高壓開關柜絕緣性能檢測與故障診斷技術研究

何肖軍，徐志斌

（紅相電力（上海）有限公司，上海 200051）

對高壓開關柜進行絕緣性能檢測與故障診斷，是實現設備狀態檢修的前提，保證設備安全可靠運行的關鍵。電力設備的多數故障是絕緣性故障，電應力作用引起絕緣劣化，導致絕緣故障，在機械力、熱和電場的共同作用下，最終也會發展為絕緣性故障。據統計，由于開關柜絕緣劣化引起事故的臺次占開關總事故臺次的68%和事故總容量的74%。

為克服預防性檢修體系的局限性，減少停電并降低維修費用，可應用高壓開關柜絕緣性能檢測與故障診斷技術，對運行中的高壓開關柜的絕緣狀況進行連續的狀態檢測，隨時獲得能反映絕緣狀況變化的信息。在進行分析處理后，對設備的絕緣狀況做出診斷，并根據診斷的結論安排必要的檢修。

1 基于超聲波和TEV的局部放電檢測技術

開關柜絕緣性能的劣化會導致局部放電的產生，局部放電是指發生在電極之間但并未貫穿電極的放電，這些微弱的放電產生累積效應會使絕緣的介電性能逐漸劣化、缺陷擴大，最后導致整體絕緣擊穿。局部放電分為內部、表面和電暈放電，并主要以電磁、聲波和氣體形式釋放能量，這些是絕緣性能檢測的主要信號。

1.1 超聲波檢測

局部放電是一種快速的電荷釋放或遷移過程，當發生局部放電時，放電點周圍的電場應力、機械應力與粒子力失去平衡狀態而產生振蕩變化，機械應力與粒子力的快速振蕩，導致放電點周圍介質的振動，從而產生聲波信號。放電產生的聲波頻譜很寬，可以從幾十赫到幾兆赫，放電強度的大小決定了電場應力、機械應力和粒子力的振蕩幅度，直接決定了振動的程度和聲波的相度。

聲能與放電釋放的能量成比例，雖然在實際中各種因素的影響會使這個比例不確定，但從統計角度看，二者之間的比例關系是確定的。

從局部放電的機理可知，局部放電初期是微弱的輝光放電，釋放的能量很小，后期出現強烈的電弧放電，此時釋放的能量很大，局部放電的發展過程中釋放的能量是從小到大變化的，所以聲能也從小到大變化。

根據球面波的聲能量式可知，在不考慮空氣密度和聲速的變化時，聲能量與聲壓的平方成正比。根據放電釋放的能量與聲能之間的關系，用超聲波信號聲壓的變化代表局部放電所釋放能量的變化，通過測量超聲波信號的聲壓，就可以推測出放電的強弱。

1.2 TEV檢測

當高壓電氣設備發生局部放電時，放電電量先聚集在與放電點相鄰的接地金屬部分，形成電流脈沖并向各個方向傳播。

脈沖電流的透入深度與頻率的平方根成反比。高頻局放電流只在導體表面傳輸。對于內部放電，放電電量聚集在接地屏蔽內表面，因此如果屏蔽層是連續的，則無法在外部檢測到放電信號。但實際上，屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位因破損而導致不連續，高頻信號因此傳輸到設備外層而被檢測出來。

因放電產生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊傳播出去，同時產生一個暫態電壓，這個電壓脈沖稱為暫態對地電壓（Transient Earth Voltage， TEV）。

TEV的檢測原理見圖1，高壓電氣設備的對地絕緣部分發生局部放電時，導電系統對接地金屬殼之間有少量電容性放電電量，通常只有幾兆分之一庫侖，放電持續時間一般只有幾納秒。因為電量等于電流乘以時間，一次放電1 000 pC，持續10 ns，就產生100 mA的電流。對于持續時間那么短的放電脈沖，被測設備就不能看作是個整體，而應看作是傳輸線，其電氣特性由分布電容和電感決定。此時，可以將地看成一個金屬板，縫隙所處的位置看成另一個金屬板，縫隙與地之間的距離為傳輸線。

圖1 TEV檢測原理圖

當發生局部放電時，電磁波從放電點向外傳播，電流大小與這些電磁波產生的電壓有關。電壓等于電流與路徑阻抗的乘積。在不考慮損耗的傳輸線上，阻抗滿足下式：

式中的L和C 是傳輸線單位長度的自感和電容，Z0的數值變化很大。通過研究可知，單芯10 kV電纜約為10 Ω，35 kV金屬外殼的母線室大約70 Ω。因此，1 000 pC的放電可產生對地1～7 V持續10 ns的電壓。電壓脈沖在金屬殼的內表面傳播，最終從開口、接頭、蓋板等的縫隙處傳出，然后沿著金屬殼外表傳到大地。這樣，使用電容耦合式傳感器就可檢測到放電信號。

研究發現，局部放電產生的TEV信號的大小與局部放電的激烈程度及放電點的遠近有直接關系，可以利用專門的探測器進行檢測。通過檢測局部放電產生的TEV信號，不僅可以對運行中開關柜內設備局部放電狀況進行定量測試，而且可以通過同一放電源到不同探測器的時間差，對局部放電點進行定位。

2 開關柜絕緣性能檢測與故障診斷系統

這一系統的檢測技術在原理上是一種比較性的檢測技術。某個開關柜上的檢測結果應與其以前的檢測數據或其它同類型的開關柜所檢測的數據進行比較，如果檢測數據大于其它同型號開關柜或以前的結果，說明該開關柜存在放電活動，進而推斷故障的可能性。因此，需要有相當的設備運行經驗，才能根據技術檢測結果分析設備絕緣材料還能維持運行的時間。

記錄每次設備故障的詳細情況有助于分析判斷放電活動對設備的影響。系統組成見圖2。

圖2 系統組成框圖

整個系統可分成3個子系統：

（1）被檢測設備和傳感器，處于開關室現場。

（2）信號預處理和數據采集子系統，一般集成在主機中，也處于現場。

（3）數據處理和診斷系統，實際為1臺PC和數據存儲分析軟件，處于主控室。

3 檢測數值的動態判據

3.1 統計分析與趨勢分析

統計分析法是在同一開關室內開關柜局部放電檢測時，對相關條件下的TEV檢測數值和超聲波檢測數值進行分類統計，從而得出初步判斷依據?，F場影響局部放電測量結果的因素有很多，如工作電壓、放電種類、絕緣材料、負載、機械運動、環境條件、干擾、開關柜制造廠家及類型等，所有因素都可能造成檢測結果的誤判，在現場測試時必須加以考慮。

趨勢分析是對同一開關柜不同時間的測試結果進行分析，按月、季、年從統計分析中得出開關柜局部放電的趨勢。在分析過程中，還應分析影響局部放電的細微波動對TEV檢測數值和超聲波檢測數值的變化，主要分析內容有負載的變化、環境因素波動、干擾波動、時間變化等。

3.2 動態判斷依據

結合統計分析、趨勢分析和初步判斷依據，可以對開關柜局部放電進行動態的判斷分析，具體步驟如下：

（1）初始判據的判斷。對當地所有N面開關柜的故障情況進行統計，按照統計結果計算出故障率為a%。

（2）統計分析。對當地所有N面開關柜局部放電情況進行普測，取其中檢測數值最大的N×a%面開關柜，然后再取這N×a%面開關柜中數值最小的作為比較值A。

（3）趨勢分析。在一段時間間隔（一個月、一個季度或一年），再次對所有N面開關柜進行普測，取其中檢測數值最大的N×a%面開關柜，然后再取這N×a%面開關柜中數值最小的作為比較值B，將B與A進行比較。

（4）比較分析。對于B與A的比較，可分為以下幾種情況：

若B

若B>A，有以下幾種因素可以考慮：開關柜負荷可能有所增加；背景干擾嚴重程度進一步加重；溫度、濕度狀況進一步惡化；開關柜的污穢情況進一步惡化。

若B=A，主要是開關柜負荷、背景干擾、溫度、濕度狀況、開關柜的污穢情況大體相同，開關柜運行狀況比較平穩。

（5）確定判據值。最終根據開關柜常年運行的情況確定A或B值為判斷依據，由于開關柜周圍環境等因素對局部放電都有影響，因此，在確定判斷值時要考慮±2 dB的誤差。繼續按照步驟一到步驟五的順序進行判斷數據的確定，最后經過長時間的比較，建立起本地區開關柜檢測的數據庫，最終確定一個作為指導性的判斷數值。

綜上所述，動態判據診斷是一個長期的過程，需要根據實際情況進行縱向和橫向的對比分析，以做出正確的判斷。動態判據直觀圖如圖3所示。

圖3 動態判據圖

4 檢測診斷技術的實際應用

英國EA公司利用TEV及超聲波原理生產的便攜式局部放電聲電波檢測儀（Ultra TEV plus+）、局部放電定位儀 （PDL1），適用于變電站、電廠、配電網3～66 kV開關柜、環網柜、電纜分支箱、電纜終端箱、電纜中間箱等現場設備的局部放電現象在線測試，為狀態檢修提供科學的數據。

應用舉例1：檢修人員在220 kV某變電站檢測過程中，發現10 kV開關室八加線1016開關柜后面板上局部放電檢測值最大 （幅值達31 dB），PDL1定位后發現放電位置在該開關柜后面板左下側。

在設備停電狀況下核實該開關柜局部放電檢測缺陷，發現開關柜后面板左下側C相電纜頭螺絲松動（見圖4），產生局部放電。緊固螺絲后再次測試，幅值由31 dB降到10 dB以下。

圖4 電纜頭螺絲松動

應用舉例2：某開關室常規巡視時發現5號主變10 kV側1005開關柜有強烈振動，但很難判斷振動的具體位置及是否為放電引起。采用開關柜局部放電檢測定位技術，發現開關柜局部放電幅值達到了56 dB，放電點位于柜上方母排進線穿墻套管處，停電檢修后，發現母排固定螺栓將導電觸頭座頂住，導致接觸面積過小，造成放電（如圖5所示），故障屬于安裝不當引起。

圖5 母排固定螺栓過長

應用舉例3：某變電站開關室常規巡視時發現2號主變低壓502開關柜上有異常發熱現象，但很難判斷具體位置及原因。經檢測發現該開關柜分貝數達到了50 dB，定位后發現柜內母排處絕緣子開裂，如圖6所示。

應用舉例4：某變電站使用Ultra TEV Plus檢測過程中，發現青趙3563開關柜局部放電數值達到了63 dB，用PDL1定位后發現放電點位于青趙3563開關柜與青趙3563線路避雷器開關柜中間母排C相的位置，打開開關柜檢查發現，兩開關柜中間C相母排處均壓環有局部放電，如圖7所示。

圖6 母排絕緣開裂

圖7 故障與正常均壓環

5 結論

基于超聲波和TEV技術的高壓開關柜局部放電檢測定位技術，改變了電氣設備傳統的局部放電測試方式，為電力系統的電力設備狀態檢修提供了可靠的技術數據，是一種實用、有效的檢測技術。檢測裝置具有以下優點：

（1）裝置的投入使用不改變和影響電力設備的正常運行。

（2）能自動連續進行檢測、數據處理。

（3）具有自檢和報警功能。

（4）具有較好的抗干擾能力和合理的靈敏度。

（5）檢測結果有較好的可靠性和重復性，準確性較高。

（6）具有電氣設備故障的診斷功能，包括故障定位、故障程度判斷和絕緣壽命預測等。

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