配网开关柜的超声波局部放电和暂态地电压联合分析方法

尹志贵

（国网怀化市供电公司，湖南 怀化 418000）

0 引言

开关柜设备的绝缘性能在很大程度上决定了开关柜的可靠性，绝缘性能的好坏又在一定程度上取决于局部放电的发展趋势。对开关柜而言，以往的局部放电检测过于简单且不可靠，大都依靠运检人员通过目视、耳听、验电等方式发现局部放电点，往往难以找到隐患点，发现时局部放电点已发展为严重状态。相比于传统巡检和停电检测，局部放电带电检测技术能在设备运行状态下发现早期局部放电隐患点，因此具有显著优势。配网开关柜局部放电检测主要采用暂态地电压 （Transient Ground Voltage，TEV）与超声波技术，以往的带电检测往往检测手段单一，未能将两者结合使用，单独使用一种技术往往不能全面发现问题［1］。将两者配合联合使用，能够弥补相互间的缺点，从而可全面排查局部放电隐患，达到预期的检测效果。

1 开关柜局部放电检测技术

若设备初期局部放电隐患长期不进行处理，会进一步发展成严重缺陷，从而造成更大的危害，如绝缘水平下降从而导致薄弱点击穿等。开关柜在配电网中处于中转站位置，配电网的供电可靠性决定于开关柜运行状态，其在配电网中占据着十分重要的地位。开关柜的运行受气候潮湿等环境因素的影响，进而影响开关柜的内部绝缘状态，统计发现某地区配电网开关柜设备各类故障有如下规律：机械故障占23.3%，绝缘故障占47.3%，温升故障占10.9%，其他故障占18.5%，所以，故障发生多与绝缘性能劣化有关。而局部放电现象是导致开关柜设备发生绝缘劣化的主要原因，为进一步降低绝缘故障发生率，引入开关柜带电检测技术提高局部放电检测水平。

1.1 TEV检测技术

开关柜发生局部放电时，所释放的电量通常聚集在局放点附近的接地金属上，并产生朝多个方向传播的电磁波，电量聚集点与局部放电位置有关，当发生内部放电时，聚集点在柜体接地屏蔽内部，一般发生在绝缘体和垫圈的缝隙之间，电量聚集产生的电压可能会损坏电缆终端等处的屏蔽层，高频电磁波进一步会向设备外部空间传播［1］，同时通过开关柜体接缝以及断路器开关等位置传输至外部，从而在金属外表面产生暂态电压，产生机理如图1所示。

图1 暂态地电压信号产生机理

暂态地电压信号不仅与局部放电量有关，局部放电发生点位置、发散路径及开关柜体结构和表面断口、缝隙大小的影响，实际测量受现场电压设备的电压大小、测量位置等因素影响，通过TEV测量技术可获取各类电气设备的局部放电量，从而可对局部放电情况进行分析。高压开关柜发生局部放电时，产生的暂态地电压幅值一般在1 mV～1 V之间。暂态地电压检测以电压为基准，通常以dBmV为单位进行测量［2］，相关表达式为

式中：U为暂态地电压度量值，dBmV；Um为暂态地电压测量值，mV。

TEV检测方法测量方便，可在带电条件下进行检测，具有较强的适应性，且检测灵活，对特殊局部放电类型具有很大的灵敏度，抗外部干扰能力强，可高效定位故障点和采集故障点数据［3-4］，方便检测人员后续对故障类型进行判断和分析。

1.2 超声波检测技术

配网开关柜设备内部产生局部放电时，会产生冲击的振动和声波，其中，超声波传播速度较快，可迅速将信号发射至周边介质空间，其频谱较宽，可达数兆赫兹［5］，通过超声波检测仪可对放电超声波信号接收、识别，并发现和定位可能存在的局部放电隐患。超声波传感器能够准确测量超声波信号和信号间的时差，可通过时差和声波传播速度计算放置点和柜体局放点的距离［6］。

2 10 kV配网开关柜局放联合带电检测应用方法

TEV检测与超声波检测特点比较如表1所示。由表1可知，以TEV检测与超声波检测为基础的联合分析方法可有效检测开关柜设备局部放电，利用两者的优势互补性，可全面检测故障，一般先进行TEV暂态地电压初步检测，后进行超声波深度检测判断故障发生点，可通过横向比较和纵向比较的方法对记录的数据和图谱进行分析，最终确定故障发生的可能性。当确定故障类型和故障点后，可视局部放电的严重程度对故障点进行开箱检查，对绝缘薄弱点进行处理，避免设备局部放电再次发生，其检测流程如图2所示。

图2 开关柜声电联合分析流程

表1 TEV和超声波检测特点比较

3 实际应用及分析

3.1 故障检测

10 kV开关柜，2009年9月出厂，2009年12月投入运行。2018年11月14日，运检人员在对开关柜进行例行检查时，发现柜体附近有异常声响，随后对配网开关柜进行局部放电检测，发现柜内304开关柜间隔暂态地电压波检测数值明显偏大，后采用非接触式超声波检测仪在问题柜间隔缝隙处进行检测，检测结果如表2所示，TEV检测图谱、超声波分别如图3，4所示。

表2 问题开关柜带电检测数值表 dB

3.2 故障分析

由表2可知，横向比较该开关柜开关间隔的TEV测量值可发现，其304开关柜的测量值明显高于其他开关柜，且柜体中、下部与其他柜体和背景值偏差均达到20 dB以上，其中部TEV最高值高达51 dB，如图3所示，可初步判断304开关柜可能存在局部放电，且位置在中下部。借助该柜体后中部位置的超声波相位图谱，如图4所示，分析可知，该疑似局部放电类型为沿面放电。根据表3的判别标准，该局部放电等级为异常缺陷，需进行停电开柜检查，做进一步确认。

图3 TEV实时检测

图4 超声波检测图谱

表3 配网开关柜局部放电判别标准

3.3 停电检查

对304开关柜停电后进行外观检查，通过柜体下部的窗口观察，发现其内部有较多水珠，柜体受潮严重，检查发现，B相高压电缆头区域有多处发黑点，如图4所示，检查电缆发生黑点的交联聚乙烯绝缘层，无明显击穿痕迹和贯穿性击穿通道。对B相电缆做串联谐振耐压试验，试验电压为25 kV，试验时间5分钟，耐压试验合格，断定电缆内绝缘层无击穿或放电通道，绝缘性能良好。进过进一步检查发现，放电点均为水珠状痕迹，B相电缆外冷缩套上有大量水滴，判断是柜体长期受潮使得其绝缘水平降低，导致其发生沿面放电。因此，304开关柜局部放电是由于柜体长期受潮导致的沿面放电，与局部放电检测结果一致。同时观察柜体铭牌，发现其防护等级为IP3X，说明柜体无防潮能力，需加装防潮设施。

图5 开关柜停电后外观检查结果

4 结语

配网开关柜应用局部放电带电检测可防潜伏性放电隐患于未然，事实证明，采用超声波技术及TEV技术进行高压开关柜放电检测，能够收到预期的检测效果，较普通检测技术有着显著的优势，能够全面提高检测效率，而且测试效果也更为快捷、准确。这两项技术的应用能够为开关柜设备的状态检修创造有利条件，提供科学的数据支持，从而实现开关柜长久、安全地运行。运检人员应根据开关柜实际运行情况，采取具有针对性的检测手段和分析方法对局放问题做出判断，以满足日趋复杂的设备运行环境对检测技术和分析方法提出的故障控制需求。