楊京渝，彭 麗*，朱 仁，鄧力凡，彭橋清

(1. 湖南城市學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000； 2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司 湘西供電分公司，湖南 吉首 416000)

12～40.5 kV 金屬封閉開(kāi)關(guān)柜成套設(shè)備在各變電站被廣泛使用，它是電力用戶與電網(wǎng)聯(lián)系的樞紐，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電力用戶的供電可靠性具有舉足輕重的作用[1-2].高壓室一般沒(méi)有有效的環(huán)境控制措施，室外灰塵和潮氣通過(guò)通風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，造成開(kāi)關(guān)柜絕緣隔板和熱縮護(hù)套臟污、受潮，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低；設(shè)備因在電、熱和化學(xué)等其他異常工況下長(zhǎng)期運(yùn)行而造成絕緣劣化，也易發(fā)生局部放電、閃絡(luò)和絕緣擊穿等故障[3-4].

在對(duì)供電可靠性要求逐步提高的背景下，以往的巡視模式已難以滿足及時(shí)掌握設(shè)備隱患的要求.隨著科技水平和檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及帶電檢測(cè)技術(shù)的范圍和精度的不斷提升，應(yīng)用于12～40.5 kV 高壓開(kāi)關(guān)柜設(shè)備帶電檢測(cè)的手段也逐漸變多[5].目前，開(kāi)關(guān)柜設(shè)備局部放電(PD)的檢測(cè)方法主要分為電檢測(cè)法和非電檢測(cè)法2 大類(lèi)， 其中電檢測(cè)法應(yīng)用較為廣泛的是暫態(tài)地電壓檢測(cè)(TEV)、射頻檢測(cè)和特高頻局放檢測(cè)(UHF)[6]；非電檢測(cè)法主要有紅外測(cè)溫和超聲波局放檢測(cè)[7].

高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電的各種檢測(cè)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn).電檢測(cè)法：暫態(tài)地電壓能檢測(cè)出絕緣內(nèi)部放電，但判據(jù)單一，檢測(cè)結(jié)果不可靠，只在內(nèi)部放電較嚴(yán)重時(shí)，才具有較高的靈敏度；射頻檢測(cè)法信號(hào)信噪比高，除了能定性地檢測(cè)到局部放電，還能定量地檢測(cè)放電強(qiáng)度，但該方法易丟失信號(hào)，不利于模式識(shí)別；特高頻局放具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度和準(zhǔn)確性高，能利用波形特征識(shí)別放電類(lèi)型等優(yōu)點(diǎn)，但該方法成本較高，整個(gè)體系還有待完善，而且難于定量描述放電的嚴(yán)重程度.非電檢測(cè)法：紅外測(cè)溫不受電信號(hào)干擾，技術(shù)簡(jiǎn)單且成本較低，但其存在準(zhǔn)確性差和靈敏度低等缺點(diǎn)；超聲波局放檢測(cè)對(duì)懸浮和尖端放電等類(lèi)型具有較高的靈敏度且定位精度較高，但其易受背景電磁干擾影響[8-10].

綜合上述分析可知，以上帶電檢測(cè)技術(shù)是分別從不同的角度提前發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)備存在的潛伏性隱患，而設(shè)備故障的發(fā)生通常伴隨著多種故障特征信息的產(chǎn)生，單一的檢測(cè)手段很難準(zhǔn)確判斷故障的位置和原因.因此，聯(lián)合多種帶電檢測(cè)技術(shù)來(lái)診斷開(kāi)關(guān)柜局部放電缺陷的新思路具有較大的現(xiàn)實(shí)意義.

1 局部放電檢測(cè)原理

1.1 暫態(tài)地電壓檢測(cè)

高壓開(kāi)關(guān)柜的電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁波，電磁波信號(hào)將會(huì)沿著柜體的金屬板向四周傳播，當(dāng)信號(hào)到達(dá)柜體某一縫隙處時(shí)，則會(huì)傳至外部空間，并在柜體外殼上感應(yīng)出一個(gè)暫態(tài)對(duì)地電壓信號(hào)；以暫態(tài)地電壓傳感器緊貼柜體時(shí)即可接收該電壓信號(hào)，從而得到內(nèi)部設(shè)備的局部放電信息[11].

1.2 超聲波局放檢測(cè)

電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，除了自身會(huì)產(chǎn)生沖擊的振動(dòng)和聲音外，在放電瞬間釋放的能量還會(huì)使周?chē)慕橘|(zhì)加熱而導(dǎo)致分子間產(chǎn)生劇烈的撞擊，從而產(chǎn)生聲波；利用超聲波傳感器接收該聲波信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，據(jù)此可對(duì)局部放電進(jìn)行測(cè)量和定位[12-13].

1.3 特高頻局放檢測(cè)

電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，它的擊穿過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短，放電點(diǎn)的電荷迅速轉(zhuǎn)移形成上升時(shí)間小于1 ns 的脈沖電流[14].根據(jù)電磁輻射原理，如此窄的電流脈沖能夠激發(fā)出數(shù)量級(jí)為GHz 的特高頻電磁波.特高頻局放檢測(cè)技術(shù)即是用特高頻傳感器接收300 MHz～3 GHz 的電磁波信號(hào)，通過(guò)濾波、放大和檢波等途徑對(duì)設(shè)備的局部放電情況進(jìn)行評(píng)估.

2 聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)

從檢測(cè)靈敏度、抗干擾能力、定位精度和衰減程度等方面進(jìn)行衡量，超聲波局放、暫態(tài)地電壓和特高頻局放檢測(cè)技術(shù)均有各自的特點(diǎn).因此，單一的檢測(cè)技術(shù)會(huì)存在局限性，大多數(shù)情況下無(wú)法客觀真實(shí)地反映其放電類(lèi)型、放電部位和嚴(yán)重程度[15]，甚至可能存在誤判.從超聲波局放、暫態(tài)地電壓和特高頻局放3 種檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)可知，三者具有一定的互補(bǔ)性.如果將三者有機(jī)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，則可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可全方位采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確掌握設(shè)備狀態(tài)，具有更大的應(yīng)用范圍.因此，在開(kāi)關(guān)柜帶電檢測(cè)中可以暫態(tài)地電壓和超聲波檢測(cè)為主、特高頻檢測(cè)為輔的聯(lián)合檢測(cè)技術(shù).聯(lián)合檢測(cè)流程如圖1 所示.

圖1 聯(lián)合檢測(cè)流程

3 聯(lián)合檢測(cè)案例分析

3.1 案例

2020 年1 月，對(duì)某110 kV 變電站進(jìn)行帶電檢測(cè)，通過(guò)特高頻局放檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，10 kV 開(kāi)關(guān)柜存在局放異?，F(xiàn)象.當(dāng)時(shí)的運(yùn)行工況如下：變電站10 kV 母聯(lián)300 開(kāi)關(guān)柜處于熱備用狀態(tài)；相鄰母聯(lián)3001 隔離開(kāi)關(guān)柜和#2 主變320 開(kāi)關(guān)柜處于運(yùn)行狀態(tài)；3001 連接至300 斷路器下，靜觸頭母排帶電；母聯(lián)300 開(kāi)關(guān)柜前方#2 站用變處于運(yùn)行狀態(tài).高壓室平面布局如圖2 所示.

圖2 高壓室平面布置示意

3.2 帶電檢測(cè)

為準(zhǔn)確判斷放電故障類(lèi)型及精確定位，對(duì)變電站開(kāi)關(guān)柜先后進(jìn)行了暫態(tài)地電壓、超聲波和特高頻局放檢測(cè)，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為10 ℃，濕度為55%，具體檢測(cè)結(jié)果如下：

1)暫態(tài)地電壓測(cè)試.對(duì)10 kV 開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行暫態(tài)地電壓測(cè)試時(shí)，300 開(kāi)關(guān)柜的后中柜門(mén)最大達(dá)49 dB，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得到的前中柜門(mén)和后中柜門(mén)的趨勢(shì)曲線如圖3 所示.

圖3 開(kāi)關(guān)柜暫態(tài)地電壓趨勢(shì)分析

根據(jù)圖3 并結(jié)合暫態(tài)地電壓診斷依據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，10 kV 開(kāi)關(guān)柜的暫態(tài)地電壓呈現(xiàn)以母聯(lián)300開(kāi)關(guān)柜為中心，向兩側(cè)逐漸衰減的趨勢(shì).由此判斷，高壓室局放異常的位置為300 開(kāi)關(guān)柜，但精確定位其放電部位還需進(jìn)一步確認(rèn).

2)超聲波局放測(cè)試.對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行超聲波局放檢測(cè)時(shí)，在300 開(kāi)關(guān)柜后下柜門(mén)帶電顯示裝置處及前上柜門(mén)綜合指示裝置的連接導(dǎo)線處檢測(cè)到了明顯的放電聲音，具體檢測(cè)位置如圖4 所示.

圖4 超聲波檢測(cè)位置示意

圖4 中，后下柜門(mén)的帶電顯示裝置與前上柜門(mén)的綜合指示裝置，均通過(guò)導(dǎo)線連接至帶電傳感器尾端獲取信號(hào).開(kāi)關(guān)柜不同位置的超聲波測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示.

表1 開(kāi)關(guān)柜超聲波測(cè)試數(shù)據(jù) dB

從表1 可知，在300 開(kāi)關(guān)柜后下柜門(mén)的帶電顯示裝置處測(cè)得的超聲波值達(dá)18 dB；在300 開(kāi)關(guān)柜前上柜門(mén)的綜合指示裝置的連接導(dǎo)線處測(cè)得的超聲波值達(dá)33 dB，且伴隨明顯的放電聲.根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司電力設(shè)備帶電檢測(cè)技術(shù)相關(guān)規(guī)范中的超聲波診斷依據(jù)，對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行推斷可知，300 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的局放源位于開(kāi)關(guān)柜的帶電顯示傳感器處，且位置靠近傳感器尾端，但放電類(lèi)型暫未確定.

3)特高頻局放測(cè)試.對(duì)高壓室進(jìn)行特高頻局放檢測(cè)時(shí)，在3001，300 和320 開(kāi)關(guān)柜附近檢測(cè)的幅值最大為60 dB，所測(cè)信號(hào)的幅值和波形有向高壓室兩側(cè)逐漸衰減的趨勢(shì)；在整排開(kāi)關(guān)柜兩側(cè)的302 和374 開(kāi)關(guān)柜處檢測(cè)不到明顯的局放圖譜，幅值僅在12 dB 左右波動(dòng)；300 開(kāi)關(guān)柜特高頻局放檢測(cè)圖譜中，放電脈沖的幅值穩(wěn)定，相鄰放電時(shí)間間隔基本一致，且1 個(gè)工頻周期內(nèi)有2 簇幅值等高的信號(hào)，符合懸浮電位的典型放電特征，如圖5 所示.

圖5 300 開(kāi)關(guān)柜特高頻局放檢測(cè)圖譜

根據(jù)圖5，初步判斷該變電站10 kV 高壓室內(nèi)存在局部放電異常缺陷，缺陷類(lèi)別可能為懸浮放電.同時(shí)，對(duì)300 開(kāi)關(guān)柜帶電顯示裝置的二次電壓進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)C 相的電壓在負(fù)載情況下明顯低于A 和B 相，僅為正常相的60%左右.

綜合上述暫態(tài)地電壓、超聲波和特高頻局放檢測(cè)結(jié)果，可以判斷出10 kV 開(kāi)關(guān)柜局放異常的原因是母聯(lián)300 開(kāi)關(guān)柜C 相帶電顯示傳感器存在內(nèi)部局部放電缺陷，且其類(lèi)型為懸浮電位放電.

4 聯(lián)合檢測(cè)驗(yàn)證

4.1 停電檢查

將母聯(lián)300開(kāi)關(guān)柜和3001開(kāi)關(guān)柜轉(zhuǎn)檢修狀態(tài)后，柜內(nèi)帶電顯示傳感器不帶電，此時(shí)高壓室內(nèi)所有開(kāi)關(guān)柜的超聲波、特高頻和暫態(tài)電壓測(cè)試結(jié)果均恢復(fù)正常，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部接線方式及C 相帶電顯示相傳感器如圖6 所示.

圖6 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部接線方式及C 相帶電顯示傳感器

對(duì)三相連接排進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，均達(dá)到100 GΩ(測(cè)試電壓2 500 V)；分別對(duì)三相連接排施加運(yùn)行電壓(5.77 kV)，A 和B 相無(wú)明顯的放電現(xiàn)象，但C 相檢測(cè)到與運(yùn)行狀態(tài)下類(lèi)似的放電現(xiàn)象；將300 開(kāi)關(guān)柜C 相帶電顯示傳感器拆除后，施加運(yùn)行電壓，超聲波、特高頻和暫態(tài)電壓測(cè)試結(jié)果均正常.進(jìn)一步對(duì)拆下的C 相帶電顯示傳感器進(jìn)行局放診斷試驗(yàn)，檢測(cè)到有明顯的放電圖譜，背景噪聲為5.15 pC，局放試驗(yàn)圖譜如圖7 所示.

圖7 帶電顯示傳感器局放試驗(yàn)圖譜

根據(jù)圖7 可知，電壓升至2.2 kV 左右時(shí)，視在放電量達(dá)到287 pC，且視在放電量隨試驗(yàn)電壓的升高不斷增長(zhǎng)；電壓升至3.5 kV 時(shí)，局放量已達(dá)到407 622 pC；電壓降至1.7 kV 時(shí)，局放信號(hào)消失.因此，可以初步判斷傳感器內(nèi)部存在氣隙或接觸不良的缺陷.

4.2 設(shè)備解體及原因分析

高壓帶電顯示裝置包括傳感器和顯示器2 部分，傳感器由電容抽壓棒、填充膠和環(huán)氧樹(shù)脂組成.在運(yùn)行過(guò)程中，抽壓電容棒相當(dāng)于一個(gè)恒流源，電流流過(guò)帶電顯示器，會(huì)使其自帶的氖燈發(fā)光，說(shuō)明設(shè)備帶電；抽壓電容棒從高壓帶電回路中抽取一定的電壓作為顯示和閉鎖電源，用來(lái)反映開(kāi)關(guān)柜是否帶電，并能強(qiáng)制閉鎖開(kāi)關(guān)網(wǎng)門(mén).進(jìn)一步對(duì)傳感器進(jìn)行解體檢查，在傳感器靠近二次抽頭的內(nèi)部引線處發(fā)現(xiàn)填充膠有粉化現(xiàn)象，這表明傳感器在該部位存在明顯的局部放電現(xiàn)象，具體位置如圖8 所示.

圖8 傳感器放電部位

通過(guò)上述試驗(yàn)及設(shè)備解體分析，母聯(lián)300 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)C 相帶電顯示傳感器靠近二次尾端存在接觸不良的缺陷，在運(yùn)行的交變電壓下有懸浮電位從而產(chǎn)生局部放電，而局放的長(zhǎng)期存在使傳感器二次抽頭尾部的填充膠粉化.在進(jìn)行特高頻、超聲波和暫態(tài)地電壓測(cè)試時(shí)，也檢測(cè)到了明顯的局放異常信號(hào)，這驗(yàn)證了帶電檢測(cè)時(shí)的判斷結(jié)果.

5 結(jié)論

1)介紹了暫態(tài)地電壓、超聲波和特高頻局放帶電檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及檢測(cè)原理，提出了將三者相結(jié)合的聯(lián)合定位檢測(cè)技術(shù)；

2)針對(duì)10 kV 開(kāi)關(guān)柜局部放電典型案例，進(jìn)行了暫態(tài)地電壓、超聲波和特高頻局放測(cè)試，以此來(lái)判斷局放異常的缺陷性質(zhì)和位置，并經(jīng)停電檢測(cè)試驗(yàn)及設(shè)備解體分析驗(yàn)證了判斷的準(zhǔn)確性；

3)多種帶電檢測(cè)技術(shù)的聯(lián)合使用能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷并進(jìn)行精確診斷和定位，可對(duì)開(kāi)關(guān)柜故障進(jìn)行全面有效地診斷排查，能高效地指導(dǎo)檢修工作的開(kāi)展，保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行.