局放检测技术在高压开关柜绝缘缺陷诊断与定位中的应用*

肖 睿

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266104)

0 前言

石化企业生产装置运行具有高温、高压、连续性强等特点，稳定可靠的电力供应是装置安全长周期运行的基础。一旦发生事故导致停电，不仅会引起生产装置停产，造成不必要的财产损失，而且容易引起装置爆炸，发生火灾等次生灾害，从而导致严重的经济损失和人身伤亡事故。石化企业供电设备所产生的故障多数都是由绝缘失效引发的局部放电引起的。绝缘失效会导致企业电力系统的危险，甚至会引发石化装置生产运行的重大事故，造成巨大的经济损失和不良社会影响。

局部放电是造成绝缘老化并最终绝缘失效的主要原因。因此，如何对电气设备绝缘状态特别是局部放电情况进行有效检测，提前发现电气绝缘故障趋势，将隐患设备提前退出运行，减少电气设备的故障率，已成为石化企业的迫切需求。

基于局部放电定义及其检测技术的发展，分析了特高频检测、高频电流检测、超声波检测3种常用的局部放电检测方法及特点。通过在某石化企业220 kV变电站35 kV开关柜应用特高频、高频电流和超声波检测技术3种方法开展现场检测，获取了设备的局部放电检测数据。通过分析数据的时频域图谱特征，实现了对设备局部放电信号提取、缺陷类型识别和放电位置定位。

1 局部放电及其产生机理

局部放电是电气设备导体间绝缘仅有部分产生桥接时所产生的电气放电，导体之间没有贯穿的施加电压。局部放电可以发生在导体附近，也可以发生在除导体外的其他地方。在高压场强的作用下，当电气设备内的绝缘体电场强度在局部区域内达到能够被击穿的程度时，该局部区域就会发生放电。通常情况下，电气设备的局部放电都发生在绝缘较为薄弱的地方，例如电气设备在制造、安装及使用的过程中，某些绝缘区域由于生产工艺、安装过程及使用不当的原因存在气泡、杂质或损伤时，设备绝缘内部或表面出现电场强度高于周围平均场强的情况，在该区域就会出现放电情况，此时周围其他区域仍保持正常绝缘特性，这时就形成了局部放电。

2 局部放电检测技术

当电气设备绝缘材料发生局部放电时，通常会伴随产生不同的物理、化学现象，如声、光、电、热等。局部放电检测就是通过对这些反应现象进行检测，对局部放电进行定性、定量的分析，从而判断设备绝缘老化情况，确定设备运行状态。目前电气设备绝缘缺陷检测中常用方法有电磁检测、超声波、热成像、油色谱分析等。

石化企业高压开关柜检测一般采用目视巡检及红外测温，通常在设备即将产生或已经发生故障时才能发现问题。通过采用特高频检测技术、高频电流检测技术和超声波检测技术对高压开关柜进行局部放电检测，能够提前发现设备绝缘缺陷，并进行缺陷类型识别及准确定位。

2.1 特高频检测技术

特高频(ultra high frequency，UHF)检测技术的检测频率范围为通常为300～3 000 MHz，通过特高频传感器检测该频段电磁波信号来实现局部放电检测。其优势在于检测灵敏度高、对于高压开关柜等设备内的低频电晕抗干扰能力强，可用于局部放电缺陷的检测、定位和故障类型识别。局限性在于受电磁波衰减特性影响，无法检测全金属屏蔽设备，对于高压开关柜的特高频检测只能通过观察窗或设备缝隙进行，同时不能对缺陷劣化程度进行量化。

2.2 高频电流检测技术

高频(high frequency，HF)电流检测技术的检测频率范围通常为3～30 MHz，检测时将罗氏线圈传感器卡接到电气设备接地线上，通过耦合接地线内的高频电流信号来检测设备内部的局部放电情况。因此，该检测技术适用于具备接地引下线的电气设备，对于高压开关柜需要通过其连接电缆的接地引下线进行检测。其优势在于检测灵敏度较高、现场抗干扰能力较好，可以对高压开关柜内的微弱放电进行检测，同时有效避免柜外干扰。局限性在于不能对开关柜放电信号源位置进行准确的定位。

2.3超声波检测技术

超声波(acoustic emission，AE)检测技术通过超声传感器采集设备局部放电时产生的超声波信号，处理和分析设备运行状态。根据传感器和检测方式的不同，超声波检测分为接触式超声波检测和空气传播式超声波检测。

接触式超声波检测技术采用将传感器紧贴于电力设备金属表面，检测设备局部放电产生的超声波信号在金属表面传播所引起的振动现象；空气传播式超声波检测技术采用检测设备局部放电产生的超声波在空气中传播时的振动现象。开关柜超声波检测采用空气传播式检测方式，其优势在于抗干扰能力较强，可以对开关柜柜内局部放电信号源定位。局限性在于只能沿着开关柜缝隙进行检测，受超声波衰减特性影响，检测范围较小，同时对开关柜内部缺陷不敏感、受机械振动干扰较大。

3 现场应用

采用特高频、高频电流和超声波检测技术对某石化企业220 kV变电站35 kV开关柜进行局部放电检测，具体检测过程如下。

3.1 检测结果分析

采用特高频检测技术巡检过程中，发现站内341断路器间隔存在局部放电信号，测试图谱如图1所示。

图1(a)放电信号在工频相位的正、负半周均出现，幅值都较大，打点位置主要在上面两格，对称性较为明显；图1(b)幅值较大，两簇信号相位距离较近；图1(c)一个工频周期出现两簇脉冲信号，脉冲信号大小基本一致，初步判断341断路器间隔内存在局部放电信号。

图1 特高频检测图谱

随后采用超声波检测技术和高频电流检测技术对341断路器间隔进行进一步分析，测试图谱如图2所示。

图2(a)具有工频相关性，且相位图谱每个周期两簇，具有明显的聚集效应；图2(b)(c)幅值都较大，存在明显工频相关性，再次判定341断路器间隔存在局部放电。

图2 超声波/高频电流检测图谱

3.2 局放类型分析

高压开关柜常见局部放电信号有悬浮放电、气隙放电、沿面放电和尖端放电等。其中，悬浮放电信号特征有：在工频相位的正、负半周出现，通常具有一定的对称性。局放信号幅值较大，相邻信号的时间间隔基本保持一致。放电信号出现次数较少，重复率较低；PRPS图谱分布特征存在“内八字”或“外八字”现象；UHF图谱每周期存在一对相位相差180°的脉冲信号，图谱的幅值较大；AE幅值图谱的最大值较大，AE相位图谱放电信号位置集中于上方，每周期存在两簇且有悬空趋势。通过对比检测到的实验数据，综合判定，所检测到的局部放电信号为悬浮放电。

3.3 局放源定位分析

局放信号定位过程中，首先采用了高频电流技术对局放信号源所在相间进行判定，如图3所示。

图3 局放源定位(1)

高频传感器红、绿、黄分别卡接在A、B、C三相电缆终端头接地线上，分析定位图谱可知，红色传感器波形起始沿与绿、黄传感器波形起始沿相反，证明异常信号来自于A相。在对A相电缆终端头检查时发现，电缆终端头屏蔽层接地线悬空未进行有效接地，产生悬浮电位，引起放电，如图4所示。

图4 异常点位置

将悬空接地线重新连接后，再次使用特高频检测技术进行检测，发现局放信号特征有所减弱但仍旧存在，判断341断路器间隔存在另一处局部放电信号源。

采用特高频检测技术再次进行局放信号源定位，如图5所示。

图5 局放源定位(2)

特高频传感器黄、红、绿分别放置于A、B、C三相盆子处，分析定位图谱可知，红色波形起始沿超前于黄色和绿色波形起始沿，3个传感器之间距离相等，说明信号来自B相红色传感器方向。

确定局放源相位后，对局放源的高度进行定位，如图6所示。

图6 局放源定位(3)

绿色传感器放置于B相母管下方绝缘盆子处，红色传感器放置于B相下方地面上，两传感器之间距离1.35 m，通过示波器波形所知，红色传感器波形起始沿超前于绿色传感器波形起始沿1.7 ns。

根据公式(1)：

(1)

式中：

x

——局放源距离红色传感器的距离，m；

L

——红、绿两个传感器之间距离，m；

Δt

——两个传感器检测到的时域信号波头(波形起始沿)之间的时差，s；

C

——电磁波传播速度，3×10m/s。通过计算可得

L

=0.42 m，即第二处局部放电信号源位于红色传感器上方0.42 m电缆仓内部。

3.4 设备维护方案

电气设备局部放电检测结果确认后，需根据检测结果制定设备维护方案：①局放信号较为严重时，对设备停电检修或更换。②局放信号较小时，制定复检计划，通常为1季度或半年后复检。复检信号变小或变化不大时，对设备持续跟踪复查；复检信号严重变大时，对设备停电检修或更换。③本次检测局放信号较小，半年后复检信号不变，需对设备持续跟踪复查。

4 结语

通过上述某220 kV变电站35 kV开关柜局部放电检测应用实例，可以得出以下结论。

a) 高压开关柜状态检测过程的重点是针对设备绝缘缺陷的局部放电检测，主要采用特高频检测技术、高频电流检测技术和超声波检测技术进行检测。检测过程中，首先使用特高频检测技术进行巡检，发现异常局放信号后，结合高频电流检测技术和超声波检测技术，通过对所测数据及图谱进行综合性分析及判断，可以准确识别局部放电信号的放电类型。

b) 在局放信号源定位过程中，高频电流检测技术仅能够通过所检测接地线信号，初步定位局放信号源所在相位；特高频检测技术、超声波检测技术在局放信号源定位方面有其优势，可以根据不同位置传感器之间信号时间差,对局放信号源进行精确定位。

c) 根据设备局部放电检测结果制定维护方案。局放信号较为严重时，对设备停电检修或更换；局放信号较小时，制定复检计划，并根据后续复检结果对设备维护方案进行更新。