高壓開關(guān)柜局部放電故障診斷分析方法

(晉城供電公司，晉城 048000)

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，用電負(fù)荷的不斷增長，高壓開關(guān)柜被大量應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，是用戶供電的核心設(shè)備[1-2]。然而，開關(guān)柜在長期運(yùn)行時(shí)，受環(huán)境、強(qiáng)電場、熱化學(xué)效應(yīng)等影響[3-4]，柜內(nèi)設(shè)備絕緣處不斷劣化，產(chǎn)生了局部放電現(xiàn)象。局部放電會(huì)進(jìn)一步加快絕緣劣化速度，形成惡性循環(huán)，最后產(chǎn)生絕緣擊穿現(xiàn)象，甚至引發(fā)開關(guān)柜爆炸，造成近區(qū)短路事故，降低了供電的可靠性，提高了運(yùn)維成本。

自開展?fàn)顟B(tài)檢修工作以來，開關(guān)柜檢修工作量大幅減少，設(shè)備可靠性明顯提高[5]。但是以周期性停電例行試驗(yàn)為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢修工作存在停電壓力大、例行試驗(yàn)無法及時(shí)反映設(shè)備狀態(tài)的變化趨勢、缺陷檢出率低等不足。隨著不停電檢測技術(shù)的發(fā)展和開關(guān)柜制造水平的成熟，國網(wǎng)公司于2016年開展了基于不停電檢測的開關(guān)柜狀態(tài)檢修工作，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)柜狀態(tài)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，大大提高了開關(guān)柜狀態(tài)檢修工作的有效性。

1 高壓開關(guān)柜局部放電檢測應(yīng)用情況

目前，帶電檢測技術(shù)在開關(guān)柜狀態(tài)檢修中的應(yīng)用已非常廣泛，隨著檢測人員技術(shù)水平的大幅提高，形成了一套可操作性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)完善的應(yīng)用體系。不少單位成功開展了暫態(tài)地電壓、超聲波、特高頻、紅外測溫、紫外成像等帶電檢測項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)了開關(guān)柜的誤動(dòng)、絕緣故障、載流故障、異物入侵等[6-7]。

經(jīng)過近兩年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)絕緣與載流故障約占開關(guān)柜缺陷中的70%，其中絕緣缺陷約占絕緣與載流故障中的80%。開關(guān)柜絕緣缺陷引起的局部放電類型主要有沿面放電、尖端放電、懸浮放電、內(nèi)部放電等，其中沿面放電占比最高，約為70%，其他局部放電類型占比依次遞減。局部放電故障主要發(fā)生在35 kV的開關(guān)柜上，在局部放電故障的所有開關(guān)柜中約占75%，局部放電故障發(fā)生在不大于10 kV開關(guān)柜上的比例僅為25%。開關(guān)柜內(nèi)部設(shè)備局部放電分布比例及成因如表1所示，由表1可以看出，穿柜套管、穿墻套管局部放電的占比最高，約為34%。

表1 開關(guān)柜內(nèi)部設(shè)備局部放電分布比例及成因

2 高壓開關(guān)柜局部放電診斷分析方法

2.1 干擾的排除

開關(guān)柜局部放電檢測易受各種干擾，其干擾源主要有4種：① 室外設(shè)備干擾信號(hào)，主要為室外馬達(dá)、變電站場地設(shè)備或桿塔電暈信號(hào)、主變機(jī)械振動(dòng)干擾等;② 室內(nèi)輔助設(shè)備干擾信號(hào)，主要為驅(qū)鼠器、照明閃爍、風(fēng)機(jī)干擾等;③ 人員干擾，主要為人員手機(jī)信號(hào)、身體靜電干擾等;④ 高壓開關(guān)柜干擾信號(hào)，主要為柜體共振、多個(gè)局部放電故障互相干擾、超聲局部放電故障對(duì)附近柜體超聲波反射信號(hào)的干擾等。

排除干擾首先要關(guān)閉室內(nèi)外輔助設(shè)備，進(jìn)行背景檢測，通過暫態(tài)地電壓(TEV),超聲,特高頻信號(hào)方向、強(qiáng)度、幅值的變化趨勢，辨別聲音特征等來確定信號(hào)來源，必要時(shí)可采用具有定位功能的檢測儀器進(jìn)行精確定位。

2.2 局部放電的檢測定位

2.2.1 局部放電檢測

局部放電檢測時(shí)應(yīng)記錄背景值、環(huán)境溫度和濕度、開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)記錄負(fù)荷，便于后期分析比對(duì)。TEV檢測位置應(yīng)固定，便于跟蹤對(duì)比。超聲檢測采用超聲探頭從柜體縫隙、觀察窗等處進(jìn)行檢測。特高頻信號(hào)應(yīng)從玻璃觀察窗等非金屬封閉處檢測。對(duì)于存在局部放電異常故障應(yīng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，依據(jù)局部放電的嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢安排跟蹤周期。

2.2.2 局部放電定性

開關(guān)柜局部放電類型主要有沿面放電、尖端放電、懸浮放電、內(nèi)部放電等，各種放電的信號(hào)特征、產(chǎn)生機(jī)理和放電位置不同。沿面放電超聲信號(hào)明顯，放電位置集中于設(shè)備表面，主要為表面臟污受潮引起絕緣下降；尖端放電超聲信號(hào)明顯，多伴隨有TEV(暫態(tài)地電壓)信號(hào)和特高頻信號(hào)，特高頻脈沖序列相位分布(PRPS)圖譜極性效應(yīng)明顯，放電幅值較小且分散，主要為導(dǎo)電體表面毛刺棱角引起；懸浮放電特高頻信號(hào)明顯，多伴隨有TEV信號(hào)，PRPS圖譜相位常具有一定對(duì)稱性，放電幅值較大且較為穩(wěn)定，主要由器件松動(dòng)或異物引起；內(nèi)部放電TEV信號(hào)明顯，多伴隨有特高頻信號(hào)，PRPS圖譜放電幅值較分散，且放電次數(shù)少，由于放電位置為設(shè)備內(nèi)部，超聲信號(hào)衰減較大，超聲檢測不靈敏。

2.2.3 局放定位

利用暫態(tài)地電壓,超聲波,特高頻信號(hào)方向性、幅值變化趨勢、圖譜特征、聲音特征、開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)變化等進(jìn)行初步定性定位，判斷局部放電設(shè)備及相序，并通過觀察窗查看相應(yīng)部位及周邊外觀有無異常，必要時(shí)可增加紅外測溫、紫外成像等檢測手段，對(duì)局部放電缺陷進(jìn)行定位和類型定性。

有條件時(shí)可采用局部放電定位儀進(jìn)行精確定位，主要有2種方法：① TEV定位法,運(yùn)用2只TEV傳感器檢測，通過時(shí)間差法和幅值來精確定位，信號(hào)先到達(dá)的傳感器先被觸發(fā)，表明該傳感器離放電點(diǎn)的電氣距離較近，且TEV幅值較大。② 特高頻定位法，運(yùn)用2只特高頻傳感器檢測，采用時(shí)差法，當(dāng)2個(gè)傳感器同時(shí)觸發(fā)時(shí)，放電點(diǎn)在垂直于兩個(gè)檢測點(diǎn)的平面上，實(shí)現(xiàn)精確定位。

2.3 停電檢查驗(yàn)證

停電檢查局部放電缺陷時(shí)，首先檢查設(shè)備外觀是否良好，有無異物，接線是否松動(dòng)等，采用工頻交流耐壓試驗(yàn)和開關(guān)柜局部放電檢測相結(jié)合的診斷方法，配以紫外成像和紅外測溫等手段，每相升壓到運(yùn)行電壓，分析信號(hào)變化趨勢，定位某一相后，對(duì)該相設(shè)備進(jìn)行分步拆分試驗(yàn)，最終確定缺陷設(shè)備，配以常規(guī)試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)，事實(shí)證明該方法對(duì)局放定位、分析判斷簡單有效。有條件時(shí)應(yīng)對(duì)缺陷設(shè)備進(jìn)行解體檢查，診斷故障的根本原因，對(duì)初步診斷結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證反饋。

采用閾值分析、趨勢分析、橫向分析、圖譜分析等方法，結(jié)合放電類型和放電位置，判斷局放缺陷嚴(yán)重程度及變化趨勢，并依據(jù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)制定科學(xué)合理的應(yīng)對(duì)措施。

2.4 缺陷歸類分析

對(duì)于高壓開關(guān)柜局部放電缺陷，應(yīng)按照形成原因、設(shè)備種類、缺陷類型等進(jìn)行歸納整理、比對(duì)分析、總結(jié)規(guī)律，查找潛在缺陷。例如：無屏蔽的穿芯套管在臟污受潮情況下易發(fā)生表面放電，且超聲信號(hào)與季節(jié)關(guān)聯(lián)大，應(yīng)進(jìn)行整體更換。35 kV開關(guān)柜尺寸設(shè)計(jì)較小，通過加裝絕緣隔板來彌補(bǔ)設(shè)備間距的不足，減小受臟污、受潮及孔距小等影響，35 kV開關(guān)柜在長期運(yùn)行后更易發(fā)生表面放電，應(yīng)加強(qiáng)絕緣隔板的設(shè)計(jì)制造、安裝維護(hù)等管控措施。

2.5 小結(jié)

局部放電形成原因多種多樣，且環(huán)境狀態(tài)復(fù)雜，常伴隨有干擾，檢測理論與實(shí)際存在一定偏差，應(yīng)對(duì)案例進(jìn)行總結(jié)提煉，形成典型經(jīng)驗(yàn)，以指導(dǎo)后續(xù)工作。

表面放電是開關(guān)柜最常見的放電類型，其根本原因是配電室溫度、濕度控制措施不夠完善，部分設(shè)備維護(hù)不到位，開關(guān)柜內(nèi)濕度長期較大，甚至產(chǎn)生凝露現(xiàn)象。故應(yīng)重視配電室溫度、濕度控制工作，必要時(shí)增加除濕裝置，采用加熱器貼柜壁安裝方式，35 kV斷路器艙室宜加裝加熱器，開關(guān)柜不宜采用全密封結(jié)構(gòu)。

對(duì)于設(shè)備內(nèi)部放電，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將一次設(shè)備外殼、工作接地(指變壓器中性點(diǎn)、避雷器尾端接地等)與參考柜體連接，模擬設(shè)備在開關(guān)柜內(nèi)的真實(shí)運(yùn)行情況。部分設(shè)備內(nèi)部放電存在局部放電檢測信號(hào)異常的現(xiàn)象，但停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常，這是因?yàn)樵O(shè)備絕緣存在一定問題，但停電試驗(yàn)手段無法有針對(duì)性地有效檢出。

高壓開關(guān)柜帶電檢測較傳統(tǒng)試驗(yàn)靈敏度高，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)試驗(yàn)無法檢出的潛在性缺陷，可以應(yīng)用到新設(shè)備的交接驗(yàn)收中，能有效排除設(shè)計(jì)、制造、安裝工藝中的漏洞，大大提高新投設(shè)備的品質(zhì)。

3 高壓開關(guān)柜局部放電檢測應(yīng)用案例

3.1 故障簡介

2017年3月9日，某220 kV變電站35 kV 2號(hào)站變372開關(guān)柜后柜暫態(tài)地電壓測試數(shù)據(jù)與其他柜相比整體嚴(yán)重偏大，最大相對(duì)幅值為49 dB，遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)值20 dB，無超聲信號(hào)，特高頻信號(hào)幅值為66 dB，懸浮放電位置為后下柜左側(cè)設(shè)備，經(jīng)停電檢查為A相避雷器內(nèi)部閥片松動(dòng)引起的放電，并對(duì)其進(jìn)行了更換處理。

3.2 故障檢測

3.2.1 背景檢測

背景檢測(指檢測開關(guān)柜運(yùn)行環(huán)境有無干擾信號(hào))時(shí)，室內(nèi)除濕機(jī)、風(fēng)機(jī)、照明、驅(qū)鼠器全部關(guān)閉，配電室西側(cè)為1號(hào)主變、2號(hào)主變，北側(cè)為主控室，東側(cè)為圍墻，南側(cè)為電容器組。背景檢測數(shù)據(jù)見表2(環(huán)境溫度為10℃；相對(duì)濕度為55%)，由表2可以看出，室內(nèi)、外干擾較小，可以真實(shí)反映開關(guān)柜內(nèi)的局部放電情況。

表2 背景檢測幅值 dB

3.2.2 檢測跟蹤

2017年3月9日，開關(guān)柜局部放電檢測數(shù)據(jù)如表3所示，由表3可以看出，2號(hào)站變372開關(guān)柜TEV數(shù)據(jù)異常，后柜下部最大相對(duì)幅值49 dB，大于20 dB，且伴有懸浮放電特征的特高頻信號(hào)，特高頻PRPS圖譜如圖1所示，初步判斷后柜下部設(shè)備存在內(nèi)部局部放電。2017年3月11日，開關(guān)柜局放跟蹤檢測數(shù)據(jù)與9日相近，無明顯變化。

表3 開關(guān)柜局部放電測試數(shù)據(jù) dB

圖1 372開關(guān)柜特高頻圖譜

3.3 診斷分析

3.3.1 TEV分析

閾值分析：后柜下部(左側(cè)A相附近)最大相對(duì)值為49 dB，大于20 dB。開關(guān)柜TEV橫向數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示，2號(hào)站變372開關(guān)柜TEV數(shù)據(jù)異常，相鄰柜體TEV數(shù)據(jù)遞減(橫向分析)；2016年10月背景檢測11 dB，2號(hào)站變372開關(guān)柜后柜下部測試值為18 dB，結(jié)果正常，2016年之前檢測數(shù)據(jù)變化不大(趨勢分析)。2號(hào)站變372開關(guān)柜TEV檢測數(shù)據(jù)異常，與歷年數(shù)據(jù)相比有明顯增長。

圖2 開關(guān)柜TEV橫向數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3.2 特高頻分析

閾值分析：2號(hào)站變372開關(guān)柜內(nèi)部特高頻信

號(hào)為66 dB，背景檢測0 dB，相鄰柜體也有相同特征特高頻信號(hào)，但幅值較低，并逐步衰減。從圖2可以看出，特高頻信號(hào)為兩簇，幅值較大，且基本等高，具有懸浮放電特征。

3.3.3 綜合分析

結(jié)合TEV、超聲波、特高頻檢測情況，初步判定其為嚴(yán)重缺陷，放電位置在柜體后下左側(cè)A相設(shè)備處，放電類型為懸浮放電，但不排除設(shè)備內(nèi)部放電。

3.4 停電處理

由于2號(hào)站變372開關(guān)柜局部放電缺陷較為嚴(yán)重，存在內(nèi)部放電的可能，且站變?cè)O(shè)備相對(duì)易于停電，故于2017年3月11日停電處理。

2號(hào)站變372開關(guān)柜后柜內(nèi)部設(shè)備有電流互感器、避雷器、電壓傳感器瓶，與相鄰2號(hào)站變柜經(jīng)穿芯套管連接，2號(hào)站變柜內(nèi)部設(shè)備有干式站變、電壓傳感器瓶、支柱瓶。定位過程如下所述。

(1) 2號(hào)站變柜內(nèi)設(shè)備外觀檢查良好，對(duì)每相設(shè)備整體進(jìn)行升壓，模擬運(yùn)行情況，并實(shí)時(shí)檢測TEV、超聲波信號(hào)、特高頻信號(hào)，檢測數(shù)據(jù)如表4所示，檢測結(jié)果為2號(hào)站變柜內(nèi)無局部放電信號(hào)。

(2) 2號(hào)站變372開關(guān)柜內(nèi)避雷器外觀檢查良好，將避雷器引線打開，對(duì)每相進(jìn)行升壓，模擬運(yùn)行情況，檢測數(shù)據(jù)如表5所示，檢測結(jié)果為A相避雷器局部放電異常，與停電前局部放電信號(hào)極其相似。

(3) 2號(hào)站變372開關(guān)柜內(nèi)電流互感器、電壓傳感器瓶、柜間穿芯套管外觀檢查良好，對(duì)其進(jìn)行升壓，模擬運(yùn)行情況，檢測結(jié)果如表6所示，檢測結(jié)果為2號(hào)站變372開關(guān)柜內(nèi)電流互感器、電壓傳感器瓶、柜間穿芯套管無異常放電。

表4 2號(hào)站變柜局部放電測試數(shù)據(jù)

表5 2號(hào)站變372開關(guān)柜內(nèi)避雷器局部放電測試數(shù)據(jù)

表6 2號(hào)站變372開關(guān)柜內(nèi)其他設(shè)備局部放電測試數(shù)據(jù)

3.5 解體驗(yàn)證

由于三相避雷器運(yùn)行時(shí)間較長，且A相避雷器局部放電超標(biāo)，故對(duì)三相避雷器進(jìn)行了整體更換，避雷器例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示(U1 mA指電流達(dá)到1 mA時(shí)的直流電壓)，A相舊避雷器直流泄漏電流超標(biāo)。新避雷器在升壓模擬運(yùn)行情況下局部放電檢測正常。

表7 避雷器例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

檢查發(fā)現(xiàn)A相舊避雷器內(nèi)部閥片松動(dòng)嚴(yán)重，在平放狀態(tài)下運(yùn)用X射線數(shù)字成像檢測，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部閥片間有一明顯間隙，與正常B相顯著不同，A,B相避雷器X射線數(shù)字圖像分別如圖3,4所示。

圖3 A相避雷器X射線數(shù)字圖像

解體后將避雷器倒置，發(fā)現(xiàn)底部有明顯間隙，避雷器內(nèi)部共有兩種型號(hào)的18個(gè)閥片，每種閥片各有8個(gè)和10個(gè)，厚度不同，且一種閥片有絕緣橡膠包裹，頂部彈簧和部分閥片有明顯放電痕跡，但無進(jìn)水受潮跡象，解體情況如圖5～7所示。

根據(jù)解體情況可以看出，35 kV 2號(hào)站變372開關(guān)柜局部放電是內(nèi)部放電，所以無超聲信號(hào)，局部放電是由A相避雷器內(nèi)部閥片松動(dòng)引起的。避雷器閥片松動(dòng)原因主要為彈簧老化而彈力不足，閥片混裝導(dǎo)致內(nèi)部設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際尺寸產(chǎn)生誤差。

圖4 B相避雷器X射線數(shù)字圖像

圖5 底部縫隙外觀

圖6 閥片混裝外觀

圖7 閥片放電痕跡外觀

4 結(jié)語

局部放電已成為危及開關(guān)柜安全穩(wěn)定運(yùn)行的首要隱患，傳統(tǒng)檢修模式已無法有效檢出?；诔暡?、暫態(tài)地電壓、特高頻的帶電檢測技術(shù)可以對(duì)開關(guān)柜狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不僅操作簡單，而且應(yīng)用方便。結(jié)合升壓模擬運(yùn)行檢測方法，能實(shí)現(xiàn)局部放電缺陷的精確定位和定性，顯著提升了狀態(tài)檢修工作的有效性和針對(duì)性。