丁薇，彭晶，寧威

(1.云南電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650011)

35 kV開關(guān)柜局放帶電檢測

丁薇1，彭晶1，寧威2

(1.云南電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650011)

介紹了開關(guān)柜局放帶電檢測的常用方法，以一起電網(wǎng)中典型的35 kV開關(guān)柜局放故障為例，介紹了采用現(xiàn)有方法對其開展的局放帶電檢測工作，并通過有限元計(jì)算分析了出現(xiàn)該局放故障的原因，提出了有效的預(yù)防措施。

開關(guān)柜；局部放電；有限元

0 前言

高壓開關(guān)柜運(yùn)行中常會出現(xiàn)絕緣受潮、老化、絕緣材料中存在氣泡、雜質(zhì)等情況，使得絕緣故障成為開關(guān)柜故障的主要原因之一[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，開關(guān)柜發(fā)生絕緣故障的原因85%是由局部放電造成的，及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜局放缺陷，能夠避免絕緣缺陷的進(jìn)一步發(fā)展，減少因開關(guān)柜設(shè)備故障帶來的停電損失。因此開展開關(guān)柜的局放檢測工作具有重大意義，開關(guān)柜局放帶電檢測能夠保障在設(shè)備正常供電的情況下開展工作，對設(shè)備運(yùn)行供電不產(chǎn)生影響[2]。

本文介紹了開關(guān)柜局放帶電檢測的常用方法，以一起電網(wǎng)中典型的35 kV開關(guān)柜局放故障為例，介紹了采用現(xiàn)有方法對其開展的局放帶電檢測工作，并通過有限元計(jì)算分析了出現(xiàn)該局放故障的原因，提出了預(yù)防措施。

1 常用局放帶電檢測法

1.1 超聲波檢測

在局放過程中，隨著電荷的快速釋放和遷移，放電點(diǎn)周圍的電場力、機(jī)械應(yīng)力與粒子力失去平衡而產(chǎn)生振蕩，從而產(chǎn)生超聲波，這種聲波是一種機(jī)械振動波。其頻率大于20 kHz，是人耳無法識別的聲波分量。超聲波傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)，可以檢測出這些聲波，從而反映局部放電的程度。超聲波檢測法最大的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，適合于強(qiáng)電場環(huán)境，而且頻帶寬，能夠檢測電暈、松動、懸浮放電等現(xiàn)象。

1.2 暫態(tài)地電波檢測

當(dāng)設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，因電勢高低的緣故，電場能量會向接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位聚集，在設(shè)備表面金屬上形成對地電流。放電過程中，放電是間斷性發(fā)生的，所以對地電流大小呈現(xiàn)不斷變化。產(chǎn)生的電磁波會沿著金屬內(nèi)表面?zhèn)鞑?。如果金屬?nèi)表面是全封閉的，電磁波被屏蔽，無法在外部檢測到放電信號。而實(shí)際上，開關(guān)柜不會是全封閉結(jié)構(gòu)，放電產(chǎn)生的電磁波會在開口、接縫、蓋板處傳播出去，同時(shí)產(chǎn)生電壓脈沖，通過設(shè)備箱體外表面?zhèn)鞯酱蟮亍＿@些電壓脈沖被命名為TEV(暫態(tài)對地電壓)，使用特制的電容耦合式傳感器可以檢測到這個(gè)TEV信號，從而檢測出放電的幅值和頻率。地電波法檢測靈敏度較高，但地電壓在空氣中衰減較大[3-6]。

2 檢測實(shí)例

2.1 故障情況

某變電站35 kV II段母線開關(guān)室在濕度較大情況下 (如雨季、陰雨天氣等)存在異響，進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)這些開關(guān)柜的穿墻套管幾乎全部存在放電痕跡，如圖1b、c。處理的主要措施為：將放電穿墻套管更換為新的同廠家同型號的套管后放電問題并未得到解決，為明確局部放電部位及原因，對35 kV II段母線開關(guān)室內(nèi)的高壓開關(guān)柜進(jìn)行了局部放電帶電檢測。

2.2 現(xiàn)場檢測情況

1)非接觸式超聲波測試：在站用變柜前面板及后面板多個(gè)縫隙處均能檢測到超聲波信號，超聲波信號最大幅值為27 dB。檢測到的超聲波聲音為間歇性的響聲，從大量的文獻(xiàn)和現(xiàn)場檢測經(jīng)驗(yàn)來看，傳統(tǒng)意義上的局部放電，除非即將擊穿或者閃絡(luò)，否則一般為間歇性的放電現(xiàn)象。這種間歇性是由于局部放電源充放電需要時(shí)間和放電具有隨機(jī)性等原因造成的，因此可以判定該聲音非常類似典型局部放電超聲波聲音。

2)暫態(tài)地電波檢測：使用UltraTEV PLUS+便攜式超聲波和暫態(tài)對地電壓局部放電檢測設(shè)備對35 kV II段母線開關(guān)室內(nèi)的高壓開關(guān)柜設(shè)備進(jìn)行暫態(tài)對地電壓檢測，其結(jié)果如1所示。

圖1 暫態(tài)地電壓檢測結(jié)果

從圖1中可以看出：暫態(tài)對地電壓檢測結(jié)果平均值為4.29，最大值為14，最小值為1；按照橫向分析原則，II母TV柜最大測試值偏移量，其危險(xiǎn)等級為異常 (預(yù)警)；按照橫向分析原則，356柜最大測試值偏移量，其危險(xiǎn)等級為危險(xiǎn)。

3)接觸式超聲波波形檢測：使用接觸式超聲波傳感器、超聲波放大器、示波器，在356柜和#2站用變柜后面板可檢測到明顯的超聲波波形，如圖2所示。

圖2 站用變柜后面板接觸式超聲波波形檢測結(jié)果

從圖2中可以看出：超聲波波形不穩(wěn)定，具有隨機(jī)性和間歇性，偶爾有較大幅值的超聲波突，非常類似實(shí)驗(yàn)室中使用典型絕緣缺陷模型產(chǎn)生的局部放電接觸式超聲波波形 (如圖3所示)。

圖3 實(shí)驗(yàn)室典型局部放電接觸式超聲波波形檢測結(jié)果

其余開關(guān)柜接觸式超聲波波形檢測未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

4)紅外熱成像檢測：使用紅外熱像儀，發(fā)現(xiàn)356柜和#2站用變柜內(nèi)部A相穿墻套管內(nèi)部紅外熱成像和可見光成像均能點(diǎn)，

其余開關(guān)柜紅外熱成像和可見光成像檢測未發(fā)現(xiàn)明顯異常。通過對多手段檢測結(jié)果進(jìn)行綜合分析和診斷，認(rèn)為：站用變柜存在局部放電現(xiàn)象。根據(jù)紅外成像檢測結(jié)果，局部放電部位位于柜內(nèi)穿墻套管內(nèi)部。

因電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)變電站都出現(xiàn)類似因穿墻套管放電造成開關(guān)柜局放的現(xiàn)象。

3 有限元仿真分析

設(shè)備局部放電現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于放電區(qū)域內(nèi)的電場集中，其最大場強(qiáng)值超過了介質(zhì)擊穿場強(qiáng)，因此分析設(shè)備電場分布情況，能夠較好地了解設(shè)備發(fā)生局放的可能性及原因。我們采用有限元仿真計(jì)算手段進(jìn)行建模，對多種運(yùn)行工況下的套管電場進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 建模

按照套管實(shí)際尺寸進(jìn)行有限元三維建模如圖4a，建立較大空氣場，模擬無限大空氣域，如圖4b。其中設(shè)定空氣介電常數(shù)為1，套管材質(zhì)為環(huán)氧樹脂介電常數(shù)設(shè)為 3.5，母排介電常數(shù)設(shè)為10e6。

a)套管模型

b)空氣域和套管模型

圖4 建立模型

3.2 網(wǎng)格劃分及加載

模型網(wǎng)格劃分采用自由剖分，因套管法蘭處電場最集中，該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化細(xì)分。

對穿墻套管導(dǎo)電母排加載設(shè)備最高運(yùn)行電壓(40.5 kV×2÷3=33.07 kV)，空氣邊界電壓加載為0 kV，因柜體良好接地，套管法蘭與開關(guān)柜外殼連接面加載電壓0 kV。采用靜電場分析法進(jìn)行計(jì)算。

3.3 有限元分析結(jié)果

3.3.1 穿墻套管未采取均壓措施

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，部分出現(xiàn)局放現(xiàn)象的穿墻套管未采取有效的均壓措施，或存在均壓措施失效的情況。對這種情況下的套管進(jìn)行有限元仿真，仿真的方式為只將高電壓施加于導(dǎo)電母排，對套管不進(jìn)行任何處理。由計(jì)算結(jié)果顯示，導(dǎo)電排與套管外壁間狹小的空氣空間承擔(dān)了大部分的電壓，如圖5b。整個(gè)空間內(nèi)最大場強(qiáng)出現(xiàn)在該空氣區(qū)域，值為31.7 kV/cm，而空氣的臨界擊穿場強(qiáng)為25～30 kV/cm，最大場強(qiáng)大于空氣擊穿場強(qiáng)，且由于導(dǎo)電排可能存在棱邊、毛刺等，這又會進(jìn)一步增大母排與套管內(nèi)表面間空氣域中的場強(qiáng)，使得這些地方產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象。

圖5 無均壓措施時(shí)套管電位場強(qiáng)分布

3.3.2 導(dǎo)電排有絕緣包裹

部分出現(xiàn)局放的套管，其導(dǎo)電排采用復(fù)合絕緣材料進(jìn)行了包裹，絕緣包裹上有明顯放電痕跡，如圖1c，對這種情況進(jìn)行有限元分析。絕緣包裹厚度設(shè)為4 mm，并假設(shè)其與導(dǎo)電排接觸緊密。模型如下圖6。

圖6 導(dǎo)電排有絕緣包裹的模型

雖然因絕緣包裹的存在，導(dǎo)電排附近的場強(qiáng)明顯降低，但最大場強(qiáng)外移出現(xiàn)在復(fù)合絕緣包裹與套管內(nèi)壁之間的一層狹窄空氣中，最大場強(qiáng)為31.66 kV/cm，大于空氣擊穿場強(qiáng)，因此在該空氣域中出現(xiàn)放電現(xiàn)象。而實(shí)際中，絕緣包裹與導(dǎo)電母排間無任何粘合劑，并不能完全緊密接觸，之間也存在空氣氣隙，這些空氣氣隙中電場集中，也會發(fā)生局部放電?？梢姡捎脤μ坠苣概偶友b絕緣包裹的方式，并不能防止套管局放現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3.3 套管與導(dǎo)電排間均壓

對于采取均壓措施的35 kV穿墻套管的典型結(jié)構(gòu)應(yīng)為：在套管導(dǎo)電排上安裝有接觸彈片，套管內(nèi)表面涂抹半導(dǎo)體釉，通過接觸彈片將導(dǎo)電排與該半導(dǎo)體釉之間形成電氣連接，使得導(dǎo)電排與該半導(dǎo)體釉等電位。因此為模擬采取了有效均壓措施的情況，在仿真中我們直接設(shè)定套管內(nèi)表面與導(dǎo)電排等電位。

有均壓措施時(shí)，整個(gè)空間內(nèi)的最大場強(qiáng)為17.8 kV/cm，該最大場強(qiáng)出現(xiàn)在復(fù)合絕緣材料內(nèi)部，而該穿墻套管采用的復(fù)合絕緣材料為環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂的臨界擊穿場強(qiáng)約為200 kV/cm～300 kV/cm，最大場強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該值，故在復(fù)合絕緣材料內(nèi)部不會發(fā)生放電現(xiàn)象。因此，可以得出結(jié)論：當(dāng)套管與導(dǎo)電排間采取有效均壓措施后，套管不會產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。

為防止此類套管局放故障的發(fā)生，應(yīng)確保對套管采取有效的均壓措施，并進(jìn)行定期檢查，定期對接觸彈片進(jìn)行維護(hù)注意中間法蘭密封良好，防止?jié)B水、凝露造成接觸彈片腐蝕的加速。

4 結(jié)束語

1)目前常用的開關(guān)柜帶電局放檢測方法有超聲波檢測和暫態(tài)地電波檢測，通過兩種方法綜合測試分析可有效識別開關(guān)柜局部放電故障。

2)對于35 kV開關(guān)柜，若穿墻套管未采取有效的均壓措施，導(dǎo)電母排附近空氣域場強(qiáng)集中，會發(fā)生局放現(xiàn)象；采用對套管母排加裝絕緣包裹的方式，也并不能防止套管局部放電的產(chǎn)生。

3)套管采取有效均壓措施后，可避免因套管電場集中而造成的局放故障。

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PD On-line Detection and Analysis of Causes to A Typical Faults of The 35 kV Switch Cabinet

DING Wei1，PENG Jing1，NING Wei2
(1 Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；2 Kunming Power Supply Bureau，Kunming 650217，China)

This paper introduces the common methods of the switch cabinet PD detection，describes these methods using in a 35 kV switch cabinet typical fault.This paper analyses cause of the faluts by the finite element calculation and puts forward some effective precaution.

switch cabinet；partial discharge；finite element

TM85

B

1006-7345(2015)03-0117-04

2014-12-19

丁薇 (1986)，女，工程師，云南電力科學(xué)研究院，主要從事高電壓技術(shù)的試驗(yàn)研究工作 (e-mail)dingwei99＠sina.com。

彭晶 (1985)，男，碩士，工程師，云南電力科學(xué)研究院，主要從事高電壓技術(shù)的試驗(yàn)研究工作。

寧威 (1986)，男，工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，主要從事變電檢修工作。