趙祥龍，焦 偉，劉成華，蓋 磊，李小龍

（國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276003）

0 引言

高壓開關柜的故障可分為：拒動故障、誤動故障、絕緣故障、載流故障、開斷與關合故障、外力故障及其他故障［1］。從故障對電網(wǎng)的影響程度看，絕緣和載流故障對電網(wǎng)的影響最大，占高壓開關柜所有故障的40%以上。并且絕緣和載流故障一旦發(fā)生，故障處理困難，處理時間長，影響供電。目前常采用停電例行試驗和帶電檢測的手段來發(fā)現(xiàn)此類故障隱患。停電例行試驗，一方面對設備內(nèi)的固體絕緣有積累損害效應，另一方面由于設備必須停電，造成供電可靠性下降［2-4］。帶電檢測是在設備運行條件下進行的檢測，能夠反映設備的真實運行狀況，及早發(fā)現(xiàn)設備隱患，并且不會影響供電。由于帶電檢測的優(yōu)越性，近幾年在電網(wǎng)中被廣泛使用［3］。高壓開關柜的帶電檢測主要是設備的局部放電檢測。據(jù)統(tǒng)計，引起高壓開關柜局部放電的主要因素包括：絕緣表面受潮和污穢、設備連接處的接觸不良、導體或柜體有金屬毛刺、設備內(nèi)部有金屬微粒、設備絕緣內(nèi)部氣隙放電等。

高壓開關柜內(nèi)的局部放電主要分為表面放電和內(nèi)部放電，發(fā)生放電時伴隨著聲、熱、光、電、磁等多種形式的物理現(xiàn)象以及氣體電離等化學反應［5］。目前針對高壓開關柜局部放電采用的檢測方法有超聲法、暫態(tài)地電壓法、特高頻法等［6］。通過一起35 kV高壓開關柜的局部放電的案例，采用3種檢測方法進行檢測，并采用特高頻法對放電源進行了精確定位，通過停電檢修驗證了局部放電檢測和定位的準確性。

1 局部放電檢測方法

1.1 超聲波局部放電檢測法

局部放電產(chǎn)生的聲信號頻率高于20 kHz時，人耳無法聽到，此頻段聲波為超聲波。依據(jù)局部放電的機理，局部放電在初期表現(xiàn)為微弱的輝光放電，釋放的能量很小，放電后期將出現(xiàn)強烈的電弧放電，釋放的能量很大，可見局部放電釋放的能量是從小到大變化的，則聲能也是從小到大變化的［7-8］。超聲波局部放電檢測法就是根據(jù)局部放電產(chǎn)生的超聲波信號的特征和大小來判斷局部放電發(fā)生的類型與強弱。檢測原理如圖1所示。

圖1 超聲波局部放電檢測原理

1.2 暫態(tài)地電壓局部放電檢測法

高壓開關柜發(fā)生局部放電產(chǎn)生的電磁波在傳播過程中遇到金屬時，會在金屬中產(chǎn)生頻率相同的電流行波，電流行波以光速向各個方向傳播，受集膚效應的影響，電流行波往往僅集中在金屬柜體的內(nèi)表面，而不會直接穿透金屬柜體［9-11］。但是，高壓開關柜有觀察窗、絕緣連接處等金屬不連續(xù)部位，電流行波就會在這些金屬不連續(xù)部位由高壓開關柜的內(nèi)表面?zhèn)鞑サ酵獗砻?，并且在外表面產(chǎn)生暫態(tài)對地電壓。由于電氣設備柜體存在電阻，電流行波在傳播過程中必然存在功率損耗，因此，金屬柜體外表面產(chǎn)生的暫態(tài)地電壓不僅與局部放電量有關，還會受到放電位置、傳播途徑及箱體內(nèi)部結構和金屬斷口大小的影響，暫態(tài)地電壓信號的強弱雖與局部放電量成正比，但比例關系復雜、多變且難以預見，也就無法根據(jù)暫態(tài)地電壓信號的測量結果定量推算出局部放電量的大小［12］。通過暫態(tài)地電壓傳感器檢測其暫態(tài)地電壓的大小來反映內(nèi)部局部放電的強弱，檢測原理如圖2所示。

1.3 特高頻局部放電檢測法

設備中局部放電時產(chǎn)生的電流脈沖具有納秒級甚至皮秒級的上升前沿和極短的持續(xù)時間，能夠激發(fā)頻率高達數(shù)百兆赫茲及以上的電磁波。電磁波在設備內(nèi)傳播，經(jīng)由觀察窗、柜體縫隙等部位向外輻射。特高頻局部放電檢測是應用內(nèi)置或外置特高頻傳感器，通過耦合設備中局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波信號，實現(xiàn)高壓開關柜局部放電檢測，檢測原理如圖3所示。

圖2 暫態(tài)地電壓檢測原理

圖3 特高頻局部放電檢測原理

實際巡視檢測時使用的是如圖4所示的便攜式局部放電檢測儀，該儀器具有超聲波局部放電、暫態(tài)地電壓局部放電和特高頻局部放電檢測等功能，能對局部放電產(chǎn)生的異常信號進行快速診斷。局部放電源精確定位系統(tǒng)主要包含特高頻局部放電傳感器、示波器、信號調(diào)理器等設備，如圖5所示。

圖4 便攜式局部放電檢測儀

圖5 局部放電源精確定定位系統(tǒng)

2 缺陷檢測與分析定位

2.1 發(fā)現(xiàn)過程

2018年5月18日，試驗人員對220 kV某變電站進行帶電檢測巡檢時，在對站內(nèi)35 kV高壓室內(nèi)的開關柜進行超聲波局部放電檢測，在35 kV 1號所變S31-1隔離開柜上方檢測到明顯的超聲波局放信號，在隔離開關柜柜頂中間縫隙區(qū)域最強，超聲周期最大值為13.0 mV，頻率成分1（50 Hz）為 0.3 mV 小于頻率成分 2（100 Hz）為 1.0 mV，如圖6～8所示，可知超聲波相位圖譜及波形圖譜具有工頻相關性，且相位圖譜每個周期有兩簇信號，成駝峰狀，具有明顯的聚集效應，波形圖譜每個周期有兩組脈沖波形，波形形狀各不相同，且幅值不一，同時耳機中也具有放電特征聲音，根據(jù)這些超聲特征，依據(jù)Q/GDW 11059.1—2013《超聲波法局部放電帶電檢測技術現(xiàn)場應用導則》，綜合判斷35 kV 1號所變S31-1隔離開關柜內(nèi)檢測到超聲波異常信號。

圖6 超聲波幅值圖譜

對35 kV開關柜進行暫態(tài)地電壓局部放電檢測，測試空氣背景讀數(shù)為13dB，金屬背景讀數(shù)為12 dB，測試數(shù)據(jù)如表1所示，1號所變S31-1隔離開關柜的信號最大，并且距離1號所變S31-1隔離開關柜越遠的開關柜檢測數(shù)值越小。依據(jù)Q/GDW 11060—2013《交流金屬封閉開關設備暫態(tài)地電壓局部放電帶電測試技術現(xiàn)場應用導則》，若開關柜檢測結果與環(huán)境背景值的差值大于20 dB，需查明原因。

圖7 超聲波相位圖譜

圖8 2個周期內(nèi)超聲波波形圖譜

表1 暫態(tài)地電壓（TEV）測試數(shù)據(jù) dB

對35 kV 1號所變S31-1隔離開關柜進行特高頻局部放電檢測，檢測數(shù)據(jù)及圖譜，如圖9所示?？芍馗哳lPRPD/PRPS圖譜具有的局放特征，PRPD/PRPS圖譜顯示在一個工頻周期出現(xiàn)兩簇局部放電信號，信號在工頻周期內(nèi)有很強的對稱性，依據(jù)Q/GDW 11059.2—2013《特高頻法局部放電帶電檢測技術現(xiàn)場應用導則》，呈現(xiàn)明顯的放電特征。

圖9 特高頻PRPD/PRPS圖譜

2.2 定位分析

通過局部放電精確定位系統(tǒng)檢測可以看到示波器的綠色、黃色和紅色通道顯示在一個工頻周期內(nèi)有兩簇脈沖信號，呈現(xiàn)很均勻的特征，脈沖信號間隔時間基本相等，最大幅值約為1.22 V，如圖10所示，綜合判斷放電類型為金屬性放電。

圖10 特高頻信號圖譜

2.2.2 局放定位分析

為了準確定位局部放電源的位置，采用特高頻局部放電平分面法和時差法進行定位。采用平分面法進行精確定位，步驟為：左右水平移動兩傳感器，當示波器兩個檢測通道的信號波形重疊時，則局部放電源位于兩個傳感器連線的垂直平分面P上，平分面法定位原理如圖11所示。

圖11 平分面法定位原理

在確定局部放電源位于O位置周圍后，可在鄰近開關柜縫隙處或者觀察窗分別放置兩個傳感器B1和B2，兩傳感器之間水平距離L，并通過示波器觀察兩個傳感器接收到的信號時間差Δt，設開關柜局部放電源距傳感器B1距離為x，按公式（1）計算局部放電源的準確位置。時差法定位原理如圖12所示。

圖12 特高頻局部放電時差法定位

式中：c為電磁波等效傳播速度，3×108m/s。

第1次定位檢測判斷特高頻局部放電信號位置。傳感器信號來源定位波形如圖13所示，綠色傳感器波形上升沿位置超前于紅色傳感器，且紅色傳感器基本無特高頻信號，可知信號源位于開關柜內(nèi)部。

圖13 信號來源定位波形

第2次定位檢測局放信號左側(cè)定位分析。傳感器左側(cè)定位波形如圖14所示，綠色傳感器波形上升沿位置超前于紅色傳感器，可知信號源位于左側(cè)即35 kV 1號所變S31-1隔離開關柜開關柜。

圖14 左側(cè)定位波形

第3次定位檢測局放信號右側(cè)定位分析。傳感器右側(cè)定位波形如圖15所示，綠色傳感器波形上升沿位置超前于紅色傳感器，可知信號源位于右側(cè)即35 kV 1號所變S31-1隔離開關柜。

圖15 右側(cè)定位波形

第4次定位檢測局放信號橫向定位分析。傳感器橫向定位波形如圖16所示，綠色傳感器檢測到的信號波形與紅色傳感器檢測到的信號波形上升沿基本相同，由此可知信號到達兩個傳感器的時間基本相同，說明局部放電信號源位于兩個傳感器連線垂直平分面上。

圖16 橫向定位波形

第5次定位檢測局部放電源縱向定位分析。傳感器縱向定位波形如圖17所示，上下移動傳感器，綠色傳感器檢測到的信號波形與紅色傳感器檢測到的信號波形的上升沿基本一相同，可知信號到達兩個傳感器的時間基本相同，說明局部放電源位于兩個傳感器連線垂直平分面上。

第6次定位檢測局放信號深度定位分析。傳感器深度定位波形如圖18所示，紅色傳感器放置在1號所變S31-1隔離開關柜后側(cè)觀察窗，綠色傳感器放置在1號所變S31-1隔離開關柜前側(cè)觀察窗，兩傳感器物理距離約為2.4 m（開關柜的前后距離）；根據(jù)示波器波形可以看出紅色波形超前綠色波形約6 ns，對應的物理距離約為1.8 m。代入式（1）得出放電源距離綠色傳感器的距離大約為0.3 m的位置。

圖17 縱向定位波形

圖18 深度定位波形

綜上可判斷，局部放電位置在35 kV1號所變S31-1隔離開關柜右上部位的內(nèi)部往里30 cm處概率較大（初步判斷為A相），更進一步的位置需結合開關柜內(nèi)部結構綜合判斷。

3 局部放電位置檢查與處理

經(jīng)過停電檢查發(fā)現(xiàn)在35 kV 1號所變S31-1隔離開關柜與311開關柜A相穿柜套管內(nèi)母線與套管屏蔽層之間發(fā)生了放電。為了使母線和套管屏蔽層之間形成等電位，在母線與套管屏蔽之間用屏蔽彈簧相連。長期運行，屏蔽彈簧的機械強度會降低，材質(zhì)太軟，變形后不易恢復，如果受到外力或者設備電動力的作用，屏蔽彈簧出現(xiàn)松動，就會和套管屏蔽層接觸不良形成金屬性放電。經(jīng)過檢查套管內(nèi)部有明顯的放電灼燒痕跡，屏蔽彈簧由于放電燒蝕得非常嚴重，如圖19～20所示。通過更換套管和屏蔽彈簧消除了放電缺陷。

圖19 屏蔽彈簧放電燒蝕情況

圖20 套管屏蔽層放電燒蝕情況

4 結語

在實際工作中，開關柜局部放電檢測發(fā)現(xiàn)缺陷數(shù)量遠遠大于停電例行試驗發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量，局部放電檢測已經(jīng)成為開關柜狀態(tài)檢修的主要手段。超聲波局部放電檢測對外部放電缺陷和機械振動比較靈敏，抗干擾能力較強；TEV是間接檢測電磁波信號，主要發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣缺陷，抗干擾能力差，較適用于純電纜進線；特高頻局部放電檢測是直接對電磁波信號進行檢測，抗干擾能力強，對放電信號比較靈敏，對于機械振動信號靈敏度較差。

放電源粗略定位時，可根據(jù)超聲波、暫態(tài)地電壓和特高頻局部放電的幅值大小進行，而放電源精確定位時，采用特高頻定位技術的時差法和平分面法，在有條件的情況下還可以采用聲電聯(lián)合法進行定位。