联合局部放电检测技术在开关柜上应用

张　勇，吴鹤民，盛亚伟，龚绍文，钟华春

（国网江西省电力有限公司赣西供电分公司，江西　新余　338000）

0　引言

目前，金属封闭开关柜广泛应用于电力系统6 kV、10 kV、35 kV电压等级供电系统中，但长期运行导致绝缘劣化会降低开关柜内设备的电气性能，严重时会引起开关柜爆炸[1-4]。因此，对开关柜开展各种试验和检测具有十分重要的意义。传统的停电例行试验是发现设备绝缘缺陷的有效手段，但存在试验周期长、对设备潜伏性缺陷觉察灵敏度不高、不宜灵活安排检测周期进而难以跟踪缺陷的发展趋势的弊端。针对传统例行试验存在的弊端，开关柜带电检测技术应运而生。目前，开关柜主要的带电检测技术有超声波检测法、暂态地电压检测法、特高频检测法、脉冲电流检测法、射频检测法等。然而，由于开关柜封闭于金属壳体内，检测设备传感器难以深入开关柜设备内，难以排除环境中各种振动信号、电磁信号的干扰，因此单一的检测方法对开关柜不同局放类型检测具有一定的局限性，不能全面、客观、真实地反映开关柜的故障状况。综上所述，开展开关柜多种技术联合互补的检测方法显得尤为重要。

1　开关柜局部放电检测技术

1.1　超声波检测技术

局部放电是一种电荷的快速释放或迁移过程，导致放电周围的电场应力、机械应力和粒子力失去平衡而产生振荡变化，机械应力和粒子力的快速振荡导致放电点周围介质的振动，从而产生声波信号。超声波检测法就是利用检测仪接受局放释放的超声信号来判断放电。其特点是传感器与电力设备的电气回路无任何联系，不受电气方面的干扰，但在现场使用时易受周围环境噪声或设备机械振动的影响[1]。

1.2　暂态地电压检测技术

当配电设备发生局部放电现象时，带电粒子会快速地由带电体向接地的非带电体快速迁移，如配电设备的柜体，并在非带电体上产生高频电流行波，且以光速向各个方向快速传播[1]。受集肤效应的影响，电流行波往往仅集中在金属柜体的内表面，而不会直接穿透金属柜体。但是，当电流行波遇到不连续的金属断开或绝缘连接处时，电流行波会由金属柜体的内表面转移到外表面，并以电磁波形式向自由空间传播，且在金属柜体外表面产生暂态地电压，而该电压可用专门设计的暂态地电压传感器进行检测。具体如图1所示：

图1　暂态地电压信号的产生机理示意图

1.3　特高频检测技术

特高频检测法的基本原理是通过特高频传感器对电力设备中局部放电时产生的特高频电磁波信号（0.3 GHz～3 GHz）进行检测，获得局放信号的幅值、相位等相关信息[1]。受封闭开关柜的屏蔽，特高频信号只能从柜子缝隙或观察孔传出，类似于超声波法，利用非接触外置式传感器在柜体孔隙处检测。特高频检测法具有较高的灵敏度和抗干扰能力，利用波形特征可识别缺陷类型，同时可实现基于电磁波时差测量的放电定位，有效区分设备内部的局部放电和设备附近的放电型干扰。

UHF方法通过提高信号传感的频段以避开干扰信号，从而提高局部放电检测的抗干扰能力。然而，可能存在一些开关柜放电缺陷的类型，其局部放电信号的频段不能够到达UHF频段，从而限制了检测灵敏度。

1.4　三种检测技术的对比

TEV、AE、UHF三种检测技术的对比如表1所示。

表1　TEV、AE、UHF三种检测技术的对比

2　联合检测技术

现阶段，暂态地电压检测技术和超声波检测技术被广泛应用于我国电力系统局部放电检测，但基本都是作为单一的一种检测技术分别应用，两种检测技术都存在局限性，无法客观的反映其真实状况，甚至可能出现错误的判断。实际上，放电类型不同，那么能量释放形式也有所区别，此两种检测方法各有优劣，在实用性和灵敏度方面都有所差异。所以，应当针对放电类型的特点采用不同的检测方法，而且不能简单的只采用其中一种检测方法，将二者结合起来将具有更大的应用范围。基于此，结合开关柜局部放电检测技术的特点，以超声波检测技术为主，以TEV检测技术、特高频检测技术为辅，有效的将多种检测技术相结合在一起。开关柜局部放电联合检测流程如图2所示：

图2　开关柜局部放电联合检测流程

3　开关柜局部放电联合检测案例

2017年7月21日，对某110 kV变电站高压室开关柜进行超声波局放测试及暂态地电压测试，检测至10 kV孵化园线914开关柜后下电缆室时，有异常声音，疑似存在局部放电缺陷。

3.1　超声波检测

在对10 kV高压室进行超声波局放带电检测时，发现10 kV孵化园线914开关柜后下部存在明显的放电声响，初步判断存在异常信号。

通过超声波检测仪发现10 kV孵化园线914开关柜后下电缆室的超声波幅值达11 dB，如表2所示。超声波空气背景幅值为-10 dB，相差21 dB，进一步判断存在异常。

表2　914开关柜与邻近开关柜超声波检测数据对比dB

通过超声波检测仪对所发现疑似存在放电的部位采用AE幅值图谱、相位图谱、波形图谱进行图谱检测，如图3-5所示。由图可以看出，放电信号强度较大，相位上分布在一个工频周期内两簇放电脉冲，呈现多点放电特征，放电信号强度较弱且相位分布较宽，图谱特征与沿面放电吻合。

图3　AE相位图谱

图4　AE幅值图谱

图5　AE波形图谱

3.2　暂态地电压验证

采用PMDT-PDetector局部放电仪进行暂态地电压局部放电测试。暂态地电压空气金属背景幅值为6 dB（将手车推至开关室内远离开关柜的位置，将传感器贴紧手车金属板进行测试）、接地金属背景为7 dB（测点位置：关闭的高压室接地金属门内侧）。对高压室中该开关柜及邻近开关柜的暂态地电压检测结果做出横向比较，如表3所示：

表3　914开关柜与邻近开关柜TEV检测数据对比dB

由表3横向对比可以看出，914开关柜在后下部地电波检测幅值较临近侧开关柜要高，依据《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》（Q/GDW 11060-2013），若设备上测得的信号绝对值≥20 dB，或者当背景信号稳定的情况下，设备上测得的信号≥背景信号15 dB，则认为设备中可能存在有害的局部放电。因此，判断914开关柜内部有可能存在局部放电，验证了超声波检测结果。

3.3　特高频检测验证

采用PDS-T35型局放测试仪进行特高频检测，为了抑制空气背景干扰，测试仪器选择高通滤波器，检测频带为1 100~1 500 MHz。空气背景干扰信号如图6所示。对测点检测的特高频PRPD及PRPS图谱如图7所示。特高频检测幅值为58 dB，从特高频图谱看出空气背景特高频信号在一个工频周期内有两簇脉冲，914开关柜特高频信号在一个工频周期内有四簇脉冲，新增两簇信号幅值较分散，相位稳定。特高频检测进一步验证了914开关柜存在放电。

图6　空气背景信号图

图7　测点PRPD及PRPS图谱

3.4　停电检查验证

2017年8月24日上午10点30分，对10 kV孵化园线914开关柜停电检查，拍摄电缆室三相电缆头照片如图7所示。经检查发现C相电缆头外绝缘护套受损，具有明显的放电痕迹。

图8　10 kV孵化园线914开关柜停电电缆室检查照片

3.5　原因分析及防范措施

导致该开关柜电缆出现局部放电是由于在安装过程中电缆绝缘护套受拉拽等因素造成损伤，加之开关柜内运行条件较为潮湿所致。为杜绝此类电缆缺陷问题的发生，主要防范措施有：1）加强电缆的验收环节的控制，杜绝设计上存在的缺陷；此外，积极开展电缆头制作、安装等方面的技能培训，杜绝安装后存在电缆相间、电缆与金属导电体之间绝缘距离不足的安全隐患；2）在电缆表面可安装应力管、热缩套管改善其表面电磁的分布；3）对于湿度较大运行条件下的开关柜，应在高压室安装除湿器，对于特别潮湿条件的开关柜，建议在开关柜内安装自动除湿装置。

4　结束语

本文将多技术联合检测应用到开关柜的局部放电检测中，通过案例证明，TEV、AE和UHF联合检测是开关柜局部放电检测的有效方法，说明了开关柜局部放电检测多种检测方法联合检测的可行性和互补性。TEV、AE和UHF多种检测方法的开关柜局放综合诊断提供了现场应用基础，同时也为高压开关柜的状态检修决策提供参考。