基于紫外成像技術的開關柜局部放電故障精準定位

李杏，陳浩

(廣東電網有限責任公司湛江供電局，廣東 湛江 524000)

1 引言

10kV高壓開關柜是直接面對用戶的電力設備，具有是極其重要的地位，其可靠性直接關系著系統穩定性。保證開關柜安全運行的關鍵是對開關柜運行狀態進行有效監測、預判和合理檢修。開關柜運行一定年限后，常常會受到溫度、濕度等因素加速老化或因表面污穢出現異常放電現象形成絕緣劣化，導致絕緣強度降低，甚至容易發生觸點和母排溫度升高，嚴重的導致高壓開關柜爆炸[1-2]。目前，檢測高壓開關柜局部放電故障主要有TEV、超聲波、特高頻等方法。這些傳統檢測方法能夠有效的檢測出局放信號，但是對于微小的隱蔽缺陷的定位準確性不高，直接影響著消缺的工作效率。因此，尋找一種既能有效發現絕緣問題而又不會增加大量重復操作的檢測手段顯得非常重要。

2 開關柜局部放電產生的原因

當外加電壓在電氣設備產生一定場強，使絕緣部分區域發生放電，但在并未形成固定放電通道的這種放電現象稱為局部放電。主要分為四種：沿面放電、電暈放電、內部放電以及懸浮放電。然而，開關柜的局部放電分為兩種：沿面放電和內部放電，據統計，開關柜局部放電中沿面放電百分比大[3]。

發生在絕緣介質表面的局部放電稱為沿面放電。沿面放電電壓主要受電壓波形、空氣污穢程度、電場分布情況、介質表面狀況和氣候條件等因素的影響[4]。

發生在固體絕緣介質內部的局部放電稱為內部放電。由于材質和工藝等缺陷，使絕緣介質內部在生產過程中會存有少量雜質和氣隙，從而形成絕緣內部缺陷。當在絕緣介質上施加高電壓時，內部缺陷就可能發生局部或重復性的擊穿。內部放電的發生主要受與氣隙的大小、形狀、位置及氣隙中氣體種類和介質本身特性有關條件的影響。

3 帶電檢測的方法及原理

3.1 TEV檢測技術

暫態對地電壓(Transient Earth Voltage)是當高壓開關柜發生局部放電時，由于存在集膚效應作用，放電電量會聚集在與離放電點相近的接地金屬部分，形成電磁波并向各個方向傳播，在金屬斷開或絕緣連接處，放電產生電磁波信號通過金屬箱體連接處傳播到大地，同時在外殼上感應出持續的納秒級的電壓信號。如果開關柜是全部密封的，則在柜外是無法檢測到放電信號[5]。

TEV檢測技術對高壓開關柜的內部放電有較強的敏感度，但是需要專業水平較高、檢測經驗豐富的技術人員，才能有效地發現在開關柜內的缺陷。其次對背景要求高，若干擾較大時，判斷是否存在有局部放電存在一定的難度。

3.2 超聲波檢測技術

超聲波法的特點是在現場使用時容易受周圍環境設備機械振動或噪聲的影響。超聲波在不同材質中傳播，速度和衰減程度不同。在固體中傳播速度很快，衰減也更快，它很難穿透設備的金屬外殼，所以要求電氣設備必須存在可以用于檢測的開口或裂縫。再者，超聲波具有很強的方向性，傳感器必須指向局放源才能有較高的靈敏度。

超聲波是需要通過多個不同位置的超聲傳感器所測得的時延，利用空間幾何方法計算出局部放電源的位置，實現局部放電的準確定位。

3.3 紫外成像檢測技術

高壓設備放電時，會產生電暈、閃絡或電弧。電離時，空氣中的正負離子不斷獲得和釋放能量，在釋放能量的過程中，即有紫外線輻射出來。紫外成像技術就是利用太陽盲區的紫外線光(240nm～280nm)進行檢測。目前，紫外成像儀可以直觀的判斷和定位運行中的電力設備電暈放電和表面局部放電特性及其電力設備外絕緣狀態和污穢程度，不接觸，可遠距離觀察、檢測，為開展的輸、變電設備狀態檢修提供強有力的支撐[6-7]。

4 典型案例

4.1 現場局放測試

某變電站10kV高壓室共有44面開關柜，在2019年12月14日，試驗人員采用UltraTEV Plus+便攜式聲電波局部放電檢測儀對該高壓室的開關柜進行TEV和超聲波聯合檢測，檢測結果發現莫村線F06開關柜和上蒙線F09開關柜TEV幅值正常，F06、F09開關柜處可聽到放電的“嘶嘶”聲，在左右相鄰的F05開關柜、F07開關柜、F08開關柜、F10開關柜沒有聽到明顯的放電聲。隨后2020年01月20日試驗人員再次復測，兩次檢測數據如表1所示。

表1 F06、F09開關柜TEV和超聲檢測數據

結合現場作業標準和兩次檢測數據，如表1所示，判斷F06開關柜和F09開關柜柜后中附近的超聲值超標，設備存在明顯的放電，需將其停電進行檢查處理。

4.2 停電檢查與分析

考慮到長期工頻電壓下開關柜局部放電的積累效應、創傷效應，2020年01月24日，F06、F09開關柜進行停電檢查，檢修人員檢查兩面柜中部位的設備外觀，并未發現明顯放電痕跡。試驗人員對其設備各斷口進行絕緣試驗，判斷斷口上、斷口下、斷口和整組的絕緣性能，其絕緣試驗數據如表2所示。

表2 F06、F09開關柜絕緣試驗數據

試驗結果表明：F06、F09開關的斷口上、斷口、斷口下、整組的絕緣值總體都偏低。檢修人員對其設備進行酒精清抹等處理后，并分別對其進行交流耐壓試驗。試驗過程中，耐壓裝置的電流表、電壓表指示無明顯變化，試驗結果為交流耐壓試驗通過。從結果分析，經過常規性的絕緣試驗檢查，并不能準確確定局部放電的位置。

4.3 基于紫外檢測技術的局放定位

圖1是某變電站10kV部分運行圖，將10kV莫村線F06開關、10kV上蒙線F09開關合上，斷開F061、F091、F064、F094刀閘，斷開F06B0、F09B0、F0640、F0940刀閘，分別從F064、F094刀閘加入kV試驗電壓，模擬正常運行時開關承受的電壓情況。

圖1 某變電站10kV部分運行圖

根據圖2可知，試驗電壓試驗電源由自藕調壓器輸出后接到試驗變壓器，試驗變壓器輸出kV的試驗電壓分別接入F06、F09開關A相、B相、C相，保持足夠的安全距離，采用CoroCAM 504紫外成像儀對其進行檢測放電量的情況，如圖2～圖4。

圖2 模擬開關運行情況原理圖

圖3 F06開關A相紫外定位圖譜

圖4 F06開關B相紫外定位圖譜

從紫外檢測圖中可以看出，F06開關A相、B相真空泡下端的支撐絕緣子附件存在集中的噪點，光子計數量達到519、696，F09開關柜C相真空泡上端與絕緣護套之間存在集中的噪點光子計數達到252，存在嚴重的放電現象。

圖5 F09開關C相紫外定位圖譜

4.4 解體檢查

根據紫外檢測定位圖譜，耐壓試驗結束后檢修人員分別對F06、F09開關柜相關部位進行解體檢查。

F06開關柜：拆除F06開關A相、B相真空泡下端的支撐絕緣子，發現A相、B相支撐絕緣子上面有小范圍的裂紋，存在輕微的放電痕跡，并測量其絕緣電阻值為22MΩ、7MΩ。

F09開關柜：拆開F09開關C相真空泡上端的絕緣護套，發現F09開關柜C相絕緣護套的內側靠外端有少量毛刺。

處理方案：檢修人員對F06開關A相、B相真空泡下端的支撐絕緣子進行更換，對F09開關C相絕緣護套內側毛刺進行打磨處理，并檢查了另外相同位置支撐絕緣子和絕緣護套，未發現此類情況，懷疑是個別絕緣子和絕緣護套在制造時的工藝問題造成的絕緣缺陷。

5 結論

(1)紫外成像技術作為一種新型的電氣設備帶電檢測方法，可有效檢測到因缺陷或故障導致的變電站開關柜局部放電現象，適用于電氣設備的絕緣狀態評估；

(2)在開關柜局部放電故障定位診斷時應用紫外成像技術，能夠成功實現微小的隱蔽缺陷精準定位，從而高效的指導檢修工作的開展。

紫外成像技術也存在有一定的局限性，檢測時需要裝設專業檢測窗口，且對有些內部缺陷的檢測存在不靈敏性。在工程實際中，非常有必要結合其他檢測方法如超聲波、超高頻等進行聯合檢測才能取得較好的效果。