高压开关柜局部放电联合定位带电检测技术

杨京渝，彭 丽*，朱 仁，邓力凡，彭桥清

(1. 湖南城市学院 机械与电气工程学院，湖南 益阳 413000； 2. 国网湖南省电力有限公司 湘西供电分公司，湖南 吉首 416000)

12～40.5 kV 金属封闭开关柜成套设备在各变电站被广泛使用，它是电力用户与电网联系的枢纽，其安全稳定运行对电力用户的供电可靠性具有举足轻重的作用[1-2].高压室一般没有有效的环境控制措施，室外灰尘和潮气通过通风口进入室内，造成开关柜绝缘隔板和热缩护套脏污、受潮，导致绝缘强度降低；设备因在电、热和化学等其他异常工况下长期运行而造成绝缘劣化，也易发生局部放电、闪络和绝缘击穿等故障[3-4].

在对供电可靠性要求逐步提高的背景下，以往的巡视模式已难以满足及时掌握设备隐患的要求.随着科技水平和检测技术的不断发展，以及带电检测技术的范围和精度的不断提升，应用于12～40.5 kV 高压开关柜设备带电检测的手段也逐渐变多[5].目前，开关柜设备局部放电(PD)的检测方法主要分为电检测法和非电检测法2 大类， 其中电检测法应用较为广泛的是暂态地电压检测(TEV)、射频检测和特高频局放检测(UHF)[6]；非电检测法主要有红外测温和超声波局放检测[7].

高压开关柜局部放电的各种检测方法都有各自的优缺点.电检测法：暂态地电压能检测出绝缘内部放电，但判据单一，检测结果不可靠，只在内部放电较严重时，才具有较高的灵敏度；射频检测法信号信噪比高，除了能定性地检测到局部放电，还能定量地检测放电强度，但该方法易丢失信号，不利于模式识别；特高频局放具有抗干扰能力强、灵敏度和准确性高，能利用波形特征识别放电类型等优点，但该方法成本较高，整个体系还有待完善，而且难于定量描述放电的严重程度.非电检测法：红外测温不受电信号干扰，技术简单且成本较低，但其存在准确性差和灵敏度低等缺点；超声波局放检测对悬浮和尖端放电等类型具有较高的灵敏度且定位精度较高，但其易受背景电磁干扰影响[8-10].

综合上述分析可知，以上带电检测技术是分别从不同的角度提前发现开关柜内设备存在的潜伏性隐患，而设备故障的发生通常伴随着多种故障特征信息的产生，单一的检测手段很难准确判断故障的位置和原因.因此，联合多种带电检测技术来诊断开关柜局部放电缺陷的新思路具有较大的现实意义.

1 局部放电检测原理

1.1 暂态地电压检测

高压开关柜的电气设备发生局部放电时，会产生电磁波，电磁波信号将会沿着柜体的金属板向四周传播，当信号到达柜体某一缝隙处时，则会传至外部空间，并在柜体外壳上感应出一个暂态对地电压信号；以暂态地电压传感器紧贴柜体时即可接收该电压信号，从而得到内部设备的局部放电信息[11].

1.2 超声波局放检测

电气设备发生局部放电时，除了自身会产生冲击的振动和声音外，在放电瞬间释放的能量还会使周围的介质加热而导致分子间产生剧烈的撞击，从而产生声波；利用超声波传感器接收该声波信号并转换为电信号，据此可对局部放电进行测量和定位[12-13].

1.3 特高频局放检测

电气设备发生局部放电时，它的击穿过程持续时间很短，放电点的电荷迅速转移形成上升时间小于1 ns 的脉冲电流[14].根据电磁辐射原理，如此窄的电流脉冲能够激发出数量级为GHz 的特高频电磁波.特高频局放检测技术即是用特高频传感器接收300 MHz～3 GHz 的电磁波信号，通过滤波、放大和检波等途径对设备的局部放电情况进行评估.

2 联合检测技术

从检测灵敏度、抗干扰能力、定位精度和衰减程度等方面进行衡量，超声波局放、暂态地电压和特高频局放检测技术均有各自的特点.因此，单一的检测技术会存在局限性，大多数情况下无法客观真实地反映其放电类型、放电部位和严重程度[15]，甚至可能存在误判.从超声波局放、暂态地电压和特高频局放3 种检测技术的优缺点可知，三者具有一定的互补性.如果将三者有机结合起来进行联合检测，则可实现优势互补，可全方位采集现场数据，准确掌握设备状态，具有更大的应用范围.因此，在开关柜带电检测中可以暂态地电压和超声波检测为主、特高频检测为辅的联合检测技术.联合检测流程如图1 所示.

图1 联合检测流程

3 联合检测案例分析

3.1 案例

2020 年1 月，对某110 kV 变电站进行带电检测，通过特高频局放检测发现，10 kV 开关柜存在局放异常现象.当时的运行工况如下：变电站10 kV 母联300 开关柜处于热备用状态；相邻母联3001 隔离开关柜和#2 主变320 开关柜处于运行状态；3001 连接至300 断路器下，静触头母排带电；母联300 开关柜前方#2 站用变处于运行状态.高压室平面布局如图2 所示.

图2 高压室平面布置示意

3.2 带电检测

为准确判断放电故障类型及精确定位，对变电站开关柜先后进行了暂态地电压、超声波和特高频局放检测，检测现场环境温度为10 ℃，湿度为55%，具体检测结果如下：

1)暂态地电压测试.对10 kV 开关柜进行暂态地电压测试时，300 开关柜的后中柜门最大达49 dB，根据测试结果，得到的前中柜门和后中柜门的趋势曲线如图3 所示.

图3 开关柜暂态地电压趋势分析

根据图3 并结合暂态地电压诊断依据，不难发现，10 kV 开关柜的暂态地电压呈现以母联300开关柜为中心，向两侧逐渐衰减的趋势.由此判断，高压室局放异常的位置为300 开关柜，但精确定位其放电部位还需进一步确认.

2)超声波局放测试.对开关柜进行超声波局放检测时，在300 开关柜后下柜门带电显示装置处及前上柜门综合指示装置的连接导线处检测到了明显的放电声音，具体检测位置如图4 所示.

图4 超声波检测位置示意

图4 中，后下柜门的带电显示装置与前上柜门的综合指示装置，均通过导线连接至带电传感器尾端获取信号.开关柜不同位置的超声波测试数据如表1 所示.

表1 开关柜超声波测试数据 dB

从表1 可知，在300 开关柜后下柜门的带电显示装置处测得的超声波值达18 dB；在300 开关柜前上柜门的综合指示装置的连接导线处测得的超声波值达33 dB，且伴随明显的放电声.根据国家电网公司电力设备带电检测技术相关规范中的超声波诊断依据，对超声波检测结果进行推断可知，300 开关柜内的局放源位于开关柜的带电显示传感器处，且位置靠近传感器尾端，但放电类型暂未确定.

3)特高频局放测试.对高压室进行特高频局放检测时，在3001，300 和320 开关柜附近检测的幅值最大为60 dB，所测信号的幅值和波形有向高压室两侧逐渐衰减的趋势；在整排开关柜两侧的302 和374 开关柜处检测不到明显的局放图谱，幅值仅在12 dB 左右波动；300 开关柜特高频局放检测图谱中，放电脉冲的幅值稳定，相邻放电时间间隔基本一致，且1 个工频周期内有2 簇幅值等高的信号，符合悬浮电位的典型放电特征，如图5 所示.

图5 300 开关柜特高频局放检测图谱

根据图5，初步判断该变电站10 kV 高压室内存在局部放电异常缺陷，缺陷类别可能为悬浮放电.同时，对300 开关柜带电显示装置的二次电压进行了测量，发现C 相的电压在负载情况下明显低于A 和B 相，仅为正常相的60%左右.

综合上述暂态地电压、超声波和特高频局放检测结果，可以判断出10 kV 开关柜局放异常的原因是母联300 开关柜C 相带电显示传感器存在内部局部放电缺陷，且其类型为悬浮电位放电.

4 联合检测验证

4.1 停电检查

将母联300开关柜和3001开关柜转检修状态后，柜内带电显示传感器不带电，此时高压室内所有开关柜的超声波、特高频和暂态电压测试结果均恢复正常，开关柜内部接线方式及C 相带电显示相传感器如图6 所示.

图6 开关柜内部接线方式及C 相带电显示传感器

对三相连接排进行绝缘电阻测试，均达到100 GΩ(测试电压2 500 V)；分别对三相连接排施加运行电压(5.77 kV)，A 和B 相无明显的放电现象，但C 相检测到与运行状态下类似的放电现象；将300 开关柜C 相带电显示传感器拆除后，施加运行电压，超声波、特高频和暂态电压测试结果均正常.进一步对拆下的C 相带电显示传感器进行局放诊断试验，检测到有明显的放电图谱，背景噪声为5.15 pC，局放试验图谱如图7 所示.

图7 带电显示传感器局放试验图谱

根据图7 可知，电压升至2.2 kV 左右时，视在放电量达到287 pC，且视在放电量随试验电压的升高不断增长；电压升至3.5 kV 时，局放量已达到407 622 pC；电压降至1.7 kV 时，局放信号消失.因此，可以初步判断传感器内部存在气隙或接触不良的缺陷.

4.2 设备解体及原因分析

高压带电显示装置包括传感器和显示器2 部分，传感器由电容抽压棒、填充胶和环氧树脂组成.在运行过程中，抽压电容棒相当于一个恒流源，电流流过带电显示器，会使其自带的氖灯发光，说明设备带电；抽压电容棒从高压带电回路中抽取一定的电压作为显示和闭锁电源，用来反映开关柜是否带电，并能强制闭锁开关网门.进一步对传感器进行解体检查，在传感器靠近二次抽头的内部引线处发现填充胶有粉化现象，这表明传感器在该部位存在明显的局部放电现象，具体位置如图8 所示.

图8 传感器放电部位

通过上述试验及设备解体分析，母联300 开关柜内C 相带电显示传感器靠近二次尾端存在接触不良的缺陷，在运行的交变电压下有悬浮电位从而产生局部放电，而局放的长期存在使传感器二次抽头尾部的填充胶粉化.在进行特高频、超声波和暂态地电压测试时，也检测到了明显的局放异常信号，这验证了带电检测时的判断结果.

5 结论

1)介绍了暂态地电压、超声波和特高频局放带电检测技术的优缺点及检测原理，提出了将三者相结合的联合定位检测技术；

2)针对10 kV 开关柜局部放电典型案例，进行了暂态地电压、超声波和特高频局放测试，以此来判断局放异常的缺陷性质和位置，并经停电检测试验及设备解体分析验证了判断的准确性；

3)多种带电检测技术的联合使用能及时发现设备缺陷并进行精确诊断和定位，可对开关柜故障进行全面有效地诊断排查，能高效地指导检修工作的开展，保障设备的安全稳定运行.