歐陽進，張藍宇，鄒 磊，龔鶴騰，李 欣

（國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電公司，長沙 410007）

TEV、UT、UHF技術在開關柜局部放電檢測中的應用

歐陽進，張藍宇，鄒 磊，龔鶴騰，李 欣

（國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電公司，長沙 410007）

針對10 kV開關柜局部放電問題，為排除干擾，準確判斷開關柜局部放電類型和放電點位置，提出采用暫態(tài)地電位(transient earth voltage,TEV)、超聲波(ultrasonic test,UT)、特高頻(ultra high frequency,UHF)技術進行聯(lián)合檢測的方法，并在現(xiàn)場實測工作中進行了應用和驗證。結果表明：該聯(lián)合方法對開關柜設備缺陷的檢測與定位非常有效，提高了開關柜局部放電檢測的準確性和有效性。

帶電檢測；開關柜；特高頻檢測；超聲波檢測

電氣設備的長期運行或者不正常運行，內(nèi)部絕緣可能會發(fā)生某種劣化，在高電壓和電場環(huán)境下，絕緣性能將逐步下降，嚴重時會導致局部放電，甚至發(fā)生絕緣擊穿和損壞。一旦設備發(fā)生損壞，輕者對電力系統(tǒng)造成設備故障損失，重者造成人員事故甚至整個電網(wǎng)的崩潰，發(fā)生大面積停電，給社會帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，電氣設備的狀態(tài)，尤其是絕緣狀況，急需電力人員第一時間掌握［1-2］。

10 kV金屬封閉式開關柜因其操作方便、運行可靠、占地較小等優(yōu)點在變電站廣泛使用，其安全運行直接影響整個變電站乃至地區(qū)的電能質量和供電可靠程度。僅僅依靠傳統(tǒng)的預防性試驗、耐壓試驗（此方法還會對絕緣材料的性能有一定的損傷）和巡視檢查等辦法［3-4］，并不能及時準確地掌握設備內(nèi)部的一些局部放電缺陷。因其本體結構相對封閉，現(xiàn)場運行人員和檢修人員在設備不停電的情況下，均很難發(fā)現(xiàn)其潛在的局部放電隱患。如何及時、準確地發(fā)現(xiàn)局部放電隱患，是擺在電力工作者面前的重要難題。

開關柜封閉的金屬箱體上有接縫和小的玻璃窗，局部放電時所產(chǎn)生的各種電磁波信號可以由此泄漏出來，從而可在箱體外空間或箱殼表面進行局部放電的檢測。目前，對開關柜設備局部放電的檢測方法主要有脈沖電流法、暫態(tài)對地電壓法、超聲法、特高頻法等。無論哪種檢測方法均有一定的局限性，針對這種情況可采用多種測試方法聯(lián)合檢測，取長補短，往往能達到事半功倍的效果。

1 局部放電檢測技術的研究現(xiàn)狀

1.1 局部放電的基本特點

當很小的范圍內(nèi)存在電場，場強集中、積累的微小放電會將絕緣介質慢慢劣化，久而久之，絕緣體會被擊穿，導致故障逐步擴大。當局部放電發(fā)生后，在電氣設備內(nèi)部和外部均會不同程度地發(fā)生一些物理或者化學變化，例如發(fā)光、發(fā)熱、異響等等，并以電磁波、氣體或者聲波等形式向外釋放能量，而局部放電檢測正是利用這些特殊的信息特點，采取各種不同的方式進行信息收集、分析，從而判斷局部放電的［5］。

1.2 暫態(tài)地電壓檢測法(TEV)

如果局部放電發(fā)生在相對大地絕緣的一個高壓設備上，比如金屬開關板或者電纜終端，電荷會從高壓導體耦合到接地的金屬外殼。這種電荷很少，通常情況是pF級的。通常情況下，耦合時間只有幾個ps級。當局部放電發(fā)生的時候，電磁波向放電兩端傳輸，因為集膚效應的影響，在金屬內(nèi)部的傳輸電壓不能從外部直接探測到，但是，在金屬外殼的一個開口處，電磁波可以傳到外部空間。電磁波上升沿在金屬外殼的表面產(chǎn)生一個暫態(tài)的地電壓，因此，這項技術被稱作暫態(tài)地電壓或地電波，這個瞬態(tài)電壓的上升時間是ns級的，峰值從mV級到V級不等。暫態(tài)地電壓的量值是放電峰值和傳播路徑的函數(shù)，傳播途徑的衰減自身是開關內(nèi)部結構和開口大小的函數(shù)。

一般來說，對開關柜進行暫態(tài)地電壓檢測，是將TEV傳感器緊貼在開關柜金屬柜壁上進行檢測。該方法具有檢測操作簡便、分析診斷方便的優(yōu)點，但容易受到檢測現(xiàn)場復雜環(huán)境的干擾，在空氣中衰減很快。

1.3 特高頻檢測法（UHF）

由于電力設備的絕緣體絕緣強度很高，具有很高的擊穿場強，因此，當電力設備的絕緣體發(fā)生局部放電時，其擊穿過程十分迅速，上升時間會產(chǎn)生小于1 ns的脈沖電流，同時能夠激發(fā)出電磁波，且該電磁波的頻率為GHz數(shù)量級，這就是特高頻（UHF）電磁波。局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波的頻率大概在300 MHz到3 GHz之間。特高頻檢測法的基本原理就是通過使用特高頻傳感器來對電力設備中局部放電時產(chǎn)生的特高頻電磁波信號進行檢測，由于現(xiàn)場的電暈干擾主要集中在300 MHz頻段以下，因此特高頻法能有效地避開現(xiàn)場的電暈等干擾，具有較高的靈敏度和抗干擾能力，可實現(xiàn)局部放電帶電檢測、定位以及缺陷類型識別等功能。

1.4 超聲波檢測法（UT）

當電氣設備發(fā)生局部放電時，會產(chǎn)生一些物理特征，如振動，會以聲波的形式向外傳播，聲波的頻率范圍從Hz級到MHz級，而人耳能聽到的只有低于20 Hz的聲波，其他無法聽見，高于這一頻率的聲波只能通過超聲波傳感器采集，通過超聲波信號轉化為電信號進行進一步分析，最終判斷出設備局部放電的類型和程度。

該方法的特點是傳感器與電力設備的電氣回路無任何聯(lián)系，不受電氣方面的干擾，但在現(xiàn)場使用時易受周圍環(huán)境噪聲或設備機械振動的影響。由于超聲信號在電力設備常用絕緣材料中的衰減較大，超聲波檢測法的檢測范圍有限，但具有定位準確度高的優(yōu)點，超聲檢測技術適用于對開關柜、互感器等在運設備的電暈放電進行檢測及定位，對電暈、爬電、電弧和較強的局部放電較有效。根據(jù)檢測傳感方式的不同，該方法可以分為接觸式與非接觸式2種。對于開關柜來說，一般使用非接觸式的檢測方法，即對空氣中的聲波進行檢測，可將傳感器放置在開關柜的縫隙處進行檢測。

2 TEVTEV、UTUT、UHFUHF聯(lián)合檢測

綜上所述，由于開關柜內(nèi)部結構復雜，干擾源較多及局部放電信號通常較小等原因，采用單一的TEV，UT，UHF方法進行帶電檢測，難以準確完成對開關柜的局部放電檢測，因此本文提出了采用TEV，UT，UHF聯(lián)合檢測的方法進行帶電檢測，綜合運用3種帶電檢測技術,多角度判斷故障性質、類別。

在巡檢中，可充分利用暫態(tài)地電壓檢測法檢測操作簡便、分析診斷方便的優(yōu)點進行普測，記錄數(shù)據(jù)異常的開關柜，再利用超聲波檢測進行進一步分析,判斷是否存在局部放電，判斷出設備可能的局部放電的類型和程度，最后采用特高頻檢測排除可能的機械振動等干擾進行驗證，并通過特高頻檢測對故障點進行定位，為下一步的停電檢修提供準確的指導意見。

3 現(xiàn)場應用

某110 kV變電站進行例行的帶電檢測工作中，該供電公司電氣試驗班人員在對10 kV開關柜設備進行暫態(tài)地電壓普測，發(fā)現(xiàn)某開關柜測試數(shù)據(jù)明顯高于背景數(shù)據(jù)和其他開關柜，之后對其進行超聲波、特高頻檢測排除干擾，確定其有局部放電信號，并判斷出局部放電類型，最后利用特高頻定位技術，對故障點進行了定位。

3.1 暫態(tài)地電壓數(shù)據(jù)結果分析

對某110 kV變電站10 kV高壓室內(nèi)開關柜進行TEV、UT、UHF檢測，發(fā)現(xiàn)運行編號300開關柜（以下簡稱300開關柜）數(shù)據(jù)異常，測試結果如表1、表2所示。由表2可見300開關柜后上柜門有TEV、UT、UHF檢測數(shù)據(jù)的異常。

表1 10 kV高壓室背景測試數(shù)據(jù)

表2 10 kV高壓室第一排開關柜測試數(shù)據(jù)

按照開關柜的排列順序對某110 kV變電站10 kV高壓室300開關柜進行TEV測試，選擇前中、前下，后上、后中、后下5個點記錄TEV測量值，按照開關柜的分布情況，對測試數(shù)據(jù)進行橫向對比，繪制數(shù)據(jù)圖，如圖1所示。地電波數(shù)據(jù)在40～45 dB范圍內(nèi)波動，按照國網(wǎng)開關柜地電波測試數(shù)值大于20 dB為異常，判斷該高壓室多面開關柜局部放電地電波測試數(shù)據(jù)異常，下一步結合超聲波和特高頻的數(shù)據(jù)對地電波數(shù)據(jù)異常的開關柜進行分析判斷。

圖1 300開關柜TEV測試橫向比較圖譜

3.2 超聲異常數(shù)據(jù)分析

檢修人員之后對某110 kV變電站10 kV高壓室內(nèi)的開關柜進行超聲波信號普測，再次在300開關柜檢測到異常局部放電超聲信號，具體的數(shù)據(jù)及圖譜如圖2所示：超聲周期最大值為36.9 dB。按照國網(wǎng)帶電檢測相關規(guī)定超聲波周期最大值大于15 dB定為缺陷，且存在50 Hz頻率成分1＜100 Hz頻率成分2兩個超聲波異常的信號量。

圖2 超聲波測試最大點信號圖

如圖3超聲波測試飛行圖譜所示，進行超聲波的連續(xù)檢測，在2個周期的觀察窗內(nèi)可以看到每個工頻周期出現(xiàn)兩簇脈沖信號，檢測儀器耳機里聽見很大的“嗡嗡”聲，結合暫態(tài)地電位檢測數(shù)據(jù)，判斷信號為懸浮放電信號。由于震動的聲音較大，肉耳也能聽見，不排除放電聲音淹沒在震動聲音里的可能性，需結合特高頻信號進一步對該開關柜進行分析判斷。

圖3 超聲波測試飛行圖譜

3.3 特高頻異常數(shù)據(jù)分析

檢修人員再通過特高頻模式對該110 kV變電站10 kV高壓室內(nèi)所有開關柜進行特高頻信號普測，在300開關柜柜發(fā)現(xiàn)特高頻異常信號，具體數(shù)據(jù)及圖譜如圖4所示，在一個周波內(nèi)存在兩簇明顯的放電脈沖信號1、2，且這兩簇信號具有180°的相位差，位于正負半周上；放電脈沖信號3數(shù)值較小且不存在周期性，應排除其為現(xiàn)場干擾。

圖4 特高頻波形圖譜

對300開關柜進行測試，特高頻圖譜如圖5所示，從左圖一個周期的觀察窗可以看到每個工頻周期出現(xiàn)兩簇脈沖信號，而通過右圖連續(xù)50個周期的觀察窗可以看到兩簇脈沖信號信號工頻相關性強，相位相差180°，信號具有局部放電特征，可以排除信號為現(xiàn)場震動的干擾，綜合之前另2種方法得到檢測數(shù)據(jù)，判斷為周期性的懸浮放電。

圖5 特高頻圖譜

4 效果評價

（1）聯(lián)合檢測方法首先利用暫態(tài)地電位巡檢發(fā)現(xiàn)了300開關柜局部放電異常，再利用超聲波檢測排除了較大背景噪音的干擾，對局部放電類型進行了初步判斷，最后通過特高頻檢測，排除了機械振動的可能，準確判斷出存在局部放電部位和放電類型。

（2）單一采用暫態(tài)地電位檢測方法，雖能發(fā)現(xiàn)異常，但因空氣中有較大的背景干擾，無法排除干擾，因而無法確認300開關柜是否存在局部放電；單一采用超聲波檢測能發(fā)現(xiàn)超聲波異常，耳機也能聽到有嗡嗡”聲，但由于現(xiàn)場震動聲較大，無法排除超聲波異常是否來自于震動，因而無法確認300開關柜是否存在局部放電；單一采用特高頻檢測雖能發(fā)現(xiàn)局部放電信號，但現(xiàn)場干擾較大時，局部放電信號也容易淹沒在背景噪聲中，定位準確度較差，而聯(lián)合檢測方法有效克服了單一方法檢測的弊端，利用暫態(tài)地電位快速檢測的優(yōu)點進行巡檢，快速地發(fā)現(xiàn)異常設備，再利用超聲波檢測進一步確認異常信號是否是局部放電，并完成局部放電類型的初步判斷，最后利用特高頻檢測，排除超聲波檢測中震動對信號的干擾，試驗人員根據(jù)超聲波檢測到的局部放電情況，提高特高頻檢測時的信噪分離參數(shù)設置，在背景噪聲中，確定檢測到的局部放電信號。在現(xiàn)場干擾較大的情況下，采用聯(lián)合檢測方法排除干擾準確。

（3）本次聯(lián)合檢測為狀態(tài)檢修工作提供了參考數(shù)據(jù)，將加強對該開關柜的帶電檢測追蹤工作，保證了設備和電網(wǎng)的安全運行，并且為進一步的停電檢修提供了方向和指導性數(shù)據(jù)，節(jié)約了停電檢修時間，減少了停電造成的各方面損失。

5 結論

（1）本文采用暫態(tài)地電位、超聲波和特高頻檢測3種測試方法聯(lián)合檢測，對開關柜設備缺陷的檢測與放電類型定性是非常有效的。

（2）針對現(xiàn)場的具體情況，綜合運用多種局部放電檢測手段，取長補短，可提高測試的準確性與可靠性。

（3）對開關柜的局部放電檢測，因無定位設備還無法對缺陷進行精確定位，下一步應結合高頻電流傳感器，采用特高頻-超聲波聯(lián)合定位對缺陷進行精確定位，為檢修消缺提供更準確的指導。

［1］ 張燦華.基于特高頻、超聲波、TEV局部放電檢測技術的應用及研究[D].山東大學，2015.

［2］ 岳彩鵬，侯憲法，董亞.TEV與UHF技術在開關柜局部放電檢測中的應用[J].山東電力技術，2016,2(43): 78-80.

［3］ 陳葒.特高頻法在開關柜局部放電檢測中的應用[J].廣西電力，2015,12(38)：60-63.

［4］ 黃詩敏，10 kV開關柜局部放電帶電檢測技術應用與仿真分析研究[D].北京交通大學，2015.

［5］ Q/GDW 11400—2015,電力設備高頻局部放電帶電檢測技術現(xiàn)場應用導則[S].

Application of partial discharge detection for switch cabinet with TEV、UT、UHF combined technique

OUYANG Jin,ZHANG Lanyu,ZOU Lei,GONG Heteng,LI Xing
(Changsha Power Supply Filiale of State grid Hunan Power Co.,Changsha Hunan 410007,China)

Aiming at the fault of 10 kV switch cabinet partial discharge,in order to get rid of the disturbance, judges accurately the discharge type and discharge point position,puts forward the method of using transient earth voltage(TEV),ultrasonic and ultra high frequency(UHF)makes combined detection,and makes verification in the practical fault locale.The result shows that this combined method is very effective in detection and fix position of switch cabinet defection,improves the accuracy and efficiency of partial discharge fault detection for switch cabinet.

live detection;switch cabinet;ultra high frequency(UHF)detection;ultrasonic detection

TM83

B

1672-3643（2017）01-0039-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.008

2016-11-09

歐陽進（1990），男，工學碩士，助理工程師，從事電力系統(tǒng)自動化及智能變電站一次設備研究工作。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.008