高壓開關柜多維在線監測與預警技術及應用

南方電網昆明供電局 劉志洪

搞要：針對高壓開關柜在制造、運行過程中不可避免出現絕緣缺陷、載流故障等問題，歸納總結了故障類型及原因，綜述了開關柜多維在線監測與預警技術。

隨著國民經濟的快速發展，為滿足國民經濟發展的需求，電網容量不斷的增大，對供電可靠性提出更高的要求，因此電力設備需具有更高的安全可靠性才能滿足電網要求。高壓開關柜是保證配網正常運行的重要環節，作為聯系主變及配電線路的橋梁，在保證供電可靠性中具有舉足輕重的地位，擔負著電能分配、故障電流開斷與負荷控制的作用[1-2]。

高壓開關柜經歷從GG1A型到XGN型，再到如今的KYN型。開關柜的密封性更好、體積更小、載流量更大、防護等級更高，其內部結構變化巨大。由于第一代GG1A型已屬于淘汰產品，目前在網運行的主要為XGN型和KYN型，由于KYN型操作方便、載流量大、結構完善，作為主流產品大規模應用于當今電網中。高壓開關柜在電網中數量巨大，作為直接聯系用戶的供電設備，其可靠性將決定配電網的可靠性。為確保配電網供電的可靠性，根據《電力設備預防性試驗規程》條文電網公司采取定期試驗與檢修相結合的方法來保證其正常工作，該方法一定程序上減小故障的發生。但定期檢查存在不足。該方法增加電網運行費用、停電時間、停電試驗缺陷檢出率低和檢修間隔內發生故障。在線檢測技術能有效發現處于潛伏的故障，減少停電時間，更加安全可靠。

1 高壓開關柜的主要故障

在服役期內，電氣設備的故障發生率與運行時間、方式之間存在宏觀規律。設備故障率和使用壽命的關系如圖1，其形狀為浴盆狀（兩邊高、中間低）。設備故障率由初始階段、穩定階段和劣化階段組成。在投運初期，因為部件磨合不善以及安裝調試遺留的問題逐漸暴露，所以故障率偏高。隨著員工對設備的熟悉和掌握，以及顯現問題的不斷處理，導致設備故障率逐步降低進入穩定階段（時長約15～20年）。在后期中，設備故障率顯著增大主要原因是絕緣老化、油中溶解氣體、局部放電等[3]。

圖1 電氣設備故障率與使用時間的關系

2011～2015年8月廣東電網共發生高壓開關柜事故17起。依據國網2015年統計結果表明，絕緣故障是導致開關柜故障的主要誘因，占比高達70%[4]。1990～1999間我國發生的電網開關事故數據同樣表明絕緣故障占比最高。開關柜常見故障發生率為：絕緣36%、拒動29%、開斷與關合9%，載流8%、誤動7%、外力或其他11%。高壓開關柜內部環境具有大電流、高電壓和強磁場的特點，絕緣缺陷會導致局部放電并長期累積最終導致故障。拒動故障常發生在老舊失修的開關柜設備中。其它幾種故障發生率相近、較低。在國外電網中，把機械異常和局部放電引起的拒動和絕緣故障作為重點研究對象。

常見開關柜故障的原因如下：拒動故障。傳動和操動等機構的機械故障，表現為部件變形、機構卡澀和鐵芯松動等；誤動故障。控制回路中接觸不良等，表現為端子松動、接線接觸不良、接線錯誤等；絕緣故障。柜內閃絡擊穿、絕緣內部缺陷和爬電等現象；開斷與關合故障。斷路器自身原因造成，表現為噴油短路、滅弧室損壞和真空度降低等；載流故障。電纜接頭接觸不良和插件偏心等原因造成；外力及其他故障。加工工藝不良、小動物短路、自然災害和異物撞擊等造成。

2 電力設備在線監控與發展

故障診斷作為電網研究的熱點，新的成果不斷涌現。電網的快速發展推動了電力設備狀態監測和故障診斷技術的發展。在電網的發展過程中，故障檢修策略經歷如下階段：

20世紀初，工業水平低、設備簡單，停機影響小，設備無法繼續運轉才維修，稱為事后檢修（又稱為故障檢修）[5-6]；20世紀40年代，隨著社會生活水平提高，電力設備故障對生產生活影響大，定期預防性維修開始出現。電力設備按照計劃定期檢修，提前發現設備隱患，確保其正常運行[6]。雖然該方式提高了設備可靠性，但在長期運行效果來看該方式也存在局限性。在經濟上該方式易造成過度維修和非必要停機，導致人力、物力和財力的浪費。在技術上，首先預防性實驗電壓偏低不能反映設備真實運行狀態，其次絕緣故障具有統計性，定期預防性試驗不能及時準確發現故障。在安全上實驗時容易造成人員傷亡、設備故障[5-6]。

20世紀50年代后，通用電氣公司等提出以設備狀態為基礎維修方式，即狀態檢修。即根據設備運行時的信息做出判斷，發現早期潛伏的故障，并安排必要的維修。其優點如下[1]：可有效地使用設備，提高設備利用率；降低備件的庫存量以及更換部件與維修所要費用；有目標地進行維修，可提高維修水平，使設備運行更安全可靠；可為設備制造部分反饋設備的質量信息，用以提高產品的可靠性。

通常，電力設備定時做常規的預防性試驗（通常周期為一年），但事故仍然不能避免，時有發生。在線監測技術能積累大量的試驗數據(包括停電及帶電監測)，結合被試設備的當前數據和以往歷史數據，運用各種數值方法進行及時、全面的綜合分析判斷，捕捉設備的早期缺陷，保證安全運行，從而彌補預防性試驗間隔長所帶來的誤差[1-2]。

在線和離線試驗是相輔相成、而不是對立。如在線監測中發現事故隱患后，必要時在離線狀態下全面檢修確定故障（圖2）。在線監測與故障診斷技術實現從“到期必修”過渡到“該修則修”[1-2]。隨著在線監測與故障診斷技術研究的不斷進步，狀態檢修必將逐步取代定期檢修，提高電力設備的運行可靠性。

圖2 電氣設備監測診斷過程流程示意圖

3 高壓開關柜的多維在線監測與預警技術

在線監測系統主要是對被測物理量(信號)進行采集、調理和變換等多個環節組成的系統（圖3）[1]。高壓開關柜在線監測項目主要是設備溫度監測、環境溫濕度監測、局部放電監測、閃絡監測、PT諧振監測、電流電壓監測、斷路器機械特性監測。對中低壓設備的長期連續監測可實現開關柜狀態的全方位監測，多維度、多狀態量地綜合分析評估，能有效克服單狀態量監測的局限性，為安排檢修計劃提供更準確、有效的技術支撐[5-6]。

圖3 在線監測系統原理框圖

典型配置與主要內容如下：溫（濕）度監測。梅花觸頭無線測溫、電纜頭無線測溫、斷路器室和電纜室濕度監測；弧光監測與保護。母線弧光保護、斷路器室弧光保護、電纜室弧光保護，支持閃絡預警、故障定位和選擇性跳閘；局部放電監測。電纜室局放監測，支持局放定位，給出放電頻次、相位圖譜、幅值特征分析等；斷路器機械特性監測。分閘線圈電流/電壓、合閘線圈電流/電壓、儲能電機電流/電壓、負荷電流監測，給出動作電流曲線，故障特征分析；通風除濕降溫控制。總路柜柜頂風扇自動控制、柜內冷凝除濕、配電室工業除濕機、電纜溝除濕、百葉窗改造；內窺式紅外成像測溫及微光遙視。加工工藝不良、小動物短路、自然災害和異物撞擊等造成；站端可視化軟件。可以通過可視化方式查看開關柜工作狀態、內部視頻，對各種數據進行實時分析與預警。

3.1 溫（濕）度在線監測

由于高壓開關柜工作在高電壓、大電流的狀態將造成設備的局部發熱、導致異常溫升，若未迅速處理將導致設備燃燒，更嚴重的會爆炸等事故。根據相關實踐經驗可知，開關柜在可能發生或已發生機械故障、開合故障、絕緣故障、載流故障時柜內都會存在局部（觸頭、接頭處）發熱的現象，因此可通過柜內發熱檢測實現開關柜的故障診斷工作。在高壓開關柜大電流回路的連接點（如動、靜觸頭、母排、主變接頭等）為故障的薄弱環節。連接點的接觸不良使接觸電阻增大，導致連接點處發熱增大，發熱加劇接觸面氧化，接觸電阻進一步增大，最終造成故障[7]。

開關柜主要在線測溫技術的測量方式、供電方式及信號傳輸如下：紅外測溫。非接觸式/有源/無線；光柵光纖測溫。接觸式/無源/有線；半導體數字測溫。接觸式/有源/無線；熱敏電阻測溫。接觸式/有源/無線；聲表面測溫。接觸式/無源/無線。

3.2 局部放電在線監測

開關柜出現絕緣缺陷或電場畸變的情況下會誘發局部放電，局部放電過程中往往會伴隨著聲、光、電等物理現象的發生。絕緣故障主要表現為外絕緣對地閃絡擊穿，內絕緣對地閃絡擊穿，相間絕緣閃絡擊穿，雷電過電壓閃絡擊穿，瓷瓶套管、電容套管閃絡、污閃、擊閃、擊穿、爆炸，提升桿閃絡，CT閃絡、擊穿、爆炸，瓷瓶斷裂等。絕緣缺陷發展到擊穿的過程中需經歷局部放電階段，其強弱能反映出絕緣狀態。

常規的人工巡檢方式極難發現早、中期的絕緣水平降低，通過安裝局放監測裝置可在線連續監測局部放電信號，以便及時發現和定位故障，把事故消除在萌芽狀態。目前常采用脈沖電流法、超聲波檢測法、高頻檢測法等檢測局部放電[8]，其中脈沖電流法（又稱耦合電容法）可靠性高，對比性強，可定量分析等優點，被IEC60270標準選為推薦的局部放電檢測方法[4]。

常用局部放電檢測法的比較如下：超聲波法。抗電磁干擾能力強，便于局部放電定位，但靈敏度低、受機械振動等干擾大。應用對象為變壓器、GIS、供配電線路等；暫態地電壓法。對絕緣子氣隙放電比較敏感、常與超聲波配合，但不適合除開關柜外其他設備。應用對象為電纜、配電線路；特高頻法。靈敏度高、抗干擾能力強，但不適合金屬封閉設備、尚未實現局放強度的量化描述。應用對象以GIS為主；脈沖電流法。可靠性高、可對比性強、可定量分析，但對試驗電源和環境都有很高的要求，靈敏度高。應用對象為開關柜。以上檢測法均可可定位，能局放識別。

3.3 弧光監測與保護

由于誤入帶電間隔、誤操作等原因造成電弧光。一旦電弧產生，電弧的能量可高達8～60MW。電弧持續燃燒超過100ms釋放能量將急劇增加，電纜大約在150ms燃燒，銅排在200ms左右燃燒，約在250ms開關柜的鋼材開始燃燒，電弧和燃燒釋放的熱能極可能導致開關柜爆炸。弧光事故可造成電力設施損毀和嚴重的人生傷亡事故。弧光傳感器可裝設在開關設備的多數不同位置，根據其實際位置的不同實現保護分區和故障點的快速定位，減少處理停電時間，使恢復供電更快。此外，該保護可連續的檢測故障前信號（如微弱的弧光信號、強電暈等），在產生較嚴重的爬電、電暈趨勢加強等時發出告警，有利于將故障消除在萌芽狀態。