35 kV開關(guān)柜母線異常放電分析

梁 雯，宋方超，張春旭，金愛民

（國網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的需求，電力系統(tǒng)逐漸向大容量、特高壓方向發(fā)展，這對(duì)電網(wǎng)安全和設(shè)備運(yùn)維質(zhì)量提出了更大挑戰(zhàn)。因此，掌握電力設(shè)備帶電檢測技術(shù)手段、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)管控、保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行是供電企業(yè)現(xiàn)階段面臨的重要課題［1］。

經(jīng)過多年的探索實(shí)踐和發(fā)展，電力設(shè)備帶電檢測逐漸成為發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患的重要手段，國內(nèi)外已形成相對(duì)成熟的帶電檢測技術(shù)，如局部放電檢測、紅外熱像檢測、避雷器阻性電流檢測等［2-6］。國內(nèi)學(xué)者針對(duì)帶電檢測技術(shù)進(jìn)行研究，成功通過紅外熱像檢測發(fā)現(xiàn)設(shè)備過熱，利用暫態(tài)地電壓檢測出開關(guān)柜內(nèi)部放電現(xiàn)象，以及通過超聲波和特高頻檢測發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備內(nèi)部放電缺陷［7-13］。這些都有效證明了帶電檢測對(duì)超前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患具有重要意義。

對(duì)某220 kV變電站35 kV高壓室內(nèi)開關(guān)柜進(jìn)行帶電檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)異常放電聲音，通過暫態(tài)地電壓、超聲波和特高頻檢測3種方法，綜合判斷35 kV 6號(hào)電容器327柜母線室存在較嚴(yán)重的懸浮放電和一定程度的沿面放電，對(duì)放電源進(jìn)行準(zhǔn)確定位。最后結(jié)合停電工作對(duì)該開關(guān)柜進(jìn)行解體，驗(yàn)證了柜內(nèi)確實(shí)存在懸浮放電和沿面放電，并對(duì)缺陷部位進(jìn)行處理，成功消除該項(xiàng)缺陷。

1 缺陷檢測與分析

帶電檢測人員于2017－11－26對(duì)某220 kV變電站35 kV開關(guān)柜進(jìn)行帶電檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)35 kV高壓室內(nèi)某開關(guān)柜存在輕微的異常放電聲音，現(xiàn)場檢查開關(guān)柜外觀無放電痕跡。檢測人員立即用T90四合一局部放電檢測儀，采用暫態(tài)地電壓、特高頻和超聲波3種檢測方法對(duì)該35 kV高壓室內(nèi)開關(guān)柜進(jìn)行異常放電檢測。

1.1 暫態(tài)地電壓檢測

當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，放電信號(hào)會(huì)向外傳播，通過縫隙傳出開關(guān)柜，并在柜體表面形成脈沖電流，可以通過專用測試儀的傳感器耦合此脈沖電流，測量其暫態(tài)地電壓，以此判斷信號(hào)的大小。利用暫態(tài)地電壓檢測到的數(shù)據(jù)如表1所示，檢測背景幅值40 dB。

表1 暫態(tài)地電壓檢測數(shù)據(jù) dB

從表1可知，暫態(tài)地電壓檢測背景幅值較大，經(jīng)分析為內(nèi)部放電強(qiáng)度較大，信號(hào)傳播至外部空間與原背景值疊加所得。因此，雖然檢測最大值與背景值的差值為18 dB，但實(shí)際信號(hào)最大值與背景值的差值高于18 dB。從分布來看，主要集中于柜體后中、后上部，覆蓋間隔較多，且幅值差別不大。

1.2 特高頻局部放電檢測

設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的放電電流脈沖具有上升前沿陡、持續(xù)時(shí)間短、能夠激發(fā)頻率達(dá)100 MHz以上的電磁波的特點(diǎn)。電磁波從放電點(diǎn)向外輻射，可以通過傳感器耦合局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部局部放電信號(hào)的檢測，通過對(duì)比典型放電圖譜，判斷放電類型。檢測人員利用特高頻檢測到的數(shù)據(jù)如表2所示，圖譜如圖1～3所示。其中，圖1～3中左側(cè)為局部放電相位分布圖譜（PRPD），右側(cè)為脈沖序列相位分布圖譜（PRPS）。

表2 特高頻檢測數(shù)據(jù)

圖1 低通檢測圖譜

圖2 高通檢測圖譜

圖3 特高頻背景圖

從表2及圖1～3可知，特高頻檢測背景同樣很大，靠近設(shè)備區(qū)域的空間背景在低增益下可達(dá)58 dB。靠近檢測窗口時(shí)，低增益高通下幅值為59 dB，四面柜體幅值差別不大，但放電重復(fù)率以6號(hào)電容器327柜相對(duì)較高，圖譜特征具有較明顯的懸浮放電特征，即放電信號(hào)在工頻相位正、負(fù)半周均會(huì)出現(xiàn)，且具有一定的對(duì)稱性，幅值大，相鄰放電信號(hào)時(shí)間間隔基本一致。在低通下，幅值54 dB，放電重復(fù)率降低，圖譜特征轉(zhuǎn)為類沿面、空穴放電特征，即放電幅值較分散，放電次數(shù)少，間隔不穩(wěn)定。據(jù)此推斷內(nèi)部放電類型不唯一。

1.3 超聲波局部放電檢測

設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，也會(huì)伴隨產(chǎn)生超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)向外擴(kuò)散，可以通過超聲波傳感器檢測到，進(jìn)而判斷設(shè)備內(nèi)部局部放電情況。檢測人員利用超聲波（AE）檢測到的信號(hào)數(shù)據(jù)如表3所示，圖譜如圖4、圖5所示。

表3 超聲波檢測數(shù)據(jù) dB

圖4 超聲波檢測背景

圖5 327柜頂部縫隙超聲檢測

從表3及圖4、圖5可知，檢測空氣背景峰值為-6 dB。開關(guān)柜中、下部檢測基本無異常，但在柜體頂部縫隙檢測時(shí)，可見異常。6號(hào)電容器327柜頂部縫隙峰值達(dá)23.3 dB，且伴有明顯的50 Hz、100 Hz相關(guān)性，且100 Hz相關(guān)性大于50 Hz相關(guān)性，符合懸浮及沿面放電特征。相鄰間隔頂部亦可見一定程度的超聲波幅值異常。

通過以上3種檢測方法的綜合分析，初步判斷35 kV 6號(hào)電容器327柜母線室存在較嚴(yán)重的懸浮放電和一定程度的沿面放電。

2 放電源定位

由于檢測到的放電信號(hào)較強(qiáng)，無法通過特高頻和暫態(tài)地電壓的幅值法準(zhǔn)確判斷放電源位置，因此只能通過超聲波檢測到的幅值初步判斷放電源位于柜體中上區(qū)域，靠近6號(hào)電容器327柜、5號(hào)電容器326柜區(qū)域。

為了準(zhǔn)確判定放電源，利用特高頻局部放電檢測定位儀和高速數(shù)字示波器對(duì)所測信號(hào)進(jìn)行采集、定位。

圖6 定位示意

圖7 基于時(shí)差定位的放電源位置

圖8 放電源的放電主頻率

首先，將兩個(gè)特高頻傳感器分別放置于6號(hào)電容器327柜和5號(hào)電容器326柜前面上部的可視窗上接收放電信號(hào)，如圖6所示；然后通過示波器得到兩個(gè)傳感器接收到的波形，如圖7所示。此時(shí)，檢測人員可以通過時(shí)差定位法準(zhǔn)確計(jì)算放電源位置，還可以通過調(diào)節(jié)示波器波形，得到放電源的放電主頻率，如圖8所示。

時(shí)差定位法的原理如圖9所示。

圖9 時(shí)差定位法

其計(jì)算公式如式為

式中：x為放電源距離左側(cè)傳感器的位置，m；L為兩個(gè)傳感器之間的距離，m；c為電磁波傳播速度，3×108m／s；Δt為兩個(gè)傳感器檢測到的時(shí)域信號(hào)泊頭之間的時(shí)差，s。

經(jīng)計(jì)算，放電源位于距離327柜測點(diǎn)約0.1 m處，放電主頻率375 MHz。

檢測人員建議結(jié)合停電工作，重點(diǎn)對(duì)35 kV 6號(hào)電容器327柜進(jìn)行整體檢查、異物清理和除濕。處理前應(yīng)縮短檢測周期，跟蹤監(jiān)測異常信號(hào)發(fā)展趨勢。

3 缺陷處理

檢修人員對(duì)35 kV高壓室5號(hào)母線進(jìn)行停電檢修。檢修人員首先打開母線蓋板，對(duì)現(xiàn)場6號(hào)電容器327母線室進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)B相母線在穿板套管處存在較多灰塵，且套管內(nèi)壁處的母線排存在發(fā)黑變色現(xiàn)象（其余兩相均正常），如圖10所示，圖中紅圈部位為變色部位。

圖10 母線排存在發(fā)黑變色現(xiàn)象

由于母線室空間有限，不好觀測，檢修人員將327柜與326柜的B相連接母線排和穿板套管拆除，如圖11所示。

圖11 拆解下來的母線排與穿板套管

拆除后，檢修人員發(fā)現(xiàn)主要放電點(diǎn)為均壓彈簧片與穿板套管連接處，均壓彈簧片與內(nèi)壁金屬層放電，損壞情況較為嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致母線排和套管內(nèi)壁產(chǎn)生沿面放電。圖12為均壓彈簧片燒毀情況，圖13為穿板套管內(nèi)壁放電情況，圖14中紅圈部位為穿板套管內(nèi)壁放電點(diǎn)。

圖12 均壓彈簧片燒毀

圖13 穿板套管內(nèi)壁情況

圖14 穿板套管內(nèi)壁放電點(diǎn)

通過現(xiàn)場檢查，分析放電主要原因：1）均壓彈簧片在長期使用后彈性減弱且發(fā)生了一定程度的變形，導(dǎo)致正常情況下無法與內(nèi)壁金屬層良好接觸，使彈片與內(nèi)壁金屬層產(chǎn)生了較大的電位差，進(jìn)而導(dǎo)致均壓彈簧片對(duì)內(nèi)壁放電；2）B相母線在穿板套管處存在較多灰塵，灰塵的附著使母線排和穿板套管產(chǎn)生一定程度的沿面放電。

檢修人員對(duì)母線排及穿板套管進(jìn)行處理：1）使用酒精對(duì)母線排及穿板套管進(jìn)行擦拭，除去上面的灰塵及放電附著物，處理完成后分別對(duì)母線排和穿板套管進(jìn)行絕緣電阻測試，測試結(jié)果符合要求；2）更換均壓彈簧，清除彈簧片周圍雜物，多次試驗(yàn)驗(yàn)證彈簧片與內(nèi)壁接觸良好；3）將穿板套管旋轉(zhuǎn)180°，使均壓彈簧片不與原來放電處連接，轉(zhuǎn)而連接無損壞的另一側(cè)。

全部處理完成后，將母線排及套管復(fù)位，對(duì)整條母線進(jìn)行耐壓試驗(yàn)并用超聲波檢測儀檢測是否還存在放電情況。檢測結(jié)果表明，母線通過了耐壓試驗(yàn)并且現(xiàn)場無明顯放電現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過一起35 kV開關(guān)柜內(nèi)部母線異常放電缺陷的發(fā)現(xiàn)與分析，驗(yàn)證了帶電檢測技術(shù)在提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷排查設(shè)備隱患方面具有不可或缺的作用。通過3種局部放電檢測方法的對(duì)比，得到超聲波局部放電檢測法對(duì)開關(guān)柜類設(shè)備內(nèi)部異常放電測試較為靈敏，特高頻局部放電檢測法更合適用于放電點(diǎn)定位的結(jié)論。

解體檢修后，發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)部母線異常放電的主要原因是均壓彈簧片與穿板套管內(nèi)壁金屬層接觸不良。如果均壓彈簧片的材質(zhì)不佳或安裝不到位，就會(huì)在長期運(yùn)行中引起彈簧片與穿板套管內(nèi)壁的接觸不良，從而產(chǎn)生局部放電。

山東省內(nèi)已發(fā)生多起該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的等電位連接部位放電缺陷，因此，建議廠家改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用螺栓固定等可靠連接方式，避免類似缺陷發(fā)生。同時(shí)，對(duì)此類結(jié)構(gòu)開關(guān)柜，應(yīng)加強(qiáng)巡視力度，制定詳細(xì)的帶電檢測計(jì)劃并執(zhí)行，以便提前發(fā)現(xiàn)問題，防患于未然，進(jìn)一步確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。