10 kV 架空配电线路超声波局部放电检测技术的应用

王光增，华献宏，彭 江，何红太，黄洁敏

（1.国网浙江浦江县供电有限公司，浙江 金华 322200；2.北京国网富达科技发展有限责任公司，北京 100070；3.国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江 金华 321017）

0 引言

10 kV 架空配电线路是配电网重要组成部分，是直接对用户供电的关键设备之一，其设备能否安全运行，直接关系到供电的可靠性。因此，做好10 kV 架空配电线路设备的运维检修工作尤为重要［1-3］。由于10 kV 架空配电线路电压等级相对电力主网较低、运行环境复杂、设备种类繁多、设备数量巨大且均安装在杆塔上，给带电检测技术开发和应用带来了困难，相对落后于主网设备的带电检测技术，长期以来10 kV 配电架空线路的带电检测只有红外测温法，在检查其导电回路是否存在接触不良的缺陷时，需要一定的负荷电流使接触不良部位发热才能发现缺陷［4］，运检效率低，运维水平不高。因此，有必要寻找一种新的带电检测技术，能快速有效发现10 kV 架空配电线路上常见的缺陷或隐患，以提高10 kV 架空配电线路设备巡检效率和运检水平。

研究超声波局部放电检测技术在10 kV 架空配电线路上的应用，结合实例证明超声波局部放电技术在10 kV 架空配电线路设备上应用是有效的。

1 局部放电声波产生的机理

10 kV 架空配电线路设备发生绝缘缺陷或导电回路接触不良等缺陷时，都将引起局部放电［5］。如架空绝缘导线穿过树枝时，在自然风的作用下树枝与绝缘导线不断摩擦，使绝缘层磨损，造成绝缘缺陷或隐患，大幅降低了绝缘导线对树枝的绝缘水平，磨损到一定程度时绝缘导线对树枝产生放电；又如当设备的导电回路接头接触面发生接触不良时，两个接触面之间也会产生放电。放电区域中的分子运动加剧，产生剧烈的撞击，从而在宏观上产生了一种压力，引起机械振动［6］，即局部放电时产生一系列的声脉冲而产生声波。声波的频率与绝缘介质、缺陷的类型相关，不同的绝缘介质和不同的缺陷产生的声波频率是不一样的，可从几十赫兹到几十兆赫兹，而且各种频率所占的分量也各不相同［7］。如裸导线对空气和绝缘导线对空气放电时所产生频率就有很大的区别，如图1 所示，裸电线声信号在频率为15 kHz处出现峰值，绝缘导线声信号在频率为45 kHz 和75 kHz 时出现峰值。

图1 裸线和绝缘线在空气中的放电频谱

2 10 kV 架空线路设备超声波局部放电检测原理

在配电网架空线路附近使用超声波局部放电检测仪，接收放电产生的超声波信号，进而判断电力设备的异常放电情况。超声波检测分为接触式检测方式和非接触式检测方式［8］，非接触式检测是直接捕捉空气中的超声波信号并对其进行检测［9］，其检测原理如图2 所示。架空配电线路的超声波检测属于非接触式检测。

图2 10 kV 架空线路超声波局部放电检测

超声波检测是通过传感器接收设备局部放电的信号，然后经过前置放大、滤波、放大、检波等环节，对声信号进行分析，判断是否发生了异常的局部放电［10］。

3 超声波局部放电检测条件与方法

3.1 检测环境

对10 kV 架空配电线路设备进行超声波局部放电检测工作应在无雨、雪、大雾、雷电等不良工况下进行，检测环境温度为-25～45 ℃，相对湿度为0～85%。配电线路应为带电正常运行状态（非单相接地运行）。

3.2 干扰源排除

在开始检测前，应尽可能排除干扰源的影响。常见干扰有各种车辆发出的声音、施工声、装修声、气割电焊声、高压水枪声、树叶声等。当出现较大噪音干扰时，应将接收器移至其他地方，避免噪音过大对接收器以及人耳的伤害，当检测过程中有干扰时，应延长检测时间以判断被检测设备是否有放电信号。当距离气割电焊以及高压水枪距离过近无法检测时，等待干扰源结束后再进行检测。

3.3 检测方法

按超声波局部放电检测原理，先在10 kV 架空配电线路杆塔的周围进行初步测试，将超声波信号接收器以50°左右的角度对准被测设备，发现有异常的放电超声波信号时，再进行精确检测，即在发现有异常的放电超声波信号位置前后左右再进行检测，检测到最大局部放电超声波信号后，记录其放电波形和幅值。同时，用高倍相机拍下缺陷设备的杆塔编号、杆塔全景、缺陷设备区域和缺陷设备局部的照片，并记录天气情况、温度、湿度及风力等。

4 检测案例

4.1 导电回路接触不良的检测

某柱上隔离开关的A 相接线线夹处存在接触不良的缺陷，如图3 所示。将该隔离开关接入10 kV 真型平台中运行，分别在负荷电流100 A 和200 A 运行工况下进行超声波局部放电检测，具体检测数据及波形详见表1。

图3 隔离开关接线接触不良

表1 隔离开关接线接触不良检测波形及数据表

从表1 超声波局部放电检测的数据可以发现，超声波检测到最大超声波信号基本不受负荷电流变化的影响，负荷电流由100 A 变化至200 A 时，最大超声波信号是一样的。红外测温法更依赖负荷电流的变化，只有故障点温升较大时才能检测到缺陷，不能及时发现缺陷，而超声波局部放电检测与温升没有直接关系，所以轻微的接触不良或接触不良在负荷电流较小时也能有效检测到局部放电引起的超声波信号，能及时发现导电回路接触不良的缺陷。

4.2 高压熔断器合闸不到位的检测

跌落式高压熔断器由于操作不到位或者设备老旧等原因，引起跌落式高压熔断器合闸不到位的缺陷时有发生，如图4 所示，严重影响设备的安全运行。对其进行超声波局部放电检测，检测数据最大值为15 dB，如图5 所示。测试环境为晴天，环境温度为37.2 ℃，湿度为52.7%。负荷电流为22 A，由于负荷电流比较小，故障相温度与另外两相比没有明显温升（从左到右3 相温度分别为46 ℃、49 ℃、47 ℃），超声波局部放电检测，能有效发现高压跌落式熔断器合闸不到位的缺陷。

图4 高压熔断器合闸不到位（中间相）

图5 高压熔断器合不到位放电信号波形

4.3 绝缘导线对树枝放电的检测

在10 kV 架空绝缘导线运行环境中，常见绝缘导线穿过树枝运行，由于自然风等因素，树枝与绝缘导线经常发生摩擦，导线绝缘层磨损，引起绝缘导线对树枝放电，如图6 所示。对其进行超声波局部放电检测，检测结果如图7 所示，放电信号最大值为14 dB。

4.4 电缆头引线不同相间放电的检测

在10 kV 架空配电线路设备中，常见两条支线电缆接在同一条主线的接线端子上，两条电缆头引线交叉时靠得很近，当引线绝缘老化时不同相的电缆引线在天气比较差、湿度较大时就会发生局部的放电，如图8 所示。采用超声波局部放电仪在不同环境下对其进行检测，结果如图9 所示。图9（a）检测环境为雨后阴天，环境温度为28.1 ℃，湿度为76.2%，此时负荷电流为23～26 A，放电信号最大值为8 dB；图9（b）检测环境为晴天，环境温度为23.5 ℃，湿度为43.6%，负荷电流为24～25 A，此时未检测到放电信号。由此可以看出超声波局部放电检测时与天气、湿度密切相关。

图6 绝缘导线对树枝放电

图7 绝缘导线被树枝磨损放电信号波形

图8 电缆头引线不同相间放电

图9 电缆头引线不同相间放电信号波形

4.5 绝缘子裂纹放电检测

在10 kV 架空配电线路设备中，由于绝缘子劣化或受外力破坏，导致绝缘子产生裂纹，如图10 所示，这也是10 kV 架空配电线路设备中常见的缺陷。对其进行局部放电检测，检测结果如图11 所示，放电信号最大值为5 dB。

4.6 绝缘子污秽放电检测

10 kV 架空配电线路设备由于受环境的污染，常出现绝缘子表面污秽严重的缺陷，如图12 所示。对其进行局部放电检测，检测结果如图13 所示，放电信号最大值为5dB。

图12 绝缘子污秽放电

图13 绝缘子污秽放电信号波形

5 结语

通过对在10 kV 架空配电线路设备上采用超声波局部放电检测技术，能有效发现导电回路接触不良、高压熔断器合不到位、绝缘导线穿过树木时绝缘导线绝缘层被树枝磨损、电缆头交叉时不同相之间绝缘不良引起的异常放电、绝缘污秽和裂纹等缺陷或隐患。

超声波局部放电检测原理与红外测温的检测原理不同，超声波局部放电检测主要是跟两个接触面的放电有关，与负荷电流大小没有强关联关系，即与线路设备接头的温度没有直接关联关系。因此，当回路负荷电流较小时，接头温度没有明显上升，只要存在导电回路接触不良状况，就能检测到放电信号，从而发现导电回路接触不良隐患。而红外测温主要是跟温度有关，当回路负荷电流较小接头温度没有明显上升时，则无法发现电回路接触不良的隐患。

由于超声波局部放电检测的速度比红外测温快，同时还能发现其他类型的缺陷或隐患。因此当采用超声波局部放电检测发现导电回路接触不良隐患后，再用红外测温进行测量，综合分析后，再决策排除缺陷或隐患的时机，能显著提高带电检测的工作效率。

超声波局部放电检测结果对天气、湿度等环境敏感。由于10 kV 架空配电线路设备的绝缘故障发生在天气差时概率较高，为及时发现缺陷，防止出现因天气差引起的配电网设备故障，建议在阴天、湿度较高的环境条件下开展超声波局部放电检测。