基于紫外成像技术的开关柜局部放电故障精准定位

李杏，陈浩

(广东电网有限责任公司湛江供电局，广东 湛江 524000)

1 引言

10kV高压开关柜是直接面对用户的电力设备，具有是极其重要的地位，其可靠性直接关系着系统稳定性。保证开关柜安全运行的关键是对开关柜运行状态进行有效监测、预判和合理检修。开关柜运行一定年限后，常常会受到温度、湿度等因素加速老化或因表面污秽出现异常放电现象形成绝缘劣化，导致绝缘强度降低，甚至容易发生触点和母排温度升高，严重的导致高压开关柜爆炸[1-2]。目前，检测高压开关柜局部放电故障主要有TEV、超声波、特高频等方法。这些传统检测方法能够有效的检测出局放信号，但是对于微小的隐蔽缺陷的定位准确性不高，直接影响着消缺的工作效率。因此，寻找一种既能有效发现绝缘问题而又不会增加大量重复操作的检测手段显得非常重要。

2 开关柜局部放电产生的原因

当外加电压在电气设备产生一定场强，使绝缘部分区域发生放电，但在并未形成固定放电通道的这种放电现象称为局部放电。主要分为四种：沿面放电、电晕放电、内部放电以及悬浮放电。然而，开关柜的局部放电分为两种：沿面放电和内部放电，据统计，开关柜局部放电中沿面放电百分比大[3]。

发生在绝缘介质表面的局部放电称为沿面放电。沿面放电电压主要受电压波形、空气污秽程度、电场分布情况、介质表面状况和气候条件等因素的影响[4]。

发生在固体绝缘介质内部的局部放电称为内部放电。由于材质和工艺等缺陷，使绝缘介质内部在生产过程中会存有少量杂质和气隙，从而形成绝缘内部缺陷。当在绝缘介质上施加高电压时，内部缺陷就可能发生局部或重复性的击穿。内部放电的发生主要受与气隙的大小、形状、位置及气隙中气体种类和介质本身特性有关条件的影响。

3 带电检测的方法及原理

3.1 TEV检测技术

暂态对地电压(Transient Earth Voltage)是当高压开关柜发生局部放电时，由于存在集肤效应作用，放电电量会聚集在与离放电点相近的接地金属部分，形成电磁波并向各个方向传播，在金属断开或绝缘连接处，放电产生电磁波信号通过金属箱体连接处传播到大地，同时在外壳上感应出持续的纳秒级的电压信号。如果开关柜是全部密封的，则在柜外是无法检测到放电信号[5]。

TEV检测技术对高压开关柜的内部放电有较强的敏感度，但是需要专业水平较高、检测经验丰富的技术人员，才能有效地发现在开关柜内的缺陷。其次对背景要求高，若干扰较大时，判断是否存在有局部放电存在一定的难度。

3.2 超声波检测技术

超声波法的特点是在现场使用时容易受周围环境设备机械振动或噪声的影响。超声波在不同材质中传播，速度和衰减程度不同。在固体中传播速度很快，衰减也更快，它很难穿透设备的金属外壳，所以要求电气设备必须存在可以用于检测的开口或裂缝。再者，超声波具有很强的方向性，传感器必须指向局放源才能有较高的灵敏度。

超声波是需要通过多个不同位置的超声传感器所测得的时延，利用空间几何方法计算出局部放电源的位置，实现局部放电的准确定位。

3.3 紫外成像检测技术

高压设备放电时，会产生电晕、闪络或电弧。电离时，空气中的正负离子不断获得和释放能量，在释放能量的过程中，即有紫外线辐射出来。紫外成像技术就是利用太阳盲区的紫外线光(240nm～280nm)进行检测。目前，紫外成像仪可以直观的判断和定位运行中的电力设备电晕放电和表面局部放电特性及其电力设备外绝缘状态和污秽程度，不接触，可远距离观察、检测，为开展的输、变电设备状态检修提供强有力的支撑[6-7]。

4 典型案例

4.1 现场局放测试

某变电站10kV高压室共有44面开关柜，在2019年12月14日，试验人员采用UltraTEV Plus+便携式声电波局部放电检测仪对该高压室的开关柜进行TEV和超声波联合检测，检测结果发现莫村线F06开关柜和上蒙线F09开关柜TEV幅值正常，F06、F09开关柜处可听到放电的“嘶嘶”声，在左右相邻的F05开关柜、F07开关柜、F08开关柜、F10开关柜没有听到明显的放电声。随后2020年01月20日试验人员再次复测，两次检测数据如表1所示。

表1 F06、F09开关柜TEV和超声检测数据

结合现场作业标准和两次检测数据，如表1所示，判断F06开关柜和F09开关柜柜后中附近的超声值超标，设备存在明显的放电，需将其停电进行检查处理。

4.2 停电检查与分析

考虑到长期工频电压下开关柜局部放电的积累效应、创伤效应，2020年01月24日，F06、F09开关柜进行停电检查，检修人员检查两面柜中部位的设备外观，并未发现明显放电痕迹。试验人员对其设备各断口进行绝缘试验，判断断口上、断口下、断口和整组的绝缘性能，其绝缘试验数据如表2所示。

表2 F06、F09开关柜绝缘试验数据

试验结果表明：F06、F09开关的断口上、断口、断口下、整组的绝缘值总体都偏低。检修人员对其设备进行酒精清抹等处理后，并分别对其进行交流耐压试验。试验过程中，耐压装置的电流表、电压表指示无明显变化，试验结果为交流耐压试验通过。从结果分析，经过常规性的绝缘试验检查，并不能准确确定局部放电的位置。

4.3 基于紫外检测技术的局放定位

图1是某变电站10kV部分运行图，将10kV莫村线F06开关、10kV上蒙线F09开关合上，断开F061、F091、F064、F094刀闸，断开F06B0、F09B0、F0640、F0940刀闸，分别从F064、F094刀闸加入kV试验电压，模拟正常运行时开关承受的电压情况。

图1 某变电站10kV部分运行图

根据图2可知，试验电压试验电源由自藕调压器输出后接到试验变压器，试验变压器输出kV的试验电压分别接入F06、F09开关A相、B相、C相，保持足够的安全距离，采用CoroCAM 504紫外成像仪对其进行检测放电量的情况，如图2～图4。

图2 模拟开关运行情况原理图

图3 F06开关A相紫外定位图谱

图4 F06开关B相紫外定位图谱

从紫外检测图中可以看出，F06开关A相、B相真空泡下端的支撑绝缘子附件存在集中的噪点，光子计数量达到519、696，F09开关柜C相真空泡上端与绝缘护套之间存在集中的噪点光子计数达到252，存在严重的放电现象。

图5 F09开关C相紫外定位图谱

4.4 解体检查

根据紫外检测定位图谱，耐压试验结束后检修人员分别对F06、F09开关柜相关部位进行解体检查。

F06开关柜：拆除F06开关A相、B相真空泡下端的支撑绝缘子，发现A相、B相支撑绝缘子上面有小范围的裂纹，存在轻微的放电痕迹，并测量其绝缘电阻值为22MΩ、7MΩ。

F09开关柜：拆开F09开关C相真空泡上端的绝缘护套，发现F09开关柜C相绝缘护套的内侧靠外端有少量毛刺。

处理方案：检修人员对F06开关A相、B相真空泡下端的支撑绝缘子进行更换，对F09开关C相绝缘护套内侧毛刺进行打磨处理，并检查了另外相同位置支撑绝缘子和绝缘护套，未发现此类情况，怀疑是个别绝缘子和绝缘护套在制造时的工艺问题造成的绝缘缺陷。

5 结论

(1)紫外成像技术作为一种新型的电气设备带电检测方法，可有效检测到因缺陷或故障导致的变电站开关柜局部放电现象，适用于电气设备的绝缘状态评估；

(2)在开关柜局部放电故障定位诊断时应用紫外成像技术，能够成功实现微小的隐蔽缺陷精准定位，从而高效的指导检修工作的开展。

紫外成像技术也存在有一定的局限性，检测时需要装设专业检测窗口，且对有些内部缺陷的检测存在不灵敏性。在工程实际中，非常有必要结合其他检测方法如超声波、超高频等进行联合检测才能取得较好的效果。