海南電網(wǎng)海南輸變電檢修分公司 楊杰 梁盛樂(lè) 李曉洋
10 kV金屬封閉式開關(guān)柜作為配網(wǎng)系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一,是連接變壓器與用戶負(fù)荷的導(dǎo)體,其主要作用是進(jìn)行開合、控制與保護(hù)用電設(shè)備,在整個(gè)電力系統(tǒng)配網(wǎng)中起重要作用。
文中針對(duì)某地級(jí)市部分開閉所中開關(guān)柜檢測(cè)案例,采用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部電纜倉(cāng)的局放進(jìn)行了測(cè)量。為探究開關(guān)柜中電纜出現(xiàn)局放故障的深層次原因,對(duì)該地區(qū)檢測(cè)案例中電纜放電缺陷進(jìn)行細(xì)致分類,討論分析了電纜分支放電的位置、形態(tài)、原因,并提出了具體的合理化建議。
電氣設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生局部放電的過(guò)程中,會(huì)伴隨產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象,即在局部放電發(fā)生的區(qū)域由于脈沖電流的作用瞬間受熱膨脹,形成一個(gè)近似爆破的效果,當(dāng)局放結(jié)束后表面膨脹效果消失。由于放電區(qū)域體積變化引起的介質(zhì)疏密變化形成超聲波,波形特征上表現(xiàn)為一連串的脈沖形式[1]。
超聲波以球面波的形式從局部放電點(diǎn)向四周傳播,針對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生的局部放電,超聲波在傳播過(guò)程中會(huì)遇到不同的介質(zhì),從而在柜體內(nèi)部經(jīng)過(guò)一系列的折反射,最后通過(guò)柜體縫隙傳播出來(lái)[2]。
超聲信號(hào)在傳播至分界面處會(huì)發(fā)生衰減,同時(shí)隨著傳輸距離的增加、開關(guān)柜內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,多種介質(zhì)交織,信號(hào)能量受聲波擴(kuò)散、介質(zhì)粘度、分子撞擊等原因逐漸衰減[3-4]。
針對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的局部放電超聲信號(hào)可以利用非接觸式超聲傳感器沿柜體縫隙處進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)檢測(cè)到的信號(hào)周期最大值、有效值、頻率成分、信號(hào)波形等特征,同時(shí)結(jié)合聆聽(tīng)耳機(jī)中超聲信號(hào)的聲音特征對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行綜合檢測(cè)判斷。
2016年11月份,使用超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)某地級(jí)市10kV分段#112開關(guān)柜進(jìn)行局放帶電檢測(cè)時(shí),發(fā)現(xiàn)超聲波信號(hào)檢測(cè)到異常,經(jīng)過(guò)對(duì)該開關(guān)柜停電消缺,電纜倉(cāng)中電纜分支套管表面存在明顯的放電痕跡,現(xiàn)場(chǎng)照片及信號(hào)圖譜如圖1所示。
通過(guò)對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行綜合分析,幅值圖譜中周期最大值15dB,100Hz相位相關(guān)性較強(qiáng),工頻周期內(nèi)信號(hào)呈現(xiàn)兩簇脈沖;結(jié)合停電消缺時(shí)觀測(cè)到的實(shí)際情況,判斷該開關(guān)柜下電纜室存在沿面放電。
后續(xù)對(duì)5個(gè)10kV開閉所進(jìn)行例行局放帶電檢測(cè),共檢測(cè)到11處開關(guān)柜存在明顯的異常超聲信號(hào)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),上述局部放電信號(hào)源均集中在開關(guān)柜電纜倉(cāng)電纜分支位置。
圖1 電纜倉(cāng)實(shí)物圖及超聲檢測(cè)圖譜
基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果,對(duì)上述開關(guān)柜中電纜分支缺陷進(jìn)行深入分析,主要從放電點(diǎn)所在位置以及放電點(diǎn)形態(tài)兩方面展開。
電纜的基本結(jié)構(gòu)可分為銅導(dǎo)體、內(nèi)半導(dǎo)體層、主絕緣層、外半導(dǎo)體層、銅屏蔽層、內(nèi)護(hù)套、鎧裝層、外護(hù)套,如圖2所示。
圖2 電纜基本結(jié)構(gòu)圖
從現(xiàn)場(chǎng)解體的11個(gè)開關(guān)柜電纜倉(cāng)電纜放電點(diǎn)位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),放電主要分布在下圖四個(gè)區(qū)域,如圖3所示,各區(qū)域所在詳細(xì)位置如下。
圖3 單芯電纜結(jié)構(gòu)示意圖
區(qū)域一:電纜導(dǎo)體與線鼻子連接部位及外部熱縮管交界區(qū)域;區(qū)域二:為剝離銅屏蔽與外半導(dǎo)電層后,僅剩主絕緣,外部套熱塑管這段區(qū)域;區(qū)域三:為應(yīng)力錐所在區(qū)域;區(qū)域四:銅屏蔽及外半導(dǎo)電層所在區(qū)域。
本次共參與解體了11處開關(guān)柜,電纜倉(cāng)中分支電纜出現(xiàn)放電的實(shí)物圖如圖4所示。
圖4 單芯電纜四個(gè)區(qū)域放電點(diǎn)實(shí)物圖
根據(jù)各開關(guān)柜測(cè)試時(shí)間、放電點(diǎn)數(shù)、放電部位、前測(cè)試信號(hào)放電類型等信息統(tǒng)計(jì)出本次解體情況,如下表1所示。
表1 開關(guān)柜解體放電部位統(tǒng)計(jì)信息表
通過(guò)解體發(fā)現(xiàn)明顯的放電點(diǎn)35處,同時(shí)結(jié)合電纜終端結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)場(chǎng)解體觀察到各處放電點(diǎn)的位置統(tǒng)計(jì),已解體開關(guān)柜電纜倉(cāng)放電部位主要分布在電纜終端接頭、電纜中間區(qū)域、應(yīng)力管位置、銅屏蔽及外半導(dǎo)電層位置,各位置放電數(shù)量分別為10次、11次、4次、10次,其中部分放電點(diǎn)為三相或者兩相均同時(shí)存在,各位置所占比例如下圖5所示。
圖5 電纜各部位放電比例統(tǒng)計(jì)
由上圖可以看出,本次11次解體案例中電纜終端接頭、中間區(qū)域、銅屏蔽及外半導(dǎo)電層三個(gè)位置發(fā)生放電比例較為接近,其中位于電纜中間區(qū)域的放電比例最高,其次是處于電纜終端接頭與銅屏蔽及外半導(dǎo)電層位置,三者比例較為接近,處于懸空應(yīng)力管位置放電數(shù)量最少。
本次共參與解體了11處開關(guān)柜,根據(jù)各開關(guān)柜放電點(diǎn)形態(tài)不同,從而劃分為點(diǎn)狀或者區(qū)域、帶狀放電、環(huán)形放電,其放電形態(tài)如下圖6所示。
其中,下圖黑圈以及綠圈所示即為點(diǎn)狀(區(qū)域)型放電點(diǎn);下圖藍(lán)圈所示部位即為帶狀放電部位,此處放電既沒(méi)有局限在某一區(qū)域,也沒(méi)有形成閉環(huán)放電通道,而是呈現(xiàn)帶狀形態(tài);下圖紅圈所示即為環(huán)形放電形態(tài),此處放電點(diǎn)呈現(xiàn)環(huán)形,熱縮管表面一圈均存在放電痕跡。
圖6 放電點(diǎn)形態(tài)劃分
就本次解體情況得出以下統(tǒng)計(jì)信息,如表2所示。通過(guò)解體發(fā)現(xiàn)明顯的放電點(diǎn)35處,通過(guò)對(duì)各放電點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),點(diǎn)型/區(qū)域型放電、帶狀放電、環(huán)形放電數(shù)量分別為6次、5次、24次,各形態(tài)所占比例如下圖7所示。
表2 開關(guān)柜解體放電形態(tài)統(tǒng)計(jì)信息表
圖7 電纜各放電點(diǎn)形態(tài)比例統(tǒng)計(jì)
由上圖可知,合川區(qū)現(xiàn)有開關(guān)柜解體放電點(diǎn)統(tǒng)計(jì)中,放電點(diǎn)位置出現(xiàn)環(huán)形放電比例最高,達(dá)到69%;其次是出現(xiàn)點(diǎn)狀/區(qū)域型放電,達(dá)到17%。在現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)樣本環(huán)境下,出現(xiàn)環(huán)形放電的次數(shù)最為普遍。
初步分析其原因主要為電纜受潮嚴(yán)重,同時(shí)部分電纜安裝工藝不合格導(dǎo)致電纜表面電場(chǎng)不均勻,在絕緣表面薄弱的位置發(fā)生放電。
為追溯上述放電的原因,對(duì)電纜分支表面不同位置出現(xiàn)不同形態(tài)的放電進(jìn)行分析,以期減少同類缺陷的數(shù)量,更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)檢修。
根據(jù)電纜頭制作工藝,終端接頭為電纜剝離主絕緣后經(jīng)過(guò)系列工藝,將導(dǎo)體插入線鼻子,兩部分共同構(gòu)成電纜終端接頭。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)解體數(shù)據(jù),該區(qū)域出現(xiàn)放電多由于受到過(guò)往施工過(guò)程中不規(guī)范的工藝處理、設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量不過(guò)關(guān)以及潮濕的環(huán)境等因素影響。
銅接管表面存在尖端毛刺。該原因主要由工藝制作不當(dāng)引起。壓接線鼻子過(guò)程中,圓柱形銅接管經(jīng)線鉗壓結(jié)形成具有間隔錯(cuò)位、局部帶有棱角的銅接管,壓結(jié)完畢需挫平線鼻子上的壓痕和毛刺。未經(jīng)打磨情況下,其表面的尖端突起未作打磨處理將在不均勻電場(chǎng)下會(huì)導(dǎo)致尖端放電,致使外部熱縮管發(fā)熱甚至灼燒出現(xiàn)豁口,同時(shí)由于部分地區(qū)較為潮濕,電纜倉(cāng)潮氣嚴(yán)重,進(jìn)而促進(jìn)放電的發(fā)生。
主絕緣端口與線鼻子入口之間距離過(guò)大而未作絕緣填充。通過(guò)解體發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)電纜終端接頭處端口間距離過(guò)大的案例達(dá)到7例。端口之間距離太大未作填充,無(wú)可避免將引入潮氣,當(dāng)電纜承受過(guò)電壓時(shí)將極易引起空氣擊穿,形成端口處的環(huán)形放電。
安裝工藝以及檢修處理工藝不當(dāng)都可能導(dǎo)致絕緣受損、電場(chǎng)不均勻,從而引起此區(qū)域的局部放電。超聲波局部放電檢測(cè)技術(shù)能夠有效檢測(cè)開關(guān)柜中異常信號(hào),通過(guò)綜合超聲信號(hào)幅值、相位、波形及聲音特征,判斷缺陷類型,提高局部放電普測(cè)效率。
潮氣、水分入侵:當(dāng)電纜倉(cāng)空氣濕度較大,且大氣壓力偏高時(shí),極易在電纜、電纜連接導(dǎo)體、倉(cāng)壁形成凝露。對(duì)于制作工藝較差的電纜,潮氣將無(wú)可避免地滲入熱縮管、冷縮管;對(duì)于電纜表面,外加由于空氣中的灰塵微粒的附著,無(wú)疑將降低電纜表面絕緣強(qiáng)度,極易形成具備放電的有利條件,一旦出現(xiàn)過(guò)電壓、過(guò)電流,局部放電便會(huì)產(chǎn)生。
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)解體情況,該區(qū)域電纜僅有外部主絕緣,該區(qū)域出現(xiàn)的放電多由絕緣受損引起,施工過(guò)程中的意外損傷遺留的劃痕或豁口均會(huì)在一定程度上改變區(qū)域表面場(chǎng)強(qiáng),降低絕緣水平,容易導(dǎo)致局部放電的發(fā)生;一旦發(fā)生局部放電,將會(huì)形成惡性循環(huán)進(jìn)一步破壞表面絕緣,加深該區(qū)域的劣化。
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)解體情況,該區(qū)域電纜僅有外部主絕緣,引起放電的因素主要有以下三個(gè):
部分區(qū)域絕緣薄弱。由于制作工藝的緣故,電纜本體中芯線外表面不可能是標(biāo)準(zhǔn)圓,主絕緣層也不可能是標(biāo)準(zhǔn)的圓環(huán),這將使得芯線對(duì)主絕緣表面的距離不會(huì)絕對(duì)相等,根據(jù)電場(chǎng)原理,主絕緣表面所處電場(chǎng)強(qiáng)度將不會(huì)處處均勻,最終導(dǎo)致電纜各部分的絕緣性能存在微小偏差,對(duì)于絕緣薄弱的地方在高壓情況下便容易發(fā)生放電。
熱縮不均勻。制作過(guò)程中套管收縮不均勻,遺留部分空氣在內(nèi)部,或者未能較好地調(diào)整火焰強(qiáng)度、保持距離、控制熱縮溫度,造成局部熱縮溫度太高烤焦熱縮管或者過(guò)分收縮,使其產(chǎn)生裂紋。
潮氣、水份入侵。其對(duì)電纜中間區(qū)域的影響與電纜終端接頭的影響相同,潮氣處于熱縮管內(nèi)部將有可能導(dǎo)致空氣擊穿;處于熱縮管表面的凝露則會(huì)同表面污垢一起,降低表面絕緣,引起軸向爬電。
現(xiàn)場(chǎng)解體時(shí)中間區(qū)域多處出現(xiàn)環(huán)形放電,放電是沿著絕緣薄弱的地方發(fā)生,同時(shí)由于內(nèi)部空氣的存在,在內(nèi)部形成帶狀或者其他不規(guī)則環(huán)形氣隙,電壓一旦過(guò)高將引起空氣擊穿。隨著放電次數(shù)的增加最終形成環(huán)形放電通道,甚至最終灼燒熱縮管形成豁口。潮氣的進(jìn)一步侵入會(huì)加劇放電的發(fā)生,將會(huì)形成惡性循環(huán)進(jìn)一步破壞表面絕緣,加深該區(qū)域的劣化。
在制作電纜頭時(shí),剝離屏蔽層后,電纜原有的電場(chǎng)分布發(fā)生改變,將產(chǎn)生對(duì)絕緣極為不利的切向電場(chǎng),該電場(chǎng)方向沿導(dǎo)線軸向延伸,此時(shí)電力線在屏蔽層端口處集中,該位置成為電纜最容易擊穿的部位。
為改善電力線的分布,在外半導(dǎo)電層外部涂抹一層應(yīng)力疏散膠,并將應(yīng)力錐套裝在外部。應(yīng)力錐的使用將減少切向發(fā)散的電力線,對(duì)應(yīng)效果如圖8所示。但是現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)存在應(yīng)力管內(nèi)部錯(cuò)位,未與銅屏蔽層有效接觸而造成懸空的情況,從而形成一個(gè)懸浮于電場(chǎng)中的半導(dǎo)電體。
圖8 應(yīng)力錐度對(duì)電場(chǎng)分布影響
銅屏蔽層在正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)電容電流,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí),作為短路電流的通道,同時(shí)起到屏蔽電場(chǎng)的作用。外半導(dǎo)電層處在絕緣層與銅屏蔽層之間,與周圍兩層良好接觸,起到均勻電位的作用。
剝?nèi)チ算~屏蔽層的電纜,在相應(yīng)位置的電場(chǎng)分布將會(huì)發(fā)生改變,電場(chǎng)線將在此端口沿軸向集中向外散發(fā),從而對(duì)主絕緣產(chǎn)生不利影響,造成斷口處主絕緣能力的薄弱。電纜中如果沒(méi)有銅屏蔽層與外半導(dǎo)電層,三芯電纜極有可能發(fā)生相間絕緣擊穿。安裝工藝上要求銅屏蔽與外半導(dǎo)電層端口之間距離達(dá)到20mm,銅屏蔽端口距離分支手套端口70mm。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解體發(fā)現(xiàn),8處解體4處開關(guān)柜在該區(qū)域共發(fā)生7次發(fā)放電,引起放電的主要原因如下。
安裝工藝不規(guī)范?,F(xiàn)場(chǎng)部分開關(guān)柜未使用應(yīng)力管進(jìn)行均勻場(chǎng)強(qiáng),僅僅進(jìn)行熱縮處理,或者安裝了應(yīng)力管卻不能保證與銅屏蔽、外半導(dǎo)電層的有效接觸面積致使應(yīng)力管作用失效。
檢修處理工藝不規(guī)范。銅屏蔽層端口處理不平整,存在突起,從而加劇電場(chǎng)的不均勻。同時(shí)在歷史問(wèn)題處理中剝離更換熱縮管的過(guò)程中,主絕緣受到嚴(yán)重劃傷,表面遺留多處劃痕,且有一定深度。
上述安裝工藝以及檢修處理工藝不當(dāng)都可能導(dǎo)致絕緣受損、電場(chǎng)不均勻,從而引起此區(qū)域的局部放電。
為防止開關(guān)柜電纜倉(cāng)中潮氣的侵入,在開關(guān)柜中可加強(qiáng)除濕通風(fēng),改善運(yùn)行環(huán)境;電纜故障消缺過(guò)程中,注意施工工藝,盡量避免對(duì)電纜主絕緣的損傷,減少銅屏蔽層端口及電纜頭壓接管表面突起;使用熱縮套管時(shí)熱縮均勻或者使用冷縮套管,正確安裝、更換應(yīng)力錐;開關(guān)柜局放檢測(cè)過(guò)程中,檢測(cè)人員可綜合檢測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有針對(duì)性的關(guān)注電纜倉(cāng)中異常。