10 kV 架空配電線路超聲波局部放電檢測技術的應用

王光增，華獻宏，彭 江，何紅太，黃潔敏

（1.國網浙江浦江縣供電有限公司，浙江 金華 322200；2.北京國網富達科技發展有限責任公司，北京 100070；3.國網浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321017）

0 引言

10 kV 架空配電線路是配電網重要組成部分，是直接對用戶供電的關鍵設備之一，其設備能否安全運行，直接關系到供電的可靠性。因此，做好10 kV 架空配電線路設備的運維檢修工作尤為重要［1-3］。由于10 kV 架空配電線路電壓等級相對電力主網較低、運行環境復雜、設備種類繁多、設備數量巨大且均安裝在桿塔上，給帶電檢測技術開發和應用帶來了困難，相對落后于主網設備的帶電檢測技術，長期以來10 kV 配電架空線路的帶電檢測只有紅外測溫法，在檢查其導電回路是否存在接觸不良的缺陷時，需要一定的負荷電流使接觸不良部位發熱才能發現缺陷［4］，運檢效率低，運維水平不高。因此，有必要尋找一種新的帶電檢測技術，能快速有效發現10 kV 架空配電線路上常見的缺陷或隱患，以提高10 kV 架空配電線路設備巡檢效率和運檢水平。

研究超聲波局部放電檢測技術在10 kV 架空配電線路上的應用，結合實例證明超聲波局部放電技術在10 kV 架空配電線路設備上應用是有效的。

1 局部放電聲波產生的機理

10 kV 架空配電線路設備發生絕緣缺陷或導電回路接觸不良等缺陷時，都將引起局部放電［5］。如架空絕緣導線穿過樹枝時，在自然風的作用下樹枝與絕緣導線不斷摩擦，使絕緣層磨損，造成絕緣缺陷或隱患，大幅降低了絕緣導線對樹枝的絕緣水平，磨損到一定程度時絕緣導線對樹枝產生放電；又如當設備的導電回路接頭接觸面發生接觸不良時，兩個接觸面之間也會產生放電。放電區域中的分子運動加劇，產生劇烈的撞擊，從而在宏觀上產生了一種壓力，引起機械振動［6］，即局部放電時產生一系列的聲脈沖而產生聲波。聲波的頻率與絕緣介質、缺陷的類型相關，不同的絕緣介質和不同的缺陷產生的聲波頻率是不一樣的，可從幾十赫茲到幾十兆赫茲，而且各種頻率所占的分量也各不相同［7］。如裸導線對空氣和絕緣導線對空氣放電時所產生頻率就有很大的區別，如圖1 所示，裸電線聲信號在頻率為15 kHz處出現峰值，絕緣導線聲信號在頻率為45 kHz 和75 kHz 時出現峰值。

圖1 裸線和絕緣線在空氣中的放電頻譜

2 10 kV 架空線路設備超聲波局部放電檢測原理

在配電網架空線路附近使用超聲波局部放電檢測儀，接收放電產生的超聲波信號，進而判斷電力設備的異常放電情況。超聲波檢測分為接觸式檢測方式和非接觸式檢測方式［8］，非接觸式檢測是直接捕捉空氣中的超聲波信號并對其進行檢測［9］，其檢測原理如圖2 所示。架空配電線路的超聲波檢測屬于非接觸式檢測。

圖2 10 kV 架空線路超聲波局部放電檢測

超聲波檢測是通過傳感器接收設備局部放電的信號，然后經過前置放大、濾波、放大、檢波等環節，對聲信號進行分析，判斷是否發生了異常的局部放電［10］。

3 超聲波局部放電檢測條件與方法

3.1 檢測環境

對10 kV 架空配電線路設備進行超聲波局部放電檢測工作應在無雨、雪、大霧、雷電等不良工況下進行，檢測環境溫度為-25～45 ℃，相對濕度為0～85%。配電線路應為帶電正常運行狀態（非單相接地運行）。

3.2 干擾源排除

在開始檢測前，應盡可能排除干擾源的影響。常見干擾有各種車輛發出的聲音、施工聲、裝修聲、氣割電焊聲、高壓水槍聲、樹葉聲等。當出現較大噪音干擾時，應將接收器移至其他地方，避免噪音過大對接收器以及人耳的傷害，當檢測過程中有干擾時，應延長檢測時間以判斷被檢測設備是否有放電信號。當距離氣割電焊以及高壓水槍距離過近無法檢測時，等待干擾源結束后再進行檢測。

3.3 檢測方法

按超聲波局部放電檢測原理，先在10 kV 架空配電線路桿塔的周圍進行初步測試，將超聲波信號接收器以50°左右的角度對準被測設備，發現有異常的放電超聲波信號時，再進行精確檢測，即在發現有異常的放電超聲波信號位置前后左右再進行檢測，檢測到最大局部放電超聲波信號后，記錄其放電波形和幅值。同時，用高倍相機拍下缺陷設備的桿塔編號、桿塔全景、缺陷設備區域和缺陷設備局部的照片，并記錄天氣情況、溫度、濕度及風力等。

4 檢測案例

4.1 導電回路接觸不良的檢測

某柱上隔離開關的A 相接線線夾處存在接觸不良的缺陷，如圖3 所示。將該隔離開關接入10 kV 真型平臺中運行，分別在負荷電流100 A 和200 A 運行工況下進行超聲波局部放電檢測，具體檢測數據及波形詳見表1。

圖3 隔離開關接線接觸不良

表1 隔離開關接線接觸不良檢測波形及數據表

從表1 超聲波局部放電檢測的數據可以發現，超聲波檢測到最大超聲波信號基本不受負荷電流變化的影響，負荷電流由100 A 變化至200 A 時，最大超聲波信號是一樣的。紅外測溫法更依賴負荷電流的變化，只有故障點溫升較大時才能檢測到缺陷，不能及時發現缺陷，而超聲波局部放電檢測與溫升沒有直接關系，所以輕微的接觸不良或接觸不良在負荷電流較小時也能有效檢測到局部放電引起的超聲波信號，能及時發現導電回路接觸不良的缺陷。

4.2 高壓熔斷器合閘不到位的檢測

跌落式高壓熔斷器由于操作不到位或者設備老舊等原因，引起跌落式高壓熔斷器合閘不到位的缺陷時有發生，如圖4 所示，嚴重影響設備的安全運行。對其進行超聲波局部放電檢測，檢測數據最大值為15 dB，如圖5 所示。測試環境為晴天，環境溫度為37.2 ℃，濕度為52.7%。負荷電流為22 A，由于負荷電流比較小，故障相溫度與另外兩相比沒有明顯溫升（從左到右3 相溫度分別為46 ℃、49 ℃、47 ℃），超聲波局部放電檢測，能有效發現高壓跌落式熔斷器合閘不到位的缺陷。

圖4 高壓熔斷器合閘不到位（中間相）

圖5 高壓熔斷器合不到位放電信號波形

4.3 絕緣導線對樹枝放電的檢測

在10 kV 架空絕緣導線運行環境中，常見絕緣導線穿過樹枝運行，由于自然風等因素，樹枝與絕緣導線經常發生摩擦，導線絕緣層磨損，引起絕緣導線對樹枝放電，如圖6 所示。對其進行超聲波局部放電檢測，檢測結果如圖7 所示，放電信號最大值為14 dB。

4.4 電纜頭引線不同相間放電的檢測

在10 kV 架空配電線路設備中，常見兩條支線電纜接在同一條主線的接線端子上，兩條電纜頭引線交叉時靠得很近，當引線絕緣老化時不同相的電纜引線在天氣比較差、濕度較大時就會發生局部的放電，如圖8 所示。采用超聲波局部放電儀在不同環境下對其進行檢測，結果如圖9 所示。圖9（a）檢測環境為雨后陰天，環境溫度為28.1 ℃，濕度為76.2%，此時負荷電流為23～26 A，放電信號最大值為8 dB；圖9（b）檢測環境為晴天，環境溫度為23.5 ℃，濕度為43.6%，負荷電流為24～25 A，此時未檢測到放電信號。由此可以看出超聲波局部放電檢測時與天氣、濕度密切相關。

圖6 絕緣導線對樹枝放電

圖7 絕緣導線被樹枝磨損放電信號波形

圖8 電纜頭引線不同相間放電

圖9 電纜頭引線不同相間放電信號波形

4.5 絕緣子裂紋放電檢測

在10 kV 架空配電線路設備中，由于絕緣子劣化或受外力破壞，導致絕緣子產生裂紋，如圖10 所示，這也是10 kV 架空配電線路設備中常見的缺陷。對其進行局部放電檢測，檢測結果如圖11 所示，放電信號最大值為5 dB。

4.6 絕緣子污穢放電檢測

10 kV 架空配電線路設備由于受環境的污染，常出現絕緣子表面污穢嚴重的缺陷，如圖12 所示。對其進行局部放電檢測，檢測結果如圖13 所示，放電信號最大值為5dB。

圖12 絕緣子污穢放電

圖13 絕緣子污穢放電信號波形

5 結語

通過對在10 kV 架空配電線路設備上采用超聲波局部放電檢測技術，能有效發現導電回路接觸不良、高壓熔斷器合不到位、絕緣導線穿過樹木時絕緣導線絕緣層被樹枝磨損、電纜頭交叉時不同相之間絕緣不良引起的異常放電、絕緣污穢和裂紋等缺陷或隱患。

超聲波局部放電檢測原理與紅外測溫的檢測原理不同，超聲波局部放電檢測主要是跟兩個接觸面的放電有關，與負荷電流大小沒有強關聯關系，即與線路設備接頭的溫度沒有直接關聯關系。因此，當回路負荷電流較小時，接頭溫度沒有明顯上升，只要存在導電回路接觸不良狀況，就能檢測到放電信號，從而發現導電回路接觸不良隱患。而紅外測溫主要是跟溫度有關，當回路負荷電流較小接頭溫度沒有明顯上升時，則無法發現電回路接觸不良的隱患。

由于超聲波局部放電檢測的速度比紅外測溫快，同時還能發現其他類型的缺陷或隱患。因此當采用超聲波局部放電檢測發現導電回路接觸不良隱患后，再用紅外測溫進行測量，綜合分析后，再決策排除缺陷或隱患的時機，能顯著提高帶電檢測的工作效率。

超聲波局部放電檢測結果對天氣、濕度等環境敏感。由于10 kV 架空配電線路設備的絕緣故障發生在天氣差時概率較高，為及時發現缺陷，防止出現因天氣差引起的配電網設備故障，建議在陰天、濕度較高的環境條件下開展超聲波局部放電檢測。