檢測技術(shù)

電氣設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生局部放電的過程中，會(huì)伴隨產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，即在局部放電發(fā)生的區(qū)域由于脈沖電流的作用瞬間受熱膨脹，形成一個(gè)近似爆破的效果，當(dāng)局放結(jié)束后表面膨脹效果消失。由于放電區(qū)域體積變化引起的介質(zhì)疏密變化形成超聲波，波形特征上表現(xiàn)為一連串的脈沖形式[1]。

超聲波以球面波的形式從局部放電點(diǎn)向四周傳播，針對開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生的局部放電，超聲波在傳播過程中會(huì)遇到不同的介質(zhì)，從而在柜體內(nèi)部經(jīng)過一系列的折反射，最后通過柜體縫隙傳播出來[2]。

超聲信號(hào)在傳播至分界面處會(huì)發(fā)生衰減，同時(shí)隨著傳輸距離的增加、開關(guān)柜內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，多種介質(zhì)交織，信號(hào)能量受聲波擴(kuò)散、介質(zhì)粘度、分子撞擊等原因逐漸衰減[3-4]。

針對開關(guān)柜內(nèi)的局部放電超聲信號(hào)可以利用非接觸式超聲傳感器沿柜體縫隙處進(jìn)行檢測，通過檢測到的信號(hào)周期最大值、有效值、頻率成分、信號(hào)波形等特征，同時(shí)結(jié)合聆聽耳機(jī)中超聲信號(hào)的聲音特征對放電信號(hào)進(jìn)行綜合檢測判斷。

2 現(xiàn)場檢測及分析

2016年11月份，使用超聲檢測技術(shù)對某地級(jí)市10kV分段#112開關(guān)柜進(jìn)行局放帶電檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)超聲波信號(hào)檢測到異常，經(jīng)過對該開關(guān)柜停電消缺，電纜倉中電纜分支套管表面存在明顯的放電痕跡，現(xiàn)場照片及信號(hào)圖譜如圖1所示。

通過對上述信號(hào)進(jìn)行綜合分析，幅值圖譜中周期最大值15dB，100Hz相位相關(guān)性較強(qiáng)，工頻周期內(nèi)信號(hào)呈現(xiàn)兩簇脈沖；結(jié)合停電消缺時(shí)觀測到的實(shí)際情況，判斷該開關(guān)柜下電纜室存在沿面放電。

后續(xù)對5個(gè)10kV開閉所進(jìn)行例行局放帶電檢測，共檢測到11處開關(guān)柜存在明顯的異常超聲信號(hào)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，上述局部放電信號(hào)源均集中在開關(guān)柜電纜倉電纜分支位置。

圖1 電纜倉實(shí)物圖及超聲檢測圖譜

3 10kV開關(guān)柜電纜缺陷統(tǒng)計(jì)

基于現(xiàn)場檢測結(jié)果，對上述開關(guān)柜中電纜分支缺陷進(jìn)行深入分析，主要從放電點(diǎn)所在位置以及放電點(diǎn)形態(tài)兩方面展開。

3.1 電纜放電部位統(tǒng)計(jì)

電纜的基本結(jié)構(gòu)可分為銅導(dǎo)體、內(nèi)半導(dǎo)體層、主絕緣層、外半導(dǎo)體層、銅屏蔽層、內(nèi)護(hù)套、鎧裝層、外護(hù)套，如圖2所示。

圖2 電纜基本結(jié)構(gòu)圖

從現(xiàn)場解體的11個(gè)開關(guān)柜電纜倉電纜放電點(diǎn)位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，放電主要分布在下圖四個(gè)區(qū)域，如圖3所示，各區(qū)域所在詳細(xì)位置如下。

圖3 單芯電纜結(jié)構(gòu)示意圖

區(qū)域一：電纜導(dǎo)體與線鼻子連接部位及外部熱縮管交界區(qū)域；區(qū)域二：為剝離銅屏蔽與外半導(dǎo)電層后，僅剩主絕緣，外部套熱塑管這段區(qū)域；區(qū)域三：為應(yīng)力錐所在區(qū)域；區(qū)域四：銅屏蔽及外半導(dǎo)電層所在區(qū)域。

本次共參與解體了11處開關(guān)柜，電纜倉中分支電纜出現(xiàn)放電的實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 單芯電纜四個(gè)區(qū)域放電點(diǎn)實(shí)物圖

根據(jù)各開關(guān)柜測試時(shí)間、放電點(diǎn)數(shù)、放電部位、前測試信號(hào)放電類型等信息統(tǒng)計(jì)出本次解體情況，如下表1所示。

表1 開關(guān)柜解體放電部位統(tǒng)計(jì)信息表

通過解體發(fā)現(xiàn)明顯的放電點(diǎn)35處，同時(shí)結(jié)合電纜終端結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)場解體觀察到各處放電點(diǎn)的位置統(tǒng)計(jì)，已解體開關(guān)柜電纜倉放電部位主要分布在電纜終端接頭、電纜中間區(qū)域、應(yīng)力管位置、銅屏蔽及外半導(dǎo)電層位置，各位置放電數(shù)量分別為10次、11次、4次、10次，其中部分放電點(diǎn)為三相或者兩相均同時(shí)存在，各位置所占比例如下圖5所示。

圖5 電纜各部位放電比例統(tǒng)計(jì)

由上圖可以看出，本次11次解體案例中電纜終端接頭、中間區(qū)域、銅屏蔽及外半導(dǎo)電層三個(gè)位置發(fā)生放電比例較為接近，其中位于電纜中間區(qū)域的放電比例最高，其次是處于電纜終端接頭與銅屏蔽及外半導(dǎo)電層位置，三者比例較為接近，處于懸空應(yīng)力管位置放電數(shù)量最少。

3.2 放電點(diǎn)形態(tài)統(tǒng)計(jì)

本次共參與解體了11處開關(guān)柜，根據(jù)各開關(guān)柜放電點(diǎn)形態(tài)不同，從而劃分為點(diǎn)狀或者區(qū)域、帶狀放電、環(huán)形放電，其放電形態(tài)如下圖6所示。

其中，下圖黑圈以及綠圈所示即為點(diǎn)狀（區(qū)域）型放電點(diǎn)；下圖藍(lán)圈所示部位即為帶狀放電部位，此處放電既沒有局限在某一區(qū)域，也沒有形成閉環(huán)放電通道，而是呈現(xiàn)帶狀形態(tài)；下圖紅圈所示即為環(huán)形放電形態(tài)，此處放電點(diǎn)呈現(xiàn)環(huán)形，熱縮管表面一圈均存在放電痕跡。

圖6 放電點(diǎn)形態(tài)劃分

就本次解體情況得出以下統(tǒng)計(jì)信息，如表2所示。通過解體發(fā)現(xiàn)明顯的放電點(diǎn)35處，通過對各放電點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，點(diǎn)型/區(qū)域型放電、帶狀放電、環(huán)形放電數(shù)量分別為6次、5次、24次，各形態(tài)所占比例如下圖7所示。

表2 開關(guān)柜解體放電形態(tài)統(tǒng)計(jì)信息表

圖7 電纜各放電點(diǎn)形態(tài)比例統(tǒng)計(jì)

由上圖可知，合川區(qū)現(xiàn)有開關(guān)柜解體放電點(diǎn)統(tǒng)計(jì)中，放電點(diǎn)位置出現(xiàn)環(huán)形放電比例最高，達(dá)到69%；其次是出現(xiàn)點(diǎn)狀/區(qū)域型放電，達(dá)到17%。在現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)樣本環(huán)境下，出現(xiàn)環(huán)形放電的次數(shù)最為普遍。

初步分析其原因主要為電纜受潮嚴(yán)重，同時(shí)部分電纜安裝工藝不合格導(dǎo)致電纜表面電場不均勻，在絕緣表面薄弱的位置發(fā)生放電。

4 故障原因分析及處理

為追溯上述放電的原因，對電纜分支表面不同位置出現(xiàn)不同形態(tài)的放電進(jìn)行分析，以期減少同類缺陷的數(shù)量，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場狀態(tài)檢修。

4.1 區(qū)域一放電位置

根據(jù)電纜頭制作工藝，終端接頭為電纜剝離主絕緣后經(jīng)過系列工藝，將導(dǎo)體插入線鼻子，兩部分共同構(gòu)成電纜終端接頭。結(jié)合現(xiàn)場解體數(shù)據(jù)，該區(qū)域出現(xiàn)放電多由于受到過往施工過程中不規(guī)范的工藝處理、設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)以及潮濕的環(huán)境等因素影響。

銅接管表面存在尖端毛刺。該原因主要由工藝制作不當(dāng)引起。壓接線鼻子過程中，圓柱形銅接管經(jīng)線鉗壓結(jié)形成具有間隔錯(cuò)位、局部帶有棱角的銅接管，壓結(jié)完畢需挫平線鼻子上的壓痕和毛刺。未經(jīng)打磨情況下，其表面的尖端突起未作打磨處理將在不均勻電場下會(huì)導(dǎo)致尖端放電，致使外部熱縮管發(fā)熱甚至灼燒出現(xiàn)豁口，同時(shí)由于部分地區(qū)較為潮濕，電纜倉潮氣嚴(yán)重，進(jìn)而促進(jìn)放電的發(fā)生。

主絕緣端口與線鼻子入口之間距離過大而未作絕緣填充。通過解體發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場電纜終端接頭處端口間距離過大的案例達(dá)到7例。端口之間距離太大未作填充，無可避免將引入潮氣，當(dāng)電纜承受過電壓時(shí)將極易引起空氣擊穿，形成端口處的環(huán)形放電。

安裝工藝以及檢修處理工藝不當(dāng)都可能導(dǎo)致絕緣受損、電場不均勻，從而引起此區(qū)域的局部放電。超聲波局部放電檢測技術(shù)能夠有效檢測開關(guān)柜中異常信號(hào)，通過綜合超聲信號(hào)幅值、相位、波形及聲音特征，判斷缺陷類型，提高局部放電普測效率。

潮氣、水分入侵：當(dāng)電纜倉空氣濕度較大，且大氣壓力偏高時(shí)，極易在電纜、電纜連接導(dǎo)體、倉壁形成凝露。對于制作工藝較差的電纜，潮氣將無可避免地滲入熱縮管、冷縮管；對于電纜表面，外加由于空氣中的灰塵微粒的附著，無疑將降低電纜表面絕緣強(qiáng)度，極易形成具備放電的有利條件，一旦出現(xiàn)過電壓、過電流，局部放電便會(huì)產(chǎn)生。

4.2 區(qū)域二放電位置

結(jié)合現(xiàn)場解體情況，該區(qū)域電纜僅有外部主絕緣，該區(qū)域出現(xiàn)的放電多由絕緣受損引起，施工過程中的意外損傷遺留的劃痕或豁口均會(huì)在一定程度上改變區(qū)域表面場強(qiáng)，降低絕緣水平，容易導(dǎo)致局部放電的發(fā)生；一旦發(fā)生局部放電，將會(huì)形成惡性循環(huán)進(jìn)一步破壞表面絕緣，加深該區(qū)域的劣化。

結(jié)合現(xiàn)場解體情況，該區(qū)域電纜僅有外部主絕緣，引起放電的因素主要有以下三個(gè)：

部分區(qū)域絕緣薄弱。由于制作工藝的緣故，電纜本體中芯線外表面不可能是標(biāo)準(zhǔn)圓，主絕緣層也不可能是標(biāo)準(zhǔn)的圓環(huán)，這將使得芯線對主絕緣表面的距離不會(huì)絕對相等，根據(jù)電場原理，主絕緣表面所處電場強(qiáng)度將不會(huì)處處均勻，最終導(dǎo)致電纜各部分的絕緣性能存在微小偏差，對于絕緣薄弱的地方在高壓情況下便容易發(fā)生放電。

熱縮不均勻。制作過程中套管收縮不均勻，遺留部分空氣在內(nèi)部，或者未能較好地調(diào)整火焰強(qiáng)度、保持距離、控制熱縮溫度，造成局部熱縮溫度太高烤焦熱縮管或者過分收縮，使其產(chǎn)生裂紋。

潮氣、水份入侵。其對電纜中間區(qū)域的影響與電纜終端接頭的影響相同，潮氣處于熱縮管內(nèi)部將有可能導(dǎo)致空氣擊穿；處于熱縮管表面的凝露則會(huì)同表面污垢一起，降低表面絕緣，引起軸向爬電。

現(xiàn)場解體時(shí)中間區(qū)域多處出現(xiàn)環(huán)形放電，放電是沿著絕緣薄弱的地方發(fā)生，同時(shí)由于內(nèi)部空氣的存在，在內(nèi)部形成帶狀或者其他不規(guī)則環(huán)形氣隙，電壓一旦過高將引起空氣擊穿。隨著放電次數(shù)的增加最終形成環(huán)形放電通道，甚至最終灼燒熱縮管形成豁口。潮氣的進(jìn)一步侵入會(huì)加劇放電的發(fā)生，將會(huì)形成惡性循環(huán)進(jìn)一步破壞表面絕緣，加深該區(qū)域的劣化。

4.3 區(qū)域三放電位置

在制作電纜頭時(shí)，剝離屏蔽層后，電纜原有的電場分布發(fā)生改變，將產(chǎn)生對絕緣極為不利的切向電場，該電場方向沿導(dǎo)線軸向延伸，此時(shí)電力線在屏蔽層端口處集中，該位置成為電纜最容易擊穿的部位。

為改善電力線的分布，在外半導(dǎo)電層外部涂抹一層應(yīng)力疏散膠，并將應(yīng)力錐套裝在外部。應(yīng)力錐的使用將減少切向發(fā)散的電力線，對應(yīng)效果如圖8所示。但是現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)存在應(yīng)力管內(nèi)部錯(cuò)位，未與銅屏蔽層有效接觸而造成懸空的情況，從而形成一個(gè)懸浮于電場中的半導(dǎo)電體。

圖8 應(yīng)力錐度對電場分布影響

4.4 區(qū)域四放電位置

銅屏蔽層在正常運(yùn)行時(shí)通過電容電流，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，作為短路電流的通道，同時(shí)起到屏蔽電場的作用。外半導(dǎo)電層處在絕緣層與銅屏蔽層之間，與周圍兩層良好接觸，起到均勻電位的作用。

剝?nèi)チ算~屏蔽層的電纜，在相應(yīng)位置的電場分布將會(huì)發(fā)生改變，電場線將在此端口沿軸向集中向外散發(fā)，從而對主絕緣產(chǎn)生不利影響，造成斷口處主絕緣能力的薄弱。電纜中如果沒有銅屏蔽層與外半導(dǎo)電層，三芯電纜極有可能發(fā)生相間絕緣擊穿。安裝工藝上要求銅屏蔽與外半導(dǎo)電層端口之間距離達(dá)到20mm，銅屏蔽端口距離分支手套端口70mm。

通過現(xiàn)場解體發(fā)現(xiàn)，8處解體4處開關(guān)柜在該區(qū)域共發(fā)生7次發(fā)放電，引起放電的主要原因如下。

安裝工藝不規(guī)范。現(xiàn)場部分開關(guān)柜未使用應(yīng)力管進(jìn)行均勻場強(qiáng)，僅僅進(jìn)行熱縮處理，或者安裝了應(yīng)力管卻不能保證與銅屏蔽、外半導(dǎo)電層的有效接觸面積致使應(yīng)力管作用失效。

檢修處理工藝不規(guī)范。銅屏蔽層端口處理不平整，存在突起，從而加劇電場的不均勻。同時(shí)在歷史問題處理中剝離更換熱縮管的過程中，主絕緣受到嚴(yán)重劃傷，表面遺留多處劃痕，且有一定深度。

上述安裝工藝以及檢修處理工藝不當(dāng)都可能導(dǎo)致絕緣受損、電場不均勻，從而引起此區(qū)域的局部放電。

5 結(jié)論

為防止開關(guān)柜電纜倉中潮氣的侵入，在開關(guān)柜中可加強(qiáng)除濕通風(fēng)，改善運(yùn)行環(huán)境；電纜故障消缺過程中，注意施工工藝，盡量避免對電纜主絕緣的損傷，減少銅屏蔽層端口及電纜頭壓接管表面突起；使用熱縮套管時(shí)熱縮均勻或者使用冷縮套管，正確安裝、更換應(yīng)力錐；開關(guān)柜局放檢測過程中，檢測人員可綜合檢測結(jié)果及現(xiàn)場環(huán)境有針對性的關(guān)注電纜倉中異常。