開(kāi)關(guān)柜局放檢測(cè)技術(shù)在山西電網(wǎng)中的應(yīng)用

楊冬冬，馬麗強(qiáng)，郭俊龍

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.朔州市平魯區(qū)天潤(rùn)風(fēng)電有限公司，山西朔州 036800）

0 引言

開(kāi)關(guān)柜因其占地面積小，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于變電站10 kV、35 kV出線及城市配電網(wǎng)開(kāi)閉所中。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部集成了斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、互感器等一次、二次設(shè)備，內(nèi)部空間緊湊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其在長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于在強(qiáng)電場(chǎng)、熱效應(yīng)及化學(xué)物質(zhì)作用下，絕緣性能會(huì)不斷劣化降低，進(jìn)而產(chǎn)生過(guò)熱、局部放電（簡(jiǎn)稱(chēng)“局放”） 等現(xiàn)象。局放的累積效應(yīng)會(huì)加速絕緣的劣化程度，最終導(dǎo)致絕緣擊穿，發(fā)生短路故障，嚴(yán)重者發(fā)生近區(qū)短路，巨大的短路電流沖擊主變壓器造成其損壞［1－2］。

眾所周知，局放是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，會(huì)伴生電磁波、聲音、超聲波、氣體等現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)這些物理量的帶電或在線監(jiān)測(cè)能夠有效發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜潛伏性缺陷，及時(shí)消除缺陷，避免故障發(fā)生，保障電網(wǎng)安全。

近幾年，特高頻、超聲波、暫態(tài)地電壓等帶電檢測(cè)技術(shù)單一或聯(lián)合檢測(cè)得到了成功的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了大量的開(kāi)關(guān)柜放電缺陷［3－5］。檢測(cè)人員于2016年開(kāi)展了開(kāi)關(guān)柜專(zhuān)項(xiàng)帶電檢測(cè)工作，應(yīng)用上述3種帶電檢測(cè)技術(shù)，對(duì)山西省主網(wǎng)變電站10 kV、35 kV開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行了全面的普測(cè)，取得了良好的成效。

1 開(kāi)關(guān)柜局放檢測(cè)技術(shù)

1.1 特高頻法

特高頻檢測(cè)法是通過(guò)特高頻傳感器對(duì)電力設(shè)備中局部放電時(shí)產(chǎn)生的特高頻電磁波（300 MHz≤f≤3 GHz）信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，獲得局放信號(hào)的幅值、相位等相關(guān)信息。特高頻信號(hào)受封閉開(kāi)關(guān)柜的屏蔽，只能從柜子縫隙或觀察孔傳出，利用非接觸外置式傳感器在柜體孔隙處檢測(cè)。

1.2 超聲波法

高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生局放時(shí)的超聲波信號(hào)可以利用非接觸式超聲波傳感器在縫隙處進(jìn)行檢測(cè)，也可以利用接觸式超聲波傳感器在柜體上進(jìn)行檢測(cè)。非接觸式超聲波檢測(cè)法主要依據(jù)超聲信號(hào)的幅值進(jìn)行判斷，接觸式超聲波檢測(cè)法主要利用連續(xù)檢測(cè)法顯示被測(cè)信號(hào)在一個(gè)工頻周期內(nèi)的有效值、峰值，以及被測(cè)信號(hào)與50 Hz、100 Hz的頻率相關(guān)性（頻率成分1和頻率成分2），通過(guò)信號(hào)幅值、頻率成分大小判斷設(shè)備是否存在異常放電及可能的放電類(lèi)型。

1.3 暫態(tài)地電壓法

暫態(tài)地電壓法主要是通過(guò)電容耦合傳感器對(duì)局部放電脈沖信號(hào)在設(shè)備的封閉金屬殼體上產(chǎn)生的瞬時(shí)對(duì)地電壓進(jìn)行測(cè)量，得出局部放電的幅值和放電脈沖頻率等參數(shù)［6］。

2 帶電檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜缺陷統(tǒng)計(jì)分析

檢測(cè)人員在開(kāi)關(guān)柜帶電檢測(cè)工作共發(fā)現(xiàn)異常開(kāi)關(guān)柜508面，其中停電驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)存在絕緣缺陷的開(kāi)關(guān)柜71面（圖2），通過(guò)分析這些開(kāi)關(guān)柜發(fā)現(xiàn)，穿柜（穿墻）套管、電流（電壓）互感器、主母線及分支母線、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、避雷器、電纜、絕緣隔板、支柱絕緣子等設(shè)備容易發(fā)生絕緣缺陷導(dǎo)致故障。

①—穿柜套管、穿墻套管；②—電壓、電流互感器；③—主母線、分支母線；④—高壓斷路器；⑤—隔離開(kāi)關(guān)；⑥—避雷器；⑦—電纜；⑧—支柱絕緣子、絕緣隔板及其他

3 開(kāi)關(guān)柜主要元件放電成因及信號(hào)特征

3.1 穿柜套管放電

穿柜套管放電原因主要分兩類(lèi)。第一類(lèi)是老式穿柜套管內(nèi)未設(shè)計(jì)加裝屏蔽線，導(dǎo)致套管內(nèi)母排支撐處較小的氣隙承受了較高的感應(yīng)電壓。在柜內(nèi)濕度大、瓷體污穢的情況下，當(dāng)氣隙的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)氣隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)便在套管內(nèi)部發(fā)生放電。此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲波周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為沿面放電，其次為電暈放電和懸浮放電；暫態(tài)地電壓信號(hào)不明顯。第二類(lèi)是有屏蔽線的穿柜套管，當(dāng)屏蔽線松動(dòng)、脫落或觸碰內(nèi)壁時(shí)，容易使中心導(dǎo)體與屏蔽線間存在電場(chǎng)不均勻分布，表面電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣體的擊穿強(qiáng)度發(fā)生放電，此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為懸浮放電，其次為電暈放電；暫態(tài)地電壓信號(hào)不明顯。

3.2 互感器放電

電壓互感器和電流互感器放電原因主要分兩類(lèi)。第一類(lèi)是在安裝過(guò)程中絕緣距離不足導(dǎo)致放電；第二類(lèi)是為加強(qiáng)絕緣采用的絕緣隔板或絕緣包封材料，在臟污、受潮或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，絕緣性能下降引起放電。這兩類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為沿面放電，其次為懸浮放電；部分缺陷有暫態(tài)地電壓信號(hào)。在運(yùn)行中，如互感器本體或引線螺栓松動(dòng)，也會(huì)引起振動(dòng)產(chǎn)生超聲波局放干擾信號(hào)。

3.3 母排及引線排放電

母排及引線排放電原因主要是其與絕緣隔板距離不足。在空氣潮濕、護(hù)套表面臟污等共同作用下，母排與絕緣隔板間產(chǎn)生放電，此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值。特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為沿面放電，暫態(tài)地電壓信號(hào)不明顯。當(dāng)母排連接部位螺栓松動(dòng)或接觸不良時(shí)，會(huì)伴隨有發(fā)熱現(xiàn)象，此時(shí)暫態(tài)地電壓信號(hào)和超聲波局放信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為懸浮放電。

3.4 斷路器放電

斷路器產(chǎn)生局部放電的原因主要分兩類(lèi)。第一類(lèi)是潮氣侵入開(kāi)關(guān)柜內(nèi)并凝結(jié)在觸頭、絕緣筒等部位，導(dǎo)致觸頭銹蝕接觸不良、絕緣筒有效爬電距離下降，此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；暫態(tài)地電壓信號(hào)存在；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為沿面放電。第二類(lèi)是動(dòng)靜觸頭受力變形，未能緊密接觸。此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為懸浮放電；部分缺陷有暫態(tài)地電壓信號(hào)。

3.5 隔離開(kāi)關(guān)放電

隔離開(kāi)關(guān)局部放電原因主要分兩類(lèi)，第一類(lèi)是由于年久老化、銹蝕或彈簧松弛造成接觸不良。此類(lèi)缺陷放電超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為懸浮放電；暫態(tài)地電壓檢測(cè)有信號(hào)；同時(shí)接觸不良伴隨有發(fā)熱現(xiàn)象。第二類(lèi)是絕緣件受損。隔離開(kāi)關(guān)各傳動(dòng)部分需要的傳動(dòng)力較大，當(dāng)安裝、調(diào)試不當(dāng)時(shí)，長(zhǎng)期承受機(jī)械負(fù)荷的沖擊，會(huì)造成瓷瓶破裂。如果瓷瓶?jī)?nèi)部出現(xiàn)細(xì)小裂紋，此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)不明顯，特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為氣隙放電，暫態(tài)地電壓有信號(hào)；如果瓷瓶外部出現(xiàn)明顯破損痕跡，絕緣性能下降，此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為沿面放電；暫態(tài)地電壓信號(hào)不明顯。

3.6 避雷器放電

避雷器常見(jiàn)的局部放電原因主要分三類(lèi)。第一類(lèi)是引線布線不合理，與絕緣隔板距離不滿(mǎn)足要求引起放電，此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為沿面放電；暫態(tài)地電壓信號(hào)不明顯。第二類(lèi)是高壓引線連接螺栓松動(dòng)，此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為懸浮放電；暫態(tài)地電壓信號(hào)不明顯。第三類(lèi)是避雷器本體缺陷引起的局部放電，原因包括部件老化如內(nèi)部彈簧老化彈力不足，導(dǎo)致避雷器內(nèi)部閥片松動(dòng)；生產(chǎn)工藝不良如閥片混裝導(dǎo)致內(nèi)部設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際生產(chǎn)出現(xiàn)偏差；產(chǎn)品材質(zhì)瑕疵如復(fù)合外套內(nèi)部存在微小裂紋等。此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)不明顯，暫態(tài)地電壓信號(hào)明顯。

3.7 電纜終端放電

電纜終端放電原因主要分兩類(lèi)。第一類(lèi)是終端頭在相間交叉接觸、臟污嚴(yán)重、受潮時(shí)，傘裙間易發(fā)生局部放電，此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為沿面放電；暫態(tài)地電壓信號(hào)不明顯。第二類(lèi)是電纜終端制作工藝不良，此類(lèi)缺陷超聲信號(hào)不明顯，特高頻信號(hào)特征多表現(xiàn)為內(nèi)部氣隙放電，暫態(tài)地電壓信號(hào)較明顯。

3.8 支柱絕緣子

支柱絕緣子放電主要原因?yàn)橹е^緣子與高壓導(dǎo)體緊固部位松動(dòng)、絕緣包封破損。此類(lèi)缺陷超聲波信號(hào)明顯，超聲周期最大值、有效值、頻率成分1、頻率成分2有數(shù)值；暫態(tài)地電壓信號(hào)不明顯。

4 幾起典型案例檢測(cè)分析

4.1 穿柜套管放電

試驗(yàn)人員在對(duì)220 kV某變電站進(jìn)行開(kāi)關(guān)柜局放檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)35 kV分段400開(kāi)關(guān)柜特高頻測(cè)試數(shù)據(jù)異常，存在疑似放電缺陷，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1及圖2。進(jìn)一步使用PDS-G1500進(jìn)行局放定位分析，分析判斷分段400開(kāi)關(guān)柜局放發(fā)生部位為B相穿柜套管處。隨后對(duì)分段400開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行了停電檢查，柜內(nèi)各部位元件外觀正常，未發(fā)現(xiàn)異常放電痕跡，局放試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)B相穿柜套管局放量為13 pC（標(biāo)準(zhǔn)要求≤3 pC），判斷B相穿柜套管可能環(huán)氧樹(shù)脂澆注時(shí)工藝控制不嚴(yán)，內(nèi)部存在氣泡而引起局部放電?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)B相穿柜套管進(jìn)行了更換，更換后進(jìn)行耐壓局放試驗(yàn)，耐壓合格，檢測(cè)局放信號(hào)消失，缺陷消除。

表1 分?jǐn)?00開(kāi)關(guān)柜檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 分段400開(kāi)關(guān)柜特高頻PRPD/PRPS圖譜

4.2 斷路器放電

試驗(yàn)人員在帶電檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某站35 kV某線378開(kāi)關(guān)柜存在異常超聲、特高頻信號(hào)（超聲波圖譜如圖3所示，特高頻圖譜如圖4所示），判斷內(nèi)部有異常放電。

圖3 超聲波幅值檢測(cè)圖譜

圖4 特高頻周期/PRPS/PRPD圖譜

停電后檢查發(fā)現(xiàn)小車(chē)觸頭固定部位有明顯放電痕跡，且靜觸頭的“盒型”絕緣隔板已明顯發(fā)黑。判斷為小車(chē)動(dòng)觸頭固定部位對(duì)絕緣隔板發(fā)生局部放電?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該開(kāi)關(guān)柜導(dǎo)電鋁排與絕緣擋板距離較近，且導(dǎo)電鋁排未加裝絕緣護(hù)套，絕緣裕度不夠，導(dǎo)致該部位電場(chǎng)分布不均勻，局部場(chǎng)強(qiáng)較高，當(dāng)絕緣隔板表面臟污受潮后發(fā)生沿面局部放電。檢修人員對(duì)柜內(nèi)導(dǎo)電鋁排加裝絕緣護(hù)套，拆除全部上下靜觸頭結(jié)構(gòu)不合格的絕緣隔板?；謴?fù)送電后對(duì)開(kāi)關(guān)柜再次進(jìn)行檢測(cè)，放電信號(hào)消失（圖5）。

圖5 柜內(nèi)放電痕跡及絕緣隔板

4.3 電纜終端頭放電

運(yùn)維人員在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)某站35 kV電壓互感器開(kāi)關(guān)柜后下部電纜室存在異常特高頻信號(hào)，無(wú)異常超聲信號(hào)（圖6）。

圖6 超聲波和特高頻局放檢測(cè)信號(hào)

對(duì)該開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行停電檢查，電纜以及避雷器外觀未見(jiàn)異常。對(duì)B相電纜進(jìn)行諧振耐壓試驗(yàn)，升壓至52 kV，持續(xù)4 min后電纜終端頭擊穿放電。將B相電纜終端接頭解剖后，發(fā)現(xiàn)擊穿部位為半導(dǎo)體層斷面處。該電纜頭制作工藝存在嚴(yán)重問(wèn)題，應(yīng)力錐與半導(dǎo)體層搭接處插入了絕緣護(hù)套，使應(yīng)力錐與電纜銅屏蔽層半導(dǎo)體無(wú)法緊密搭接，導(dǎo)致產(chǎn)生局部放電。同時(shí)電纜半導(dǎo)體層切面處無(wú)電場(chǎng)應(yīng)力過(guò)渡作用，場(chǎng)強(qiáng)嚴(yán)重畸變，最終導(dǎo)致耐壓試驗(yàn)中放電擊穿。重新制作更換三相電纜終端接頭后耐壓試驗(yàn)，耐壓合格，同時(shí)進(jìn)行高頻以及超聲波局放檢測(cè)，異常信號(hào)消失。

5 總結(jié)

a）開(kāi)關(guān)柜局放典型案例表明，單一的帶電檢測(cè)方法存在局限性，部分放電類(lèi)型不能被有效檢測(cè)。通過(guò)多種檢測(cè)方法相結(jié)合，綜合運(yùn)用特高頻、超聲波、暫態(tài)地電壓法等方法進(jìn)行比對(duì)分析，能夠排除現(xiàn)場(chǎng)干擾和提高放電缺陷發(fā)現(xiàn)率，有效保障開(kāi)關(guān)柜安全運(yùn)行。

b）本文歸納總結(jié)了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部元件如斷路器、穿墻套管、互感器、避雷器等主要元件發(fā)生放電缺陷的原因及在不同帶電檢測(cè)方法下放電的信號(hào)特征，可供從事開(kāi)關(guān)柜帶電檢測(cè)運(yùn)維人員參考學(xué)習(xí)，有助于提高技術(shù)人員開(kāi)關(guān)柜局部放電帶電檢測(cè)水平和異常分析判斷能力，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。