配電開關柜局部放電測試檢測運行狀態的研究

黃超文

（國網湖南省電力有限公司婁底供電分公司，湖南婁底 417000）

0 引言

開關柜的運行狀況和維護狀況關系著電力系統能否可靠供電，其檢修測試以局部放電（簡稱局放）檢測為主，該方法以不同的放電模型為基礎來模擬在線檢測狀況，檢測重點是封閉狀況下開關柜和相關設備的運行狀況。局放測試對絕緣損害較小，可以在實現檢測目的的同時降低對設備的傷害，已得到廣泛應用。局放儀是局放檢測的主要工具，主要用來測量各種放電的波形和幅值狀況，因此，局放儀傳遞數據的準確程度對設備絕緣的可靠性有直接影響，對整個電力系統的正常運轉關系重大。

1 局放測試的重要性

據調查顯示，電力生產中配電開關柜的故障原因有85%是其局部放電所致，需重點關注其檢測技術。所采用的檢測設備越先進，則配電開關柜及相關設備運行的安全隱患越低。局放檢測能夠定位開關柜的放電部位，提高放電檢測效率；現場累計的帶電檢測數據，能夠為未來開關類設備的制作及運行提供依據，提高開關柜及相關設備的安全運行屬性。事先檢測、應對配電開關柜放電故障，配合例行停電檢測，可保障電力用戶用電及時性和電力供應平穩性，具有重要意義。

2 相關理論基礎

2.1 局部放電的概念

局部放電是在電場強度的作用下，絕緣系統中存在尚未擊穿的現象。尚未擊穿指放電只發生在局部區域之間，并未貫穿整個導體的狀況。造成局部放電的原因主要是電介質分布不均勻，尤其是絕緣系統中的電場分布不均勻，如部分區域的電場高度集中，高于電介質的耐強度水平，進而引發局部放電。

2.2 局部放電的微觀理論

局部放電的過程較為復雜，其放電的強弱與多種因素相關：①設備自身的因素，如設備的耐壓性、內部絕緣狀況、外部形狀等；②外部環境因素，如溫度、天氣狀況等。但都遵循兩個放電理論，即湯生放電原理和流注理論。

湯生放電原理的主要思想是當外部所施加的電場強度足夠高時，帶電粒子通過吸收電場能量與中性質點相互碰撞，隨著碰撞的加劇使得新電子產生，而在電場加速的作用下，新生成的電子又會發生新的碰撞，如此循環使得帶電粒子數量增多，最后形成雪崩狀況，當其符合自持放電時便會發生連續放電的狀況，進而導致絕緣擊穿。該理論對于均勻電場下的絕緣擊穿做出了很好的解釋。

流注理論不同于湯生放電原理，其對于不均勻的電場有更高的適用性。當外部施加的電壓高于氣隙中的最低擊穿電壓時，由于電場分布不均勻，使碰撞所產生的光電子高速向正電荷區域移動，進而引發二次電子崩狀況，而二次電子崩頭部的電子會與第一次正電荷相互作用形成攜帶正負質點的流注，基于此解釋氣隙擊穿狀況。流注理論以不均勻電場為假設基礎，應對現實氣隙擊穿有較強的適用性。

2.3 局部放電的種類

局部放電主要有3 種類型：①氣隙放電，由電場內強度分布不均勻所至，較多發生于高強度電場下絕緣體內部的低強度電場部位，其與絕緣體的物理性能和電場分布具有密切關系；②電暈放電，前提條件是電場空間分布不均勻，當在大氣壓下，電極表面的曲率半徑較小使其附件電場較強時，引發電暈放電現象；③沿面放電，指電力設備的外絕緣與空氣分界面之間產生的放電現象，主要原因是外絕緣與其所固定的帶電導體均暴露于空氣中，外部電壓超過臨界值時引發兩者的分界面放電。

2.4 局部放電的檢測方法

局部放電的檢測方法共有7 種，劃分依據是放電過程中的不同現象，通過檢測其特征量來表明放電狀況：①脈沖電流法，檢測脈沖電流信號來檢測放電量，通過阻抗、外殼接地線等獲取信號，該方法應用時間最早且應用范圍最廣，脈沖的分辨率較高，但是抗干擾能力相對較差；②超高頻檢測法，依據傳感器接收放電時所傳出的電磁波來檢測信號，其抗干擾能力較強且靈敏度較高，能夠實現較寬范圍的頻率的檢測，但是信號采集時需要大量的實時數據，增加了數據處理的難度；③超聲波檢測法，由超聲波傳感器收集信號，判斷放電位置，目前局放檢測儀較多采用超聲波檢測，其頻率范圍70～150 kHz，對放電位置的檢測有較強的應用性；④泄漏電流檢測法，依據絕緣子與絕緣環氧套管表面間的泄漏電流大小來判斷絕緣情況，因準確性較高得到廣泛應用；⑤光檢測法，依靠光纖采集開關柜內部的光來判定放電情況，其設備的密封性較差；⑥化學檢驗法，對擊穿后的分解物進行化學分析，因較為復雜而應用較少；⑦紅外檢測法，用紅外探測儀檢測設備表面的溫度和分布來判斷放電狀況，主要應用于定性方面，對定量的缺陷使其應用性較差。

每種檢測方法都有其優勢和劣勢，難以全面、客觀、準確地檢測配電開關柜的實際運行狀況。在選擇局放檢測方法時，既要考慮方法的靈敏性和實用屬性，也要分析所檢測的放電種類、能量形式，必要時采取多種檢測方法相結合的形式，以增強最終檢測結果的準確性。

3 配電開關柜局部放電產生的原因

電力設備運行時，其周圍存在分布不均勻的電場，局部放電是因為部分的電場強度超過了介質擊穿電壓但是未超過導體擊穿電壓而產生的放電。局部放電一般只損壞電介質層而不會擊穿絕緣材料，電力設備長時間運行時，絕緣劣化更易產生局部放電，引發電力事故。絕緣體劣化原因有兩個方面：①絕緣體內部存在空氣，或因制作缺陷，或因斷裂等外因滲入，而空氣易被擊穿的屬性使局部放電較容易發生；②絕緣體的絕緣性能較差，摻雜有導體或絕緣體制作不良，為局部放電提供介質。

4 配電開關柜常見的局部放電現象模擬

模擬配電開關柜常見4 種放電現象，重點關注不同模型的放電特征和放電量。

4.1 針尖放電模擬

通過實驗得到該模擬狀況下的放電電壓和放電量分別為5 kV、50～65 pC，其超聲波的頻率范圍為10～120 kHz。這種放電模型具有穩定放電的特點，但是電壓的幅值較大，使得局部擊穿的狀況更容易發生，進而對配電開關柜的穩定運行造成影響。

4.2 懸浮型放電模擬

通過實驗得到該模擬狀況下的放電電壓和放電量分別為3.5 kV、280～320 pC，超聲波的頻率為20～160 kHz。這種放電模型具有穩定放電的特點，但是其較高的放電量使得配電開關柜運行的可靠性受到影響。

4.3 金屬顆粒型放電模擬

通過實驗得到該模擬狀況下的放電電壓和放電量分別為5 kV、12～25 pC，超聲波的頻率為20～120 kHz。該放電模型的放電穩定性相比前兩種模型較差，但是其較低的放電量和較差的放電持續性使得其對配電開關柜運行的影響相對較小。

4.4 絕緣氣隙型放電模擬

通過實驗得到該模擬狀況下的放電電壓和放電量分別為2 kV、55～300 pC 超聲波的頻率為20～120 kHz。該放電模型的放電電壓雖然較低，但是放電量受到氣隙絕緣介質的影響較大，使得其對配電開關柜產生一定影響。

5 檢測設備及現場測試

局部放電檢測設備應用較多的是手持式局放測試儀，其結合了TEV 和超聲波測試2 中檢測方法，不僅能檢測不同類型的放電現象、輸出局部放電的幅值數值、脈沖數等指標，更具有自我檢測的功能，應用范圍較廣泛。配電開關柜的安裝數量較多，實施檢測時作業量較大，且局部放電所造成的結果往往比較惡劣，但是發生局部放電的概率較低，使手持式局測儀的使用效率大大提升。實際操作時可以首先運用手持式局測儀對所有設備進行簡單檢測，排除80%以上的正常運行設備，再對懷疑存在局部放電現象的剩余設備運用定位系統進行更精準的測試，從而判斷實際發生局放現象的設備，并對其信號、位置等進行精準測試，以此制定相應的檢修方案，開展檢修工作。在實際操作時要注意分批次進行，以減少設備之間的相互干擾性質和其他可能的干擾因素，增強局放檢測的效率的準確度。

6 結語

配電開關柜由于其在配電網中的獨特地位，其運行的安全性、穩定性及可靠性具有重要意義。在配電開關柜的絕緣系統中，不同部位的電場強度存在差異，某個區域的電場強度一旦達到其擊穿場強時，該區域就會出現放電現象，通過對不同放電模型的構造，還原實際中的放電情況，測量局部放電所發出的不同的超聲波頻率、放電性的穩定性、放電電壓等級以及放電量等指標，依據其不同的指標值設計不同的放電模擬類型，通過檢測信號的幅值（dB值或mV 值），局放發生的部位、局放的類型、設備結構綜合判斷，能夠有效判斷局部放電的嚴重程度，從而合理制定檢修策略。