開關柜局部放電檢測方法及應用

貴州電網有限責任公司安順供電局 邵 春 謝 珂 李 飛 張 輝 楊航康 金哲宇

高壓開關柜是電力系統的重要設備，高壓開關柜的安全穩定運行直接關系到客戶的正常用電。由于在設計、制造、安裝和運行維護方面存在著不同程度的問題，近年來發生多起高壓開關柜放電事件。開關柜放電是由局部區域放電逐步擴大發展來的。局部放電是指當外加電壓在電氣設備中產生的場強足以使絕緣部分區域發生放電、但未形成固定放電通道的放電現象。局部放電與絕緣材料的劣化和擊穿過程密切相關，檢測局部放電能有效地反映電氣設備的絕緣狀況和絕緣缺陷，尤其對早期發現突發性故障要有效得多。

由于局部放電區域電場強度較大，不及時處理將會逐步擴大放電區域形成固定放電通道，所以局部放電是造成絕緣故障的主要原因之一，也是絕緣劣化的重要征兆和表現形式。局放帶電檢測能夠確定高壓設備是否存在放電及放電是否超標。發現其它試驗不能檢查出來的絕緣缺陷及故障，是實現狀態檢測的重要技術手段。為了保證開關柜的安全穩定運行，對開關柜定期開展局部放電檢測很有必要，是提前發現絕緣缺陷的有效手段。

1 高壓開關柜局部放電的類型及原因

懸浮放電。在高壓開關柜中，當某個導體部件由于接觸不良與帶電體或接地體斷開，使得該部件位于高壓電極與低壓電極之間，并根據其位置的阻抗比獲得分壓產生懸浮電位[1]。具有懸浮電位的導體附近會形成較集中的場強，該場強會造成導體對周圍絕緣介質放電，破壞四周絕緣介質的形成。懸浮電位放電一般易發生在電氣設備內處于高電位或地電位的金屬部件上；氣隙放電。是固體絕緣介質較常見的內部放電。絕緣介質由于在生產加工時難免存在材料與工藝缺陷等原因，導致出現內部缺陷，比如摻入少量的空氣或雜質等。帶有內部缺陷的絕緣介質在高電壓作用下有發生局部擊穿或重復性擊穿的可能。通常氣隙大小、缺陷的位置和形狀、氣隙氣體的種類和絕緣介質的特性等會對氣隙放電的發生條件產生影響[2]。

沿面放電。是一種特殊的氣體放電現象，常發生在電力電纜、絕緣套管的端部等位置。當絕緣介質內部的場強低于電極邊緣氣隙的場強，且絕緣介質沿面擊穿電壓相對較低，沿面放電就會發生在絕緣介質的表面。沿面放電具有不穩定性，沿面放電電壓常受電壓波形、電場的分布、空氣質量、介質的表面狀態、氣候條件等因素的影響；電暈放電。是一種極不均勻電場下特有的自持放電形式，體現出了典型的極不均勻電場的特征。電暈放電常發生在被氣體包圍的高壓導體周圍，如高壓線路、高壓斷路器、高壓隔離開關等，因為這些高壓電氣設備的高壓接線端子暴露在空氣中，所以發生電暈放電的機率相對較大。電暈放電起始電壓受電極的形狀、外加電壓、氣體密度、極間距離、空氣的濕度與流動速度等因素的影響。

2 高壓開關柜局部放電檢測的方法及原理

局部放電通常伴生電磁波、聲波、電流行波、熱能、發光、產生各類型氣體或化學分解物等，可通過對上述各類化學、物理現象進行單項監測或多項綜合監測對高壓開關柜局部放電進行判別和定位[3]。目前最主要的三種開關柜局部放電檢測方法是暫態地電壓檢測法（TEV）、超聲波檢測法(AE)、特高頻檢測法(UHF)。

2.1 暫態地電壓檢測法（TEV）

局部放電發生時，放電點會產生兩個方向傳播的高頻電流波。該高頻電流波受集膚效應的影響，僅集中在金屬柜體內表面傳播而不會直接穿透。當傳播到金屬斷開或絕緣連接處時電流波轉移至外表面，并以電磁波形式進入自由空間。電磁波上升沿碰到金屬外表面，產生暫態地電壓。通過測量暫態地電壓的大小可判斷局部放電的嚴重程度（圖1）。

圖1 暫態地電壓檢測原理圖

對高壓開關柜進行局放測試前應消除環境電磁輻射的影響，即先進行背景值的測量，記錄空氣、金屬制品（金屬門、金屬窗）的背景值。這是因為開關柜外部的電磁干擾會在開關柜上產生暫態對地電壓，同樣也會在其他金屬制品上產生暫態對地電壓。為消除這個外部干擾產生的TEV，開始測試前在開關室的不同位置測試3～5個點（非帶電金屬體）的值，并取其均值作為背景參考值，測試時將儀器上的顯示值減去背景參考值即為開關柜實際局放值。

測試過程中要注意排除干擾，如當發現某臺開關柜局放值突然增大時，應首先排除環境背景值改變的干擾，再次對背景進行測量；避免隨身用電設備（如手機）的干擾；注意熒光燈、排風機等的干擾。開關柜測試點通常選擇前柜門的中、下部和后柜門的上、中、下部五個測試點，條件允許時還可在開關柜的兩個側面進行測量。

根據經驗，測試數據大于20dB 時則認為開關柜內部存在局部放電。同時應與開關柜歷次測試結果相互比較，當開關柜與歷次測試結果比較增幅在5～10dB 時，應加強對該開關柜的關注，適當縮短試驗周期。也應與相鄰同類型開關柜相互比較，在同一開關室內，如某臺或某臺開關柜的局放比其他同類型開關柜局放大10dB 時，應加強關注并現場分析判斷，看此開關柜附近是否有干擾源及開關柜內是否有故障。

2.2 超聲波檢測法(AE)

局部放電發生時會產生沖擊振動，放電點會產生超聲波（頻率大于20kHz 以上），可通過超聲波傳感器測量超聲波的大小來判斷放電大小及類型[4]。超聲波檢測法就是通過在設備腔體外壁上安裝超聲波傳感器來測量局部放電信號。超聲波在固體中傳播速度很快且衰減更快，很難穿透設備的金屬外殼，所以要求開關柜必須存在可用于檢測的開口或裂縫。采用超聲波模式時，要先關閉開關室內可能產生超聲波的設備（如驅鼠器）且測試背景數據。超聲波傳感器與開關設備間一定要有空氣通道（柜體縫隙、排風葉窗），用來保證超聲波信號可傳播出來。測量時將傳感器對準開關設備的空氣通道處，沿著開關柜上的縫隙掃描進行檢測且一定要注意保持足夠的安全距離。

超聲波AE 檢測時可檢測AE 幅值圖、AE 波形圖譜、AE 相位圖。不同的放電類型其檢測數據和圖譜不同。懸浮放電超聲檢測AE 幅值圖100Hz 頻率成分大于50Hz 頻率成分；AE 波形圖譜每周期兩組，波形陡、相位寬度窄；AE 相位圖每周期兩簇，打點位置聚集在上方，有懸空趨勢。電暈放電超聲檢測AE 幅值圖100Hz 頻率成分小于50Hz 頻率成分；AE波形圖譜每周期一組，每簇中大小脈沖都有，相位寬度較寬；AE 相位圖每周期兩簇，一簇大一簇小打點位置大小都有。沿面放電超聲AE 幅值圖100Hz 頻率成分大于50Hz 頻率成分；AE 波形圖譜每周期兩組，每組中大小脈沖都有，相位寬度較寬；AE 相位圖每周期兩簇，呈雙駝峰狀，打點位置大小都有。

2.3 特高頻檢測法(UHF)

UHF 法是通過UHF 傳感器對電力設備局放產生的特高頻信號進行檢測，判斷設備局部放電狀況和絕緣狀態。UHF 法具有靈敏度高和抗干擾能力強等優點，可實現局放帶電檢測、定位、故障類型判斷。檢測前需關閉手機、熒光燈等可能產生特高頻信號的設備，檢測點選擇開關柜上的觀察窗、排風葉窗。測量原理見圖2所示。

圖2 特高頻檢測原理圖

特高頻檢測法UHF 檢測時可檢測PRPS 圖譜（脈沖序列相位分解）、PRPD 圖譜（局部放電相位分解）和周期圖譜，不同放電類型檢測數據和圖譜不同。懸浮放電PRPS 圖譜幅值較大，柱狀圖走勢有內八字特征，相位分布較窄；PRPD 圖譜幅值都較大，無小信號，打點位置都在上面兩格；周期圖譜每周期一對脈沖信號，幅值較大，相位相差180°。電暈放電PRPS 圖譜每個周期一簇，脈沖數非常密集，相位分布寬；PRPD 圖譜幅值有大有小，一般小的多，放電點數量非常密集，相位分布較寬；周期圖譜每周期一組脈沖信號，幅值有大有小，數量較多。氣隙放電PRPS 圖譜每個周期一簇，幅值有大有小，脈沖數較多，幅值不是很大相位分布較寬；PRPD 圖譜每個周期一簇，幅值有大有小，但不會很大，放電點數量較多，相位分布較寬；周期圖譜每周期一組脈沖信號，幅值有大有小，數量較多。

2.4 三種方法比較

暫態地電壓檢測法（TEV）和特高頻檢測法(UHF)屬于電磁測量法：對脈沖的變化速度比較敏感，比較適合介質內部放電；對放電頻譜較低的套管、終端、絕緣子表面放電不敏感；易受外界電磁干擾的影響；能夠精確定位，但分辨率受檢測設備精度限制；傳播過程衰減較小等。同時因國產開關柜密封不是很好，其暫態地電壓檢測法（TEV）不是太靈敏，很多時候難于檢測處局放信號。

超聲波檢測法(AE)屬于聲音測量法具以下特點：對介質類型比較敏感，適合檢測空氣介質放電；比較適合檢測套管、終端、絕緣子表面放電；易受現場機械振動的干擾；定位精度對設備精度要求較低但受內部反射折射等現象影響傳播過程衰減大等。

3 案例分析

3.1 案例1

對某110kV 變電站35kV Ⅰ母電壓互感器開關柜局部放電檢測，發現該開關柜后下柜門處暫態地電壓檢測正常、超聲波檢測異常，特高頻信號異常，存在局放現象。其暫態地電壓檢測數據為：背景6dB、前柜中8dB、前柜下8dB、后柜上9dB、后柜中7dB、后柜下8dB。數據顯示該開關柜暫態地電壓檢測無異常，圖3顯示超聲 波檢測AE 幅值圖最大值20dB，50Hz頻率成分大于100Hz 頻率成分，符合電暈放電現象。圖4顯示特高頻信號幅值有大有小，放電點的數量非常密集，相位分布較寬，幅值較大，Max=65dB，每個周期一簇，脈沖數非常密集，相位分布寬，符合電暈放電現象。綜合判斷該開關柜存在電暈放電。隨后將該開關柜停電檢查，發現柜后門處的電壓互感器和避雷器表面積灰嚴重，將其清掃投入運行后再次進行局部放電檢測，三種方式下的數據均無異常。

圖3 超聲波檢測數據

圖4 特高頻檢測

3.2 案例2

對某110kV 變電站10kV 某開關柜局部放電檢測，發現該開關柜柜前中柜門處暫態地電壓檢測正常、超聲波檢測異常，特高頻信號異常，存在局放現象。其暫態地電壓檢測數據為：背景7dB、前柜中8dB、前柜下8dB、后柜上10dB、后柜中8dB、后柜下9dB。數據顯示該開關柜暫態地電壓檢測無異常，圖5顯示超聲波檢測AE 幅值圖最大值20dB，100Hz 頻率成分大于50Hz 頻率成分，符合懸浮放電現象。圖6顯示特高頻信號具有工頻相關性，每周期出現兩簇信號。幅值較大，柱狀圖走勢呈內八字，相位分布較窄，打點位置大部分在上方。初步判斷存在懸浮放電。綜合判斷該開關柜存在懸浮放電。隨后將該開關柜停電檢查，發現斷路器A 相動觸頭處有放電痕跡，進一步檢查發現該動觸頭接觸不良，造成帶電運行時存在懸浮放電。

圖5 超聲波檢測數據

圖6 特高頻檢測

綜上，對于國產的開關柜進行局放檢測，暫態地電壓檢測往往都難以測出真實結果，測量準確性較差且無法判斷放電類型。而特高頻及超聲波檢測法，除特殊情況（特高頻對沿面放電不靈敏、超聲波對絕緣內部氣隙放電不靈敏）外與地電波法相比，都能夠較為精確的測量出設備局放問題，且可初步判斷放電類型和大致位置。單一的運用某種檢測方法存在著一定局限性，并不能全面、客觀、真實的反映被檢設備的運行狀況，有時甚至出現誤判斷。唯有綜合運用不同的檢測方法，聲－電聯合測試是局部放電檢測的最佳選擇，通過專業分析才能做到對設備運行狀況最客觀的評估，從而做出合理的決策。