35 kV开关柜局放带电检测

丁薇，彭晶，宁威

(1.云南电力科学研究院，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650011)

35 kV开关柜局放带电检测

丁薇1，彭晶1，宁威2

(1.云南电力科学研究院，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650011)

介绍了开关柜局放带电检测的常用方法，以一起电网中典型的35 kV开关柜局放故障为例，介绍了采用现有方法对其开展的局放带电检测工作，并通过有限元计算分析了出现该局放故障的原因，提出了有效的预防措施。

开关柜；局部放电；有限元

0 前言

高压开关柜运行中常会出现绝缘受潮、老化、绝缘材料中存在气泡、杂质等情况，使得绝缘故障成为开关柜故障的主要原因之一[1]。

据统计，开关柜发生绝缘故障的原因85%是由局部放电造成的，及时有效地发现开关柜局放缺陷，能够避免绝缘缺陷的进一步发展，减少因开关柜设备故障带来的停电损失。因此开展开关柜的局放检测工作具有重大意义，开关柜局放带电检测能够保障在设备正常供电的情况下开展工作，对设备运行供电不产生影响[2]。

本文介绍了开关柜局放带电检测的常用方法，以一起电网中典型的35 kV开关柜局放故障为例，介绍了采用现有方法对其开展的局放带电检测工作，并通过有限元计算分析了出现该局放故障的原因，提出了预防措施。

1 常用局放带电检测法

1.1 超声波检测

在局放过程中，随着电荷的快速释放和迁移，放电点周围的电场力、机械应力与粒子力失去平衡而产生振荡，从而产生超声波，这种声波是一种机械振动波。其频率大于20 kHz，是人耳无法识别的声波分量。超声波传感器利用压电材料的压电效应，可以检测出这些声波，从而反映局部放电的程度。超声波检测法最大的优点是抗干扰能力强，适合于强电场环境，而且频带宽，能够检测电晕、松动、悬浮放电等现象。

1.2 暂态地电波检测

当设备发生局部放电时，因电势高低的缘故，电场能量会向接地点相邻的接地金属部位聚集，在设备表面金属上形成对地电流。放电过程中，放电是间断性发生的，所以对地电流大小呈现不断变化。产生的电磁波会沿着金属内表面传播。如果金属内表面是全封闭的，电磁波被屏蔽，无法在外部检测到放电信号。而实际上，开关柜不会是全封闭结构，放电产生的电磁波会在开口、接缝、盖板处传播出去，同时产生电压脉冲，通过设备箱体外表面传到大地。这些电压脉冲被命名为TEV(暂态对地电压)，使用特制的电容耦合式传感器可以检测到这个TEV信号，从而检测出放电的幅值和频率。地电波法检测灵敏度较高，但地电压在空气中衰减较大[3-6]。

2 检测实例

2.1 故障情况

某变电站35 kV II段母线开关室在湿度较大情况下 (如雨季、阴雨天气等)存在异响，进行检查后发现这些开关柜的穿墙套管几乎全部存在放电痕迹，如图1b、c。处理的主要措施为：将放电穿墙套管更换为新的同厂家同型号的套管后放电问题并未得到解决，为明确局部放电部位及原因，对35 kV II段母线开关室内的高压开关柜进行了局部放电带电检测。

2.2 现场检测情况

1)非接触式超声波测试：在站用变柜前面板及后面板多个缝隙处均能检测到超声波信号，超声波信号最大幅值为27 dB。检测到的超声波声音为间歇性的响声，从大量的文献和现场检测经验来看，传统意义上的局部放电，除非即将击穿或者闪络，否则一般为间歇性的放电现象。这种间歇性是由于局部放电源充放电需要时间和放电具有随机性等原因造成的，因此可以判定该声音非常类似典型局部放电超声波声音。

2)暂态地电波检测：使用UltraTEV PLUS+便携式超声波和暂态对地电压局部放电检测设备对35 kV II段母线开关室内的高压开关柜设备进行暂态对地电压检测，其结果如1所示。

图1 暂态地电压检测结果

从图1中可以看出：暂态对地电压检测结果平均值为4.29，最大值为14，最小值为1；按照横向分析原则，II母TV柜最大测试值偏移量，其危险等级为异常 (预警)；按照横向分析原则，356柜最大测试值偏移量，其危险等级为危险。

3)接触式超声波波形检测：使用接触式超声波传感器、超声波放大器、示波器，在356柜和#2站用变柜后面板可检测到明显的超声波波形，如图2所示。

图2 站用变柜后面板接触式超声波波形检测结果

从图2中可以看出：超声波波形不稳定，具有随机性和间歇性，偶尔有较大幅值的超声波突，非常类似实验室中使用典型绝缘缺陷模型产生的局部放电接触式超声波波形 (如图3所示)。

图3 实验室典型局部放电接触式超声波波形检测结果

其余开关柜接触式超声波波形检测未发现明显异常。

4)红外热成像检测：使用红外热像仪，发现356柜和#2站用变柜内部A相穿墙套管内部红外热成像和可见光成像均能点，

其余开关柜红外热成像和可见光成像检测未发现明显异常。通过对多手段检测结果进行综合分析和诊断，认为：站用变柜存在局部放电现象。根据红外成像检测结果，局部放电部位位于柜内穿墙套管内部。

因电网系统内多个变电站都出现类似因穿墙套管放电造成开关柜局放的现象。

3 有限元仿真分析

设备局部放电现象的产生是由于放电区域内的电场集中，其最大场强值超过了介质击穿场强，因此分析设备电场分布情况，能够较好地了解设备发生局放的可能性及原因。我们采用有限元仿真计算手段进行建模，对多种运行工况下的套管电场进行仿真计算。

3.1 建模

按照套管实际尺寸进行有限元三维建模如图4a，建立较大空气场，模拟无限大空气域，如图4b。其中设定空气介电常数为1，套管材质为环氧树脂介电常数设为 3.5，母排介电常数设为10e6。

a)套管模型

b)空气域和套管模型

图4 建立模型

3.2 网格划分及加载

模型网格划分采用自由剖分，因套管法兰处电场最集中，该区域网格进行优化细分。

对穿墙套管导电母排加载设备最高运行电压(40.5 kV×2÷3=33.07 kV)，空气边界电压加载为0 kV，因柜体良好接地，套管法兰与开关柜外壳连接面加载电压0 kV。采用静电场分析法进行计算。

3.3 有限元分析结果

3.3.1 穿墙套管未采取均压措施

现场检查发现，部分出现局放现象的穿墙套管未采取有效的均压措施，或存在均压措施失效的情况。对这种情况下的套管进行有限元仿真，仿真的方式为只将高电压施加于导电母排，对套管不进行任何处理。由计算结果显示，导电排与套管外壁间狭小的空气空间承担了大部分的电压，如图5b。整个空间内最大场强出现在该空气区域，值为31.7 kV/cm，而空气的临界击穿场强为25～30 kV/cm，最大场强大于空气击穿场强，且由于导电排可能存在棱边、毛刺等，这又会进一步增大母排与套管内表面间空气域中的场强，使得这些地方产生电晕放电现象。

图5 无均压措施时套管电位场强分布

3.3.2 导电排有绝缘包裹

部分出现局放的套管，其导电排采用复合绝缘材料进行了包裹，绝缘包裹上有明显放电痕迹，如图1c，对这种情况进行有限元分析。绝缘包裹厚度设为4 mm，并假设其与导电排接触紧密。模型如下图6。

图6 导电排有绝缘包裹的模型

虽然因绝缘包裹的存在，导电排附近的场强明显降低，但最大场强外移出现在复合绝缘包裹与套管内壁之间的一层狭窄空气中，最大场强为31.66 kV/cm，大于空气击穿场强，因此在该空气域中出现放电现象。而实际中，绝缘包裹与导电母排间无任何粘合剂，并不能完全紧密接触，之间也存在空气气隙，这些空气气隙中电场集中，也会发生局部放电。可见，采用对套管母排加装绝缘包裹的方式，并不能防止套管局放现象的发生。

3.3.3 套管与导电排间均压

对于采取均压措施的35 kV穿墙套管的典型结构应为：在套管导电排上安装有接触弹片，套管内表面涂抹半导体釉，通过接触弹片将导电排与该半导体釉之间形成电气连接，使得导电排与该半导体釉等电位。因此为模拟采取了有效均压措施的情况，在仿真中我们直接设定套管内表面与导电排等电位。

有均压措施时，整个空间内的最大场强为17.8 kV/cm，该最大场强出现在复合绝缘材料内部，而该穿墙套管采用的复合绝缘材料为环氧树脂，环氧树脂的临界击穿场强约为200 kV/cm～300 kV/cm，最大场强远远小于该值，故在复合绝缘材料内部不会发生放电现象。因此，可以得出结论：当套管与导电排间采取有效均压措施后，套管不会产生局部放电现象。

为防止此类套管局放故障的发生，应确保对套管采取有效的均压措施，并进行定期检查，定期对接触弹片进行维护注意中间法兰密封良好，防止渗水、凝露造成接触弹片腐蚀的加速。

4 结束语

1)目前常用的开关柜带电局放检测方法有超声波检测和暂态地电波检测，通过两种方法综合测试分析可有效识别开关柜局部放电故障。

2)对于35 kV开关柜，若穿墙套管未采取有效的均压措施，导电母排附近空气域场强集中，会发生局放现象；采用对套管母排加装绝缘包裹的方式，也并不能防止套管局部放电的产生。

3)套管采取有效均压措施后，可避免因套管电场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，工程师，云南电力科学研究院，主要从事高电压技术的试验研究工作 (e-mail)dingwei99＠sina.com。

彭晶 (1985)，男，硕士，工程师，云南电力科学研究院，主要从事高电压技术的试验研究工作。

宁威 (1986)，男，工程师，云南电网有限责任公司昆明供电局，主要从事变电检修工作。