一起10kV开关柜内部放电的诊断与分析

艾 军，余 炜，吴灵芝

（国网江西省电力有限公司鹰潭供电分公司，江西 鹰潭 335000）

0 引言

国家电网公司在2007年提出，在公司内部全面推进电网设备状态检修管理，把设备运行状态管理作为状态检修体系的重点工作[1]。带电检测作为状态检修的主要技术手段，被广泛的应用于开关柜局部放电隐患排查工作。随着我国经济的不断增长，社会的用电量也随之不断增加，在变电站的配电和电能转换功能中，开关柜起到开合、控制和保护用电设备的作用，开关柜的安全稳定运行对电力系统的供电可靠性起着重要的作用。与变电站的室外间隔相比，开关柜具有结构紧凑、占地面积小的优点，但同时也暴露出内部结构复杂、散热性能差等问题，且长期工作环境处于高温、高压、潮湿状态，造成开关柜内绝缘受潮、沿面放电和电晕放电等局部放电现象。经统计，因柜内设备绝缘损坏造成的故障率达开关柜总故障的40%[2]。

开关柜的绝缘设备从异常到最终发展成故障，需要经历一个放电过程。因此通过加强带电检测工作，有利于及时发现柜内的潜伏性放电隐患。

1 开关柜局部放电检测技术

目前，开关柜局部放电检测技术已日渐成熟，其检测手段主要包括特高频法、超声波法、暂态地电压法。因为开关室内环境复杂、干扰较多，需要结合多种检测方法，综合判断柜内放电类型和部位。局部放电检测为带电短时间内检测，有别于长期连续的在线监测，是发现设备潜伏性运行隐患的有效手段，是电力设备安全、稳定运行的重要保障[3]。

1.1 超声波检测技术

超声波是指振动频率大于20 kHz的声波，频率高、波长短，在一定距离内沿直线传播，具有良好的束射性和方向性。超声波检测法分为接触式和非接触式，开关柜带电局放检测主要采用非接触式检测法，即在开关柜金属外壳的缝隙处对空气中的声波进行检测，传感器频响宽度一般为35～45kHz。因为该检测方法与电气设备的电气回路没有直接联系，不会受到电气方面的干扰，但容易受高压室内环境噪声或设备机械振动的影响[4]。超声波检测模式分为连续检测模式、相位检测模式、脉冲检测模式、时域波形检测模式、特征指数检测模式。

1.2 暂态地电压检测技术

开关柜发生局部放电产生电磁波，电磁波在金属壁形成趋肤效应，并向开关柜表面各个方向传播，同时在金属表面产生暂态地电压，金属柜体表面产生的暂态地电压与局部放电量、放电位置、传播途径有关。利用专用的传感器对暂态地电压信号进行检测，从而判断开关柜内部的局部放电故障，同时还可以根据暂态地电压信号到达不同传感器的时间差或幅值对比进行局部放电源定位[5]。暂态地电压检测技术对尖端放电模型、电晕放电模型、绝缘子内部缺陷模型敏感，对沿面放电模型、绝缘子表面放电模型不敏感。

1.3 特高频局部放电检测技术

特高频检测法通过特高频传感器测量放电脉冲所激发的特高频电磁波，这种电磁波的频率高达数GHZ，特高频法检测频段一般在300 MHz-3 GHz之间[6]。开关柜一般使用外置式特高频传感器在缝隙或者观察窗的位置进行检测。特高频检测法具有检测灵敏度高、现场抗低频电晕干扰能力强、可实现局部放电源定位、便于识别绝缘缺陷类型等优点，但同时也容易受环境中特高频电磁干扰的影响，因为在特高频检测频率范围内可能存在手机信号、雷达信号、电机碳刷火花等电磁干扰信号，这些干扰信号可能会影响特高频检测的准确性，并且尚未实现缺陷劣化程度的量化描述。

2 10kV开关柜放电检测

2.1 超声波检测情况

2017年11月9日 ，采用PDS-T90型局放测试仪对某110 kV变电站10 kV开关柜进行超声波局放检测，背景噪声超声波周期最大值为-10 dB，50 Hz相关性和100 Hz相关性为0。检测到10 kV 924开关柜后下电缆室能听到明显的放电声，超声波信号异常。离924开关柜电缆室越远信号幅值越小，呈明显衰减趋势。924开关柜超声波检测连续图谱如图1所示，周期最大值22 dB，50 Hz相关性较强，100 Hz相关性较弱。幅值最大点的位置示意图如图2所示。

图1 超声波检测连续图谱

图2 超声波检测幅值最大处

然后采用波形和相位模式进行检测，其相应图谱如图3、图4所示。

图3 超声波检测波形图谱

图4 超声波检测相位图谱

2.2 暂态地电压检测情况

通过对10 kV 924开关柜及其相邻开关柜进行暂态地电压检测，背景幅值为9 dB，暂态地电压测试数据如表1所示，检测结果表明，10 kV 924开关柜及其相邻开关柜测试数据变化不大，与背景值差值在0-5 dB之间，未发现任何地电压异常信号。

表1 暂态地电压检测数据

2.3 综合分析

本次采用了超声波、暂态地电压、特高频三种检测方法对开关柜进行局部放电检测，因特高频检测法没有检测到明显的特征图谱，故本文中没有列出特高频局放测试图谱。根据超声波和暂态地电压检测结果，初步判断924开关柜后下电缆室存在沿面放电。

3 开关柜停电检查及分析处理

3.1 停电检查情况

对10 kV 924开关柜进行停电检查，打开后柜门发现B相电缆外绝缘因放电有明显残缺凹陷，并有碳化痕迹，如图5、图6所示。从现场的情况初步判断，出线电缆ABC三相距离太近，电缆表面积尘较厚，且最近天气以阴、雨天为主，开关柜密封不严导致室内湿气进入柜内，并在电缆表面凝结成水珠。在高电压的持续作用下，最终造成电缆表面沿面放电。

图5 开关柜电缆室图片

图6 有明显放电痕迹的电缆

3.2 原因分析

凝露会对设备绝缘性能造成很大的损害，而开关柜内的温度和湿度对凝露的形成起着决定性作用，正常情况下开关柜内湿度应该控制在30%～60%之间。10～11月，本地区以阴、雨天气为主，高压室内的湿度超过了80%，老式的开关柜密封效果差，水汽进入开关柜中，在电缆表面凝结成结晶水，引起沿面放电，另外水汽在柜内强电磁场以及电缆尖端放电过程中被电解成氢离子跟氧离子，氧离子在化学反应的作用下与氧气生成臭氧，致使开关柜内的绝缘设备处于臭氧环境中，致使设备绝缘性能进一步下降。

3.3 缺陷处理

抢修人员将B相电缆头拆掉，重新制作了一个新的电缆头（图7所示），同时采用热缩绝缘护套对ABC三相电缆进行加固处理，恢复正常送电30 min后再对该开关柜进行局放检测，测试结果显示正常，放电现象消失。

图7 更换后的电缆室照片

4 开关柜放电预防措施

4.1 隔离防潮

采取有效措施，防止并及时排出电缆沟内积水，在电缆进入开关柜的孔洞处使用阻燃材料进行严密的封堵，以防沟内水汽进入开关柜内。在高压室内安装除湿装置，如除湿机、空调、排风机等其他有效手段，使高压室内的湿度控制合理的范围内，同时还可以在开关柜内放置硅胶干燥剂，并及时予以更换。

4.2 采用新工艺和新材料

根据变电站所处的地质和气候条件，在设计阶段，可以适当提升高压室的地基标高，地面基础越高，对阻止地下水和水蒸气进入电缆沟的效果就越明显，从而达到控制开关柜内湿度的目的。提高开关柜外壳的隔热性能，柜内凝露往往是因为柜内外温差所致，可以通过改善柜体外壳的隔热性能来减小内外温差，从而有效地降低凝露形成的概率。同时还可以在电缆孔洞处使用绝热材料。

4.3 加强运维管理

运维人员应定期对开关柜进行局放检测，并结合天气情况，在多雨、空气湿度大的季节增加检测频率，以期尽早发现开关柜内的潜伏性放电隐患，同时对发现有放电隐患的开关柜制定针对性处理措施。开展逢停必扫工作，利用设备停电检修的机会，及时清除柜内设备表面附着的积尘，同时在绝缘挡板上补涂防污闪涂料或将其进行更换，及时恢复设备的外绝缘，防止设备间发生放电故障。

5 结束语

我省每年在夏季时候出现用电高峰，且处于多雨季节，空气湿度大，开关柜容易受环境影响受潮，导致开关柜发生绝缘故障频率增大。因此，应从设计、安装以及运维等环节入手，采取有效措施解决开关柜防潮问题，同时还应加强局部放电带电检测工作，及早发现柜内早期放电缺陷，从源头上消除隐患，为电网的安全稳定运行保驾护航。

参考文献：

[1]国家电网公司运维检修部.电网设备带电检测技术[M].北京：中国电力出版社，2014.

[2]黄诗敏.10 kV开关柜局部放电带电检测技术应用与仿真分析研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[3]李军浩，韩旭涛，刘泽辉，等.电气设备局部放电检测技术述评[J].高电压技术，2015，41（8）∶2583-2601.

[4]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[S].

[5]冯波，肖代波，李毅，等.暂态地电压和超声法用于开关柜不同湿度PD检测研究[J].高压电气，2015，51（4）∶67-71.

[6]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2部分特高频法[S].