交流金属封闭开关设备带电检测技术综述

黎 刚，段肖力，叶会生，何智强，李 婷，谢耀恒

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

交流金属封闭开关设备带电检测技术综述

黎 刚1，段肖力2，叶会生2，何智强2，李 婷2，谢耀恒2

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

通过了解交流金属封闭开关设备(简称开关柜)的主要缺陷类型，介绍了几种常用开关柜绝缘缺陷带电检测技术的基本原理，分析当前开关柜带电检测技术的应用及不足之处，比较了几种适用于开关柜带电检测技术的各自特点，提出了基于带电检测的开关柜检修策略。

交流金属封闭开关设备；开关柜；带电检测；红外测温；局部放电；暂态地电压；超声波；特高频

交流金属封闭开关设备(简称开关柜)具有占地面积小、自动化程度高、安全防护等级强及维护方便等特点，大量应用于电力系统。开关柜在制造、运输、安装、运行、检修过程中因设计、材质、机械力等因素，往往会存在一些薄弱环节，严重影响开关柜的安全稳定运行。为此通过带电检测来综合诊断开关柜缺陷，将事故隐患消除在萌芽状态，具有重要意义[1]。

1 开关柜的主要缺陷

开关柜包括断路器、互感器、绝缘件、电缆、保护及控制等多种部件；包含气体绝缘、固体绝缘、真空绝缘、复合绝缘等多种绝缘形式；运行中易受到短路电流、过电压冲击等不良工况影响。受温度、湿度、灰尘等外部环境影响。由于其部件繁杂、绝缘结构复杂，受运行环境影响产生老化，在运行中易发生以下缺陷:在其绝缘件、互感器等部件中可能存在绝缘缺陷；在其导体接触面、导体穿屏处可能存在过热缺陷；在其断路器、隔离开关等部件可能存在分(合)闸速度、同期不满足要求等机械缺陷；在其控制、保护、测量、五防部件可能存在断线、误动、闭锁失效等其它缺陷。

1.1 绝缘缺陷

在开关柜绝缘系统中，各部位的电场强度存在差异，某个区域的电场强度一旦达到其击穿场强时，该区域就会出现放电现象，但施加电压的两个导体之间并未贯穿，即放电未击穿绝缘系统，这种现象即为局部放电[2]。电气设备中典型的局部放电主要有尖端、悬浮、绝缘空穴(杂质)、绝缘件表面、绝缘间隙、自由颗粒放电等形式。经验表明，开关柜发生绝缘事故前期往往会先发生局部放电，缺陷类型和部位主要包括:由于等电位连接、电流互感器二次线、带电显示连接线等发生松动，产生悬浮放电缺陷；由于绝缘件、互感器等部件在制造、设计、安装过程造成的缺陷，产生绝缘空穴(杂质)放电；由于导体加工工艺、安装工艺不良产生的毛刺，造成尖端放电；由于绝缘表面处理工艺、运行环境不良造成表面脏污，产生绝缘表面爬电；由于设计、制造、安装原因产生绝缘小间隙，造成绝缘间隙放电。局部放电的发展恶化将直接导致绝缘事故的发生。

1.2 过热性缺陷

在开关柜导流系统中，当导电回路接触部位氧化、接触松动、过载等都将导致触头接触不良、接触电阻增大，造成载流故障的发生，出现触头温度过高甚至烧毁，造成停电〔3〕。

1.3 特性机械缺陷

在开关柜负荷开断系统中，当断路器机构存在缺陷时，将导致断路器卡涩、分(合)闸速度、弹跳次数(时间)、开距、同期不满足要求等问题，造成断路器拒动、误动，严重时发生爆炸。

1.4 其它缺陷

在开关柜控制、测量、防护系统中，由于设计、制造、安装、维护等原因可能存在控制失败、测量失误、五防失效等缺陷，影响设备的安全稳定运行。

2 开关柜带电检测技术现状及展望

开关柜存在缺陷时，会产生一系列光、声、电气、振动和机械卡涩等物理现象和化学变化。这些伴随缺陷而产生的各种物理和化学反应为诊断其内部状态提供了检测信号〔4〕。

2.1 绝缘缺陷带电检测技术

开关柜绝缘缺陷主要通过局部放电来进行检测，局部放电检测主要分为离线检测方法(脉冲法)和带电检测方法，带电检测方法因不需被测设备停电、定位方便、检测工况与运行工况完全一致而被运维单位广泛采用。局部放电带电检测可利用超声波技术来检测局部放电及部件振动产生的声信号，利用特高频、高频电流及暂态地电压技术来检测局部放电产生的电信号〔5〕。

局部放电带电检测技术已广泛应用于开关柜绝缘缺陷检测，能够有效检出开关柜内的大部分绝缘缺陷，但仍有很多值得研究、完善之处。

1)标准体系方面建设方面。目前，相关的测试导则仅有国家电网公司颁布的Q/GDW 11060—2013《交流金属封闭开关设备暂态地电压局部放电带电测试技术现场应用导则》，该导则有效地指导了国网公司所属企业开关柜暂态地电压带电检测工作的开展，但对于缺陷严重程度的判断仍有需改进之处。对于开关柜超声波、特高频局部放电带电检测，国内外暂无成熟的相关标准，只能参照国家电网公司颁布的应用于气体绝缘金属封闭开关设备的局部放电带电测试导则，Q/GDW 11059.1—2013《气体绝缘金属封闭开关设备局部放电带电测试技术现场应用导则第1部分:超声波法》及Q/GDW 11059.2—2013《气体绝缘金属封闭开关设备局部放电带电测试技术现场应用导则第2部分:特高频法》。因此，对于开关柜局部放电带电测试工作的推广、规范开展才刚起步，急需建立相应的标准体系。

2)技术手段方面。对于部分绝缘缺陷，如真空断路器真空度的检测仍缺乏有效的手段。

3)检测数据方面。带电检测技术的定量分析仍不能明确判断缺陷严重程度、有效地指导检修决策的制定。

2.1.1 暂态地电压检测技术

当开关柜发生局部放电时，放电电荷先聚集在与放电点相邻的接地金属部分，形成电流脉冲向各个方向传播。对于内部放电，放电电荷聚集在开关柜金属外壳的内表面，如果金属外壳是连续时无法在外部检测到放电信号。但实际上，金属外壳通常在绝缘部位、垫圈连接处、电缆绝缘终端等部位出现破损而导致不连续，高频信号就会传输到设备外层。放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传播出去，同时产生一个暂态电压，频率在(3～100 MHz)〔6〕。

实践经验表明，暂态地电压易受外部电磁干扰的影响，检测时应特别注意背景干扰的影响。由于其检测原理及各种局部放电典型缺陷的电信号特征，暂态地电压带电检测对悬浮放电、绝缘空穴(杂质)放电检测灵敏度较高，而对绝缘件表面爬电、绝缘间隙放电、尖端放电检测灵敏度较低。

目前，湖南省各单位均配置了该功能的局部放电检测仪器，应用较成熟，但常用的开关柜暂态地电压带电检测的仪器多以暂态地电压的绝对值呈现，测试时不能进行缺陷类型判断，从而给后续的检修决策、解体检查、检修带来不确定因素。因此，迫切需要研究暂态地电压带电检测缺陷类型诊断、识别技术及抗干扰技术。

2.1.2 超声波检测技术

超声波(声学)检测是基于探测局部放电所发出的机械信号。局部放电前，放电点周围的电场应力、介质应力、粒子力处于相对平衡状态。当介质发生局部放电时将发生快速的电荷释放、迁移过程，导致放电点周围的电场应力、机械应力与粒子力失去平衡状态而产生振荡变化过程；机械应力与粒子力的快速振荡，导致放电点周围介质的振动现象，从而产生声波信号，放电看起来像一次小的“爆炸”，它激励一机械波在绝缘体中传播。因此，当开关柜内部发生局部放电时会产生冲击振动及声音，且很快向四周介质传播，可以采集频带为20～ 100 kHz的超声信号来检测局部放电。由于超声波在固体设备中的传播速度较快，但也衰减得更快，为此超声波是很难穿透电力设备金属外壳，可用于具有开口或裂缝的检测。因此，对于10 kV开关柜的检测，可以选择散热孔、缝隙作为传感器放置点，离放电点越近，声音就越大，其超声信号就越强〔7〕。

开展开关柜超声波带电检测应使用非接触式传感器在开关柜缝隙中进行测试，测试人员测试时除密切观察测试数据外还应佩戴耳机侦听是否有异常声音。测到异常信号时可通过超声波信号的连续图谱、相位图谱、波形图谱、声音特征来判明局部放电类型。进行超声波测试时易受外部声音的干扰，测试时应无人员走动、说话、外部作业，当干扰信号影响到异常信号诊断时，应尽量排除现场的干扰源，比如排风扇旋转、施工机械摩擦、物体与壳体摩擦、邻近的带电导体放电干扰等。由于其检测原理及各种局部放电典型缺陷的超声特征，超声波带电检测对绝缘件表面爬电、绝缘间隙放电、尖端放电检测灵敏度较高，而对悬浮放电、绝缘空穴(杂质)放电检测灵敏度较低，除此以外，它还可检测开关柜部件高频振动缺陷产生的声信号。

目前，常用的超声波带电检测仪器有两种，一种是只能显示数值大小的普通型设备，价值较低，适用于运行巡视人员对开关柜开展大面积普测；另一种是具有连续图谱、相位图谱、波形图谱显示功能的诊断类设备，可以通过对图谱进行人为分析、判断缺陷类型的仪器，适用于专业检测人员开展精确检测。湖南省各单位的配置均以普通型为主，诊断型较少，因此迫切需要提高各单位的检测仪器配置水平，以提升检测、分析能力。

2.1.3 特高频检测技术

特高频放电检测是基于探测局部放电所发出的电磁波信号。局部放电过程中将产生很陡的脉冲电流，其快速上升时间小于1 ns，并向四周辐射出频率高达数GHz电磁波。电磁波的传播过程是有损耗的，传播途径的差异导致电磁波强度与放电强度之间复杂的比例关系；由于电磁波在气体设备中的传播速度较快，但也衰减得更快，由于金属对电磁波的屏蔽作用，所以很难穿透电力设备金属外壳，可用特高频传感器在开关柜的开口或裂缝处检测，如开关柜的观察窗、缝隙等处进行测试〔8〕。

实践经验表明，特高频检测技术可以有效避免现场的电晕干扰，主要因为现场的电晕干扰产生的电磁波在300 MHz以下，并且超高频检测技术具有较强的抗干扰能力和较高的灵敏度，可通过观察信号的PRPD、PRPS图谱实现局部放电缺陷类型识别。由于其检测原理及各种局部放电典型缺陷的电信号特征，特高频带电检测对悬浮放电、绝缘空穴(杂质)、绝缘件表面爬电、绝缘间隙放电检测灵敏度高，而对尖端放电检测灵敏度较低。

目前，特高频带电检测技术因其检测仪器价格昂贵，对检测人员的水平要求高，主要应用于气体绝缘金属封闭开关设备的局部放电带电测试，湖南省除国网湖南省电力公司电力科学研究院、省检修公司及少数几个单位外，均不具备该项技术测试能力。但开关柜带电检测的实际应用效果证明，该技术抗干扰性强，检测灵敏度高，缺陷精准定位相对简单，因此，应用于开关柜的局部放电带电检测将有大有可为。

2.1.4 高频电流检测技术

当电力设备内部发生局部放电时，高频放电电流会沿着接地线向大地传播。高频电流传感器法通过在接地线上安装高频电流传感器检测高频电流信号实现局部放电检测。高频电流一般使用Ro-gowski线圈方式，在环状磁芯上绕制导电线圈，高频电流穿过磁芯中心而引起的高频交变电磁场会在线圈上产生感应电压〔9〕。

由于开关柜外壳均与大地直接连接，属于多点接地系统，不便于开展高频电流局部放电带电检测，但可应用于开关柜引出电缆的局部放电检测。

2.2 局部放电源定位技术

检测到开关柜内部存在局部放电信号后，更重要的是对局部放电源进行定位，为根据结构判断缺陷严重程度提供指导，以做出准确的检修决策，提高检修的准确性、及时性、快速性。开关柜内部局部放电源定位根据检测原理主要分为暂态地电压定位(T—T)、特高频定位(U—U)、超声波定位(A—A)、高频定相(H—H)、声电联合定位(A—U)；根据检测方法主要分为幅值定位和时差定位。

2.2.1 暂态地电压定位(T—T)技术

1)幅值定位。采用单传感器测量多个开关柜的暂态地电压信号，根据幅值分布情况，局部放电源应位于放电幅值最大的柜体内。

2)时差定位。利用装设在金属柜体外表面上的多个TEV传感器所测量的信号到达时差，可以实现粗略的局部放电定位，定位于时差最小两个传感器之间的柜体。

3)由于暂态地电压在开关柜金属壳体的传播速度快，幅值衰减小，因此当局部放电信号强度较大时，容易在多面开关柜表面检测到暂态地电压均达到上限值，因此此方法定位相对较难，对于多放电源定位需采取其它定位技术。

2.2.2 超声波定位(A—A)技术

1)幅值定位。由于开关柜金属外壳对超声波具有阻隔作用，且超声波具有较强的方向性，随距离的作用衰减较大，因此当某面开关柜产生超声波信号时，很难在其它开关柜检测到超声波信，所以超声波的幅值定位很容易。

2)时差定位。超声波时差定位是根据电力设备内部产生局部放电的超声波传播方向和时间来确定放电位置的，常用的方法有V型曲线定位法、顺序定位法和双曲面定位法。对放电点准确定位，可利用空间几何方法，结合不同位置的超声传感器所测出的时延来计算局部放电位置。

3)其他定位。从现场应用情况来看，超声波幅值定位基本可确定放电源的大体物理位置，时差定位法定位精度较高，可实现厘米级定位，但由于其受传播路径的影响较大，信号波形起始沿难以辨别，其应用情况不如声电联合定位成熟。

2.2.3 特高频定位(U—U)技术

1)幅值定位。采用单传感器测量多个开关柜的特高频信号，根据幅值分布情况，局部放电源应位于放电幅值最大的柜体内。

2)时差定位。特高频定位一般采用时差法，根据电磁波传播速度和采用分辨率较高的示波器接受到统一电源的信号时间差来确定放电源的位置，从而实现放电点的准确定位。电电(U—U)联合定位时，要确保用于计算时延差的特高频信号来自同一个内部放电源，此时可以根据特高频时域信号的多周期图谱进行判断。如果从多周期图谱中可观测到两个特高频信号在每一周期内一一对应，说明来自同一个放电源。调节高速示波器的时间单位，观测特高频信号的时延差，再根据特高频信号在媒质中的传播速度和方向，采用如式(1)所示公式计算放电源位置〔10〕。

式中 L为距离放电源最近的两个传感器之间的距离；x为放电源距离检测到超前信号传感器的距离；Δt为两时域信号波头之间的时间差；c为电磁波传播速度，3×108m/s。

开关柜特高频定位通常还简化采用平分面法进行定位，通过移动两个传感器的位置进行检测(如图1中传感器A，B)，当两个传感器接收的信号幅值波形基本一致或信号到达时间相同时，可以确定放电点位于两传感器的垂直平分面上(如图1平面P1)；再通过移动两个传感器的检测位置确定平面P2，P3，得到P1，P2，P3三个平面的交点，确定放电点位置，如图所示〔11〕。

图1 平分面法定位图

3)受电磁波速度及测量精度影响，电电(U—U)联合定位的定位精度约在分米级，基本满足开关柜局放源定位的要求，可精确定位至开关柜内的某个元件，是现场时差定位应用最多的一种技术手段。

2.2.4 声电联合定位(A—U)技术

当能够同时检测到特高频及超声波信号时，可采用声电联合定位法对缺陷位置进行精确定位。进行声电定位时，也要确保用于计算时延差的特高频及超声波信号来自同一个内部放电源，此时可以根据特高频和超声波时域信号的多周期图谱进行判断。由于特高频信号传播速度远快于超声波信号传播速度，因此特高频传感器先于超声波传感器检测到局部放电信号，如果从多周期图谱中可观测到特高频信号和超声波信号在每一周期内一一对应，且特高频信号均超前对应的超声波信号，说明来自同一个放电源。调节高速示波器的时间单位，将多周期的特高频及超声波时域信号展开至微秒级，可清晰的看到超声波的起始沿，通过式(2)可精准计算放电点到超声波传感器的距离。

式中 x为放电源距离超声波传感器的距离；Δt为特高频与超声波信号波头之间的时间差；c为超声波在介质中的传播速度。

实践经验表明，声电联合定位(A—U)具有定位技术精度最高的特点，可达到厘米级。由于开关柜金属外壳对特高频、超声波信号的阻隔作用，该方法对于多放电源定位具有明显优势，但需同时检测到特高频、超声波信号。且对于是否是同一局部放电信号及放电信号起始沿的识别仍依赖于人为判断，对测试人员的技术水平要求较高。

2.2.5 高频电流定相(H—H)技术

实践经验表明，对于连接于开关柜上的电力电缆，通常当某一相电缆发生局部放电缺陷时，其它两相电缆也会耦合局部放电信号。此时，就需要在每一相电缆上布置一个高频电流传感器，根据三个传感器的信号幅值大小，相位关系来确定发生局部放电的缺陷相。

2.3 各种局部放电带电检测技术比较分析

开关柜内部件繁杂，结构复杂，电磁波、超声波信号由于金属的屏蔽，发生衰减，折反射，经多介质传播，所以单一的局部放电带电检测手段很难完成所有缺陷类型的识别、定位，须通过多种手段进行联合检测，才能有效发现内部的绝缘缺陷，精准定位。各种局部放电带电检测方法与缺陷类型检测灵敏度见表1，各定位方法定位精度见表2。

表1 各局部放电带电检测方法灵敏度对比

表2 局部放电带电检测定位精度对比

2.4 过热缺陷带电检测技术

当开关柜导流接触面发生接触不良缺陷时，在接触面将会产生局部热点，通过测量热点温度或测量热点向外辐射的能量，是电气设备测温普遍采用的方法。目前应用于开关柜过热缺陷带电检测主要有红外精确测温、红外窗口测温、无线测温等方法。

1)红外精确测温通过感测物体红外辐射能量进行测温，是一种非接触测量方法，具有远距离、不接触、实时、快速等特点，在高压电力设备的温度在线监测领域中得到越来越广泛的应用〔12〕。但由于开关柜过热缺陷均封闭于金属外壳中，热点热辐射经辐射或对流传导到金属外壳将会发生明显衰减，很难象测量其它敞开式设备热点进行准确判断，只能通过精确测温，分析开关柜金属外壳局部温度图像特征来推导内部过热情况，对结构复杂的开关柜，目前仍没有成熟模型通过外壳温度来准确判断内部热点温度。

2)红外窗口测温是通过在开关柜金属外壳安装能透过红外线的窗口来实现对开关柜内部热点的红外测温的方法，可以很好地解决不能直接测量热点温度的问题，但由于红外窗口改变了开关柜安全防护性能，由此可能带来人员安全风险。因此需开关柜生产厂家提供安装了红外测温窗口的开关柜安全防护性能报告。

3)无线测温是通过在开关柜内部各可能发生过热缺陷点安装测温传感器，然后通过无线传输至柜体外的接收装置上来实现热点温度的实时测量。该方法测温准确度高，安全。但由于安装在开关柜内的传感器将改变开关柜的电场结构及绝缘距离，可能造成设备故障。且无线测温装置的使用寿命及稳定性仍需解决。

2.5 机械缺陷带电检测技术

目前对于开关柜机械缺陷的带电检测技术仅限于对分、合闸线圈电流的监测，且应用尚不成熟，而对于开关柜内断路器机构卡涩、分(合)闸速度、弹跳次数(时间)、开距、同期不满足等问题仍缺乏有效的带电检测手段。

3 基于局部放电带电检测技术的开关柜检修决策

在开关柜带电检测中，测得局部放电信号的强度和局部放电的真实放电量、类型以及传播路径有关。由于局部放电类型和传播路径的复杂变化，以及检测信号强度和真实放电量之间的不确定关系，不能简单的由信号强度判断局部放电量或判断绝缘缺陷严重程度。缺陷严重程度应根据局部放电类型和放电源位置，对比历次特高频检测数据，结合超声波局部放电检测、运行工况等其它状态信息做出综合判断(如图2)。

图2 严重程度综合分析

综上所述，通过开关柜带电局部放电检测能够有效发现设备内部局部放电，对检测数据进行分析可以准确判断局部放电缺陷类型，通过定位技术可以对局部放电源进行精准定位，通过结合开关柜的内部结构、历史测试数据、运行工况、运行环境等因素综合分析，可以给出准确的检修决策，指导检修工作的开展，有效减少开关柜绝缘事故的发生，提高设备健康水平及供电可靠性。

4 结语

1)开关柜由于设计、材质、制造、工艺、安装、运行工况、运行环境等原因带来的绝缘、过热、机械等缺陷直接影响到设备的安全稳定运行。

2)对于开关柜内绝缘缺陷可通过多种局部放电带电检测有效检测、定位，各种局部放电带电检测技术对各种绝缘缺陷类型的灵敏度各有优缺点，开关柜局部放电带电检测技术仍需完善。

3)对于开关柜内的过热缺陷的带电检测手段仍需检测研究机构、开关柜生产厂家共同研究完善。

4)对于开关柜内机械缺陷的带电检测手段相对处于空白阶段。

5)综合带电检测结果及其它数据进行综合分析是提高检测决策准确性的重要工作。

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Introduction of on-line detection technology of AC metal closed switchgear

LI Gang1，DUAN Xiaoli2，YE Huisheng2，HE Zhiqiang2，LI Ting2，XIE Yaoheng2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The paper introduces major defects of AC metal closed switchgear and basic principles of several on-line detection technologies，and analyzes the application and development trend of on-line detection technologies for AC metal closed switchgear.Besides，this paper compares the technical characteristics of several on-line detection technology suited for AC metal closed switchgear.

AC metal closed switchgear；switch cabinet；on-line detection；infrared temperature measurement；partial discharge；transient earth voltage(TEV)；acoustic emission(AE)；ultra high frequency(UHF)

TM866

B

1008-0198(2016)02-0014-06

黎刚(1972)，男，高级工程师，主要从事电力系统设备研究、管理工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.003

2016-02-25