高壓開關柜局部放電聯合定位帶電檢測技術

楊京渝，彭 麗*，朱 仁，鄧力凡，彭橋清

(1. 湖南城市學院 機械與電氣工程學院，湖南 益陽 413000； 2. 國網湖南省電力有限公司 湘西供電分公司，湖南 吉首 416000)

12～40.5 kV 金屬封閉開關柜成套設備在各變電站被廣泛使用，它是電力用戶與電網聯系的樞紐，其安全穩定運行對電力用戶的供電可靠性具有舉足輕重的作用[1-2].高壓室一般沒有有效的環境控制措施，室外灰塵和潮氣通過通風口進入室內，造成開關柜絕緣隔板和熱縮護套臟污、受潮，導致絕緣強度降低；設備因在電、熱和化學等其他異常工況下長期運行而造成絕緣劣化，也易發生局部放電、閃絡和絕緣擊穿等故障[3-4].

在對供電可靠性要求逐步提高的背景下，以往的巡視模式已難以滿足及時掌握設備隱患的要求.隨著科技水平和檢測技術的不斷發展，以及帶電檢測技術的范圍和精度的不斷提升，應用于12～40.5 kV 高壓開關柜設備帶電檢測的手段也逐漸變多[5].目前，開關柜設備局部放電(PD)的檢測方法主要分為電檢測法和非電檢測法2 大類， 其中電檢測法應用較為廣泛的是暫態地電壓檢測(TEV)、射頻檢測和特高頻局放檢測(UHF)[6]；非電檢測法主要有紅外測溫和超聲波局放檢測[7].

高壓開關柜局部放電的各種檢測方法都有各自的優缺點.電檢測法：暫態地電壓能檢測出絕緣內部放電，但判據單一，檢測結果不可靠，只在內部放電較嚴重時，才具有較高的靈敏度；射頻檢測法信號信噪比高，除了能定性地檢測到局部放電，還能定量地檢測放電強度，但該方法易丟失信號，不利于模式識別；特高頻局放具有抗干擾能力強、靈敏度和準確性高，能利用波形特征識別放電類型等優點，但該方法成本較高，整個體系還有待完善，而且難于定量描述放電的嚴重程度.非電檢測法：紅外測溫不受電信號干擾，技術簡單且成本較低，但其存在準確性差和靈敏度低等缺點；超聲波局放檢測對懸浮和尖端放電等類型具有較高的靈敏度且定位精度較高，但其易受背景電磁干擾影響[8-10].

綜合上述分析可知，以上帶電檢測技術是分別從不同的角度提前發現開關柜內設備存在的潛伏性隱患，而設備故障的發生通常伴隨著多種故障特征信息的產生，單一的檢測手段很難準確判斷故障的位置和原因.因此，聯合多種帶電檢測技術來診斷開關柜局部放電缺陷的新思路具有較大的現實意義.

1 局部放電檢測原理

1.1 暫態地電壓檢測

高壓開關柜的電氣設備發生局部放電時，會產生電磁波，電磁波信號將會沿著柜體的金屬板向四周傳播，當信號到達柜體某一縫隙處時，則會傳至外部空間，并在柜體外殼上感應出一個暫態對地電壓信號；以暫態地電壓傳感器緊貼柜體時即可接收該電壓信號，從而得到內部設備的局部放電信息[11].

1.2 超聲波局放檢測

電氣設備發生局部放電時，除了自身會產生沖擊的振動和聲音外，在放電瞬間釋放的能量還會使周圍的介質加熱而導致分子間產生劇烈的撞擊，從而產生聲波；利用超聲波傳感器接收該聲波信號并轉換為電信號，據此可對局部放電進行測量和定位[12-13].

1.3 特高頻局放檢測

電氣設備發生局部放電時，它的擊穿過程持續時間很短，放電點的電荷迅速轉移形成上升時間小于1 ns 的脈沖電流[14].根據電磁輻射原理，如此窄的電流脈沖能夠激發出數量級為GHz 的特高頻電磁波.特高頻局放檢測技術即是用特高頻傳感器接收300 MHz～3 GHz 的電磁波信號，通過濾波、放大和檢波等途徑對設備的局部放電情況進行評估.

2 聯合檢測技術

從檢測靈敏度、抗干擾能力、定位精度和衰減程度等方面進行衡量，超聲波局放、暫態地電壓和特高頻局放檢測技術均有各自的特點.因此，單一的檢測技術會存在局限性，大多數情況下無法客觀真實地反映其放電類型、放電部位和嚴重程度[15]，甚至可能存在誤判.從超聲波局放、暫態地電壓和特高頻局放3 種檢測技術的優缺點可知，三者具有一定的互補性.如果將三者有機結合起來進行聯合檢測，則可實現優勢互補，可全方位采集現場數據，準確掌握設備狀態，具有更大的應用范圍.因此，在開關柜帶電檢測中可以暫態地電壓和超聲波檢測為主、特高頻檢測為輔的聯合檢測技術.聯合檢測流程如圖1 所示.

圖1 聯合檢測流程

3 聯合檢測案例分析

3.1 案例

2020 年1 月，對某110 kV 變電站進行帶電檢測，通過特高頻局放檢測發現，10 kV 開關柜存在局放異常現象.當時的運行工況如下：變電站10 kV 母聯300 開關柜處于熱備用狀態；相鄰母聯3001 隔離開關柜和#2 主變320 開關柜處于運行狀態；3001 連接至300 斷路器下，靜觸頭母排帶電；母聯300 開關柜前方#2 站用變處于運行狀態.高壓室平面布局如圖2 所示.

圖2 高壓室平面布置示意

3.2 帶電檢測

為準確判斷放電故障類型及精確定位，對變電站開關柜先后進行了暫態地電壓、超聲波和特高頻局放檢測，檢測現場環境溫度為10 ℃，濕度為55%，具體檢測結果如下：

1)暫態地電壓測試.對10 kV 開關柜進行暫態地電壓測試時，300 開關柜的后中柜門最大達49 dB，根據測試結果，得到的前中柜門和后中柜門的趨勢曲線如圖3 所示.

圖3 開關柜暫態地電壓趨勢分析

根據圖3 并結合暫態地電壓診斷依據，不難發現，10 kV 開關柜的暫態地電壓呈現以母聯300開關柜為中心，向兩側逐漸衰減的趨勢.由此判斷，高壓室局放異常的位置為300 開關柜，但精確定位其放電部位還需進一步確認.

2)超聲波局放測試.對開關柜進行超聲波局放檢測時，在300 開關柜后下柜門帶電顯示裝置處及前上柜門綜合指示裝置的連接導線處檢測到了明顯的放電聲音，具體檢測位置如圖4 所示.

圖4 超聲波檢測位置示意

圖4 中，后下柜門的帶電顯示裝置與前上柜門的綜合指示裝置，均通過導線連接至帶電傳感器尾端獲取信號.開關柜不同位置的超聲波測試數據如表1 所示.

表1 開關柜超聲波測試數據 dB

從表1 可知，在300 開關柜后下柜門的帶電顯示裝置處測得的超聲波值達18 dB；在300 開關柜前上柜門的綜合指示裝置的連接導線處測得的超聲波值達33 dB，且伴隨明顯的放電聲.根據國家電網公司電力設備帶電檢測技術相關規范中的超聲波診斷依據，對超聲波檢測結果進行推斷可知，300 開關柜內的局放源位于開關柜的帶電顯示傳感器處，且位置靠近傳感器尾端，但放電類型暫未確定.

3)特高頻局放測試.對高壓室進行特高頻局放檢測時，在3001，300 和320 開關柜附近檢測的幅值最大為60 dB，所測信號的幅值和波形有向高壓室兩側逐漸衰減的趨勢；在整排開關柜兩側的302 和374 開關柜處檢測不到明顯的局放圖譜，幅值僅在12 dB 左右波動；300 開關柜特高頻局放檢測圖譜中，放電脈沖的幅值穩定，相鄰放電時間間隔基本一致，且1 個工頻周期內有2 簇幅值等高的信號，符合懸浮電位的典型放電特征，如圖5 所示.

圖5 300 開關柜特高頻局放檢測圖譜

根據圖5，初步判斷該變電站10 kV 高壓室內存在局部放電異常缺陷，缺陷類別可能為懸浮放電.同時，對300 開關柜帶電顯示裝置的二次電壓進行了測量，發現C 相的電壓在負載情況下明顯低于A 和B 相，僅為正常相的60%左右.

綜合上述暫態地電壓、超聲波和特高頻局放檢測結果，可以判斷出10 kV 開關柜局放異常的原因是母聯300 開關柜C 相帶電顯示傳感器存在內部局部放電缺陷，且其類型為懸浮電位放電.

4 聯合檢測驗證

4.1 停電檢查

將母聯300開關柜和3001開關柜轉檢修狀態后，柜內帶電顯示傳感器不帶電，此時高壓室內所有開關柜的超聲波、特高頻和暫態電壓測試結果均恢復正常，開關柜內部接線方式及C 相帶電顯示相傳感器如圖6 所示.

圖6 開關柜內部接線方式及C 相帶電顯示傳感器

對三相連接排進行絕緣電阻測試，均達到100 GΩ(測試電壓2 500 V)；分別對三相連接排施加運行電壓(5.77 kV)，A 和B 相無明顯的放電現象，但C 相檢測到與運行狀態下類似的放電現象；將300 開關柜C 相帶電顯示傳感器拆除后，施加運行電壓，超聲波、特高頻和暫態電壓測試結果均正常.進一步對拆下的C 相帶電顯示傳感器進行局放診斷試驗，檢測到有明顯的放電圖譜，背景噪聲為5.15 pC，局放試驗圖譜如圖7 所示.

圖7 帶電顯示傳感器局放試驗圖譜

根據圖7 可知，電壓升至2.2 kV 左右時，視在放電量達到287 pC，且視在放電量隨試驗電壓的升高不斷增長；電壓升至3.5 kV 時，局放量已達到407 622 pC；電壓降至1.7 kV 時，局放信號消失.因此，可以初步判斷傳感器內部存在氣隙或接觸不良的缺陷.

4.2 設備解體及原因分析

高壓帶電顯示裝置包括傳感器和顯示器2 部分，傳感器由電容抽壓棒、填充膠和環氧樹脂組成.在運行過程中，抽壓電容棒相當于一個恒流源，電流流過帶電顯示器，會使其自帶的氖燈發光，說明設備帶電；抽壓電容棒從高壓帶電回路中抽取一定的電壓作為顯示和閉鎖電源，用來反映開關柜是否帶電，并能強制閉鎖開關網門.進一步對傳感器進行解體檢查，在傳感器靠近二次抽頭的內部引線處發現填充膠有粉化現象，這表明傳感器在該部位存在明顯的局部放電現象，具體位置如圖8 所示.

圖8 傳感器放電部位

通過上述試驗及設備解體分析，母聯300 開關柜內C 相帶電顯示傳感器靠近二次尾端存在接觸不良的缺陷，在運行的交變電壓下有懸浮電位從而產生局部放電，而局放的長期存在使傳感器二次抽頭尾部的填充膠粉化.在進行特高頻、超聲波和暫態地電壓測試時，也檢測到了明顯的局放異常信號，這驗證了帶電檢測時的判斷結果.

5 結論

1)介紹了暫態地電壓、超聲波和特高頻局放帶電檢測技術的優缺點及檢測原理，提出了將三者相結合的聯合定位檢測技術；

2)針對10 kV 開關柜局部放電典型案例，進行了暫態地電壓、超聲波和特高頻局放測試，以此來判斷局放異常的缺陷性質和位置，并經停電檢測試驗及設備解體分析驗證了判斷的準確性；

3)多種帶電檢測技術的聯合使用能及時發現設備缺陷并進行精確診斷和定位，可對開關柜故障進行全面有效地診斷排查，能高效地指導檢修工作的開展，保障設備的安全穩定運行.