高压开关柜多维在线监测与预警技术及应用

南方电网昆明供电局 刘志洪

搞要：针对高压开关柜在制造、运行过程中不可避免出现绝缘缺陷、载流故障等问题，归纳总结了故障类型及原因，综述了开关柜多维在线监测与预警技术。

随着国民经济的快速发展，为满足国民经济发展的需求，电网容量不断的增大，对供电可靠性提出更高的要求，因此电力设备需具有更高的安全可靠性才能满足电网要求。高压开关柜是保证配网正常运行的重要环节，作为联系主变及配电线路的桥梁，在保证供电可靠性中具有举足轻重的地位，担负着电能分配、故障电流开断与负荷控制的作用[1-2]。

高压开关柜经历从GG1A型到XGN型，再到如今的KYN型。开关柜的密封性更好、体积更小、载流量更大、防护等级更高，其内部结构变化巨大。由于第一代GG1A型已属于淘汰产品，目前在网运行的主要为XGN型和KYN型，由于KYN型操作方便、载流量大、结构完善，作为主流产品大规模应用于当今电网中。高压开关柜在电网中数量巨大，作为直接联系用户的供电设备，其可靠性将决定配电网的可靠性。为确保配电网供电的可靠性，根据《电力设备预防性试验规程》条文电网公司采取定期试验与检修相结合的方法来保证其正常工作，该方法一定程序上减小故障的发生。但定期检查存在不足。该方法增加电网运行费用、停电时间、停电试验缺陷检出率低和检修间隔内发生故障。在线检测技术能有效发现处于潜伏的故障，减少停电时间，更加安全可靠。

1 高压开关柜的主要故障

在服役期内，电气设备的故障发生率与运行时间、方式之间存在宏观规律。设备故障率和使用寿命的关系如图1，其形状为浴盆状（两边高、中间低）。设备故障率由初始阶段、稳定阶段和劣化阶段组成。在投运初期，因为部件磨合不善以及安装调试遗留的问题逐渐暴露，所以故障率偏高。随着员工对设备的熟悉和掌握，以及显现问题的不断处理，导致设备故障率逐步降低进入稳定阶段（时长约15～20年）。在后期中，设备故障率显著增大主要原因是绝缘老化、油中溶解气体、局部放电等[3]。

图1 电气设备故障率与使用时间的关系

2011～2015年8月广东电网共发生高压开关柜事故17起。依据国网2015年统计结果表明，绝缘故障是导致开关柜故障的主要诱因，占比高达70%[4]。1990～1999间我国发生的电网开关事故数据同样表明绝缘故障占比最高。开关柜常见故障发生率为：绝缘36%、拒动29%、开断与关合9%，载流8%、误动7%、外力或其他11%。高压开关柜内部环境具有大电流、高电压和强磁场的特点，绝缘缺陷会导致局部放电并长期累积最终导致故障。拒动故障常发生在老旧失修的开关柜设备中。其它几种故障发生率相近、较低。在国外电网中，把机械异常和局部放电引起的拒动和绝缘故障作为重点研究对象。

常见开关柜故障的原因如下：拒动故障。传动和操动等机构的机械故障，表现为部件变形、机构卡涩和铁芯松动等；误动故障。控制回路中接触不良等，表现为端子松动、接线接触不良、接线错误等；绝缘故障。柜内闪络击穿、绝缘内部缺陷和爬电等现象；开断与关合故障。断路器自身原因造成，表现为喷油短路、灭弧室损坏和真空度降低等；载流故障。电缆接头接触不良和插件偏心等原因造成；外力及其他故障。加工工艺不良、小动物短路、自然灾害和异物撞击等造成。

2 电力设备在线监控与发展

故障诊断作为电网研究的热点，新的成果不断涌现。电网的快速发展推动了电力设备状态监测和故障诊断技术的发展。在电网的发展过程中，故障检修策略经历如下阶段：

20世纪初，工业水平低、设备简单，停机影响小，设备无法继续运转才维修，称为事后检修（又称为故障检修）[5-6]；20世纪40年代，随着社会生活水平提高，电力设备故障对生产生活影响大，定期预防性维修开始出现。电力设备按照计划定期检修，提前发现设备隐患，确保其正常运行[6]。虽然该方式提高了设备可靠性，但在长期运行效果来看该方式也存在局限性。在经济上该方式易造成过度维修和非必要停机，导致人力、物力和财力的浪费。在技术上，首先预防性实验电压偏低不能反映设备真实运行状态，其次绝缘故障具有统计性，定期预防性试验不能及时准确发现故障。在安全上实验时容易造成人员伤亡、设备故障[5-6]。

20世纪50年代后，通用电气公司等提出以设备状态为基础维修方式，即状态检修。即根据设备运行时的信息做出判断，发现早期潜伏的故障，并安排必要的维修。其优点如下[1]：可有效地使用设备，提高设备利用率；降低备件的库存量以及更换部件与维修所要费用；有目标地进行维修，可提高维修水平，使设备运行更安全可靠；可为设备制造部分反馈设备的质量信息，用以提高产品的可靠性。

通常，电力设备定时做常规的预防性试验（通常周期为一年），但事故仍然不能避免，时有发生。在线监测技术能积累大量的试验数据(包括停电及带电监测)，结合被试设备的当前数据和以往历史数据，运用各种数值方法进行及时、全面的综合分析判断，捕捉设备的早期缺陷，保证安全运行，从而弥补预防性试验间隔长所带来的误差[1-2]。

在线和离线试验是相辅相成、而不是对立。如在线监测中发现事故隐患后，必要时在离线状态下全面检修确定故障（图2）。在线监测与故障诊断技术实现从“到期必修”过渡到“该修则修”[1-2]。随着在线监测与故障诊断技术研究的不断进步，状态检修必将逐步取代定期检修，提高电力设备的运行可靠性。

图2 电气设备监测诊断过程流程示意图

3 高压开关柜的多维在线监测与预警技术

在线监测系统主要是对被测物理量(信号)进行采集、调理和变换等多个环节组成的系统（图3）[1]。高压开关柜在线监测项目主要是设备温度监测、环境温湿度监测、局部放电监测、闪络监测、PT谐振监测、电流电压监测、断路器机械特性监测。对中低压设备的长期连续监测可实现开关柜状态的全方位监测，多维度、多状态量地综合分析评估，能有效克服单状态量监测的局限性，为安排检修计划提供更准确、有效的技术支撑[5-6]。

图3 在线监测系统原理框图

典型配置与主要内容如下：温（湿）度监测。梅花触头无线测温、电缆头无线测温、断路器室和电缆室湿度监测；弧光监测与保护。母线弧光保护、断路器室弧光保护、电缆室弧光保护，支持闪络预警、故障定位和选择性跳闸；局部放电监测。电缆室局放监测，支持局放定位，给出放电频次、相位图谱、幅值特征分析等；断路器机械特性监测。分闸线圈电流/电压、合闸线圈电流/电压、储能电机电流/电压、负荷电流监测，给出动作电流曲线，故障特征分析；通风除湿降温控制。总路柜柜顶风扇自动控制、柜内冷凝除湿、配电室工业除湿机、电缆沟除湿、百叶窗改造；内窥式红外成像测温及微光遥视。加工工艺不良、小动物短路、自然灾害和异物撞击等造成；站端可视化软件。可以通过可视化方式查看开关柜工作状态、内部视频，对各种数据进行实时分析与预警。

3.1 温（湿）度在线监测

由于高压开关柜工作在高电压、大电流的状态将造成设备的局部发热、导致异常温升，若未迅速处理将导致设备燃烧，更严重的会爆炸等事故。根据相关实践经验可知，开关柜在可能发生或已发生机械故障、开合故障、绝缘故障、载流故障时柜内都会存在局部（触头、接头处）发热的现象，因此可通过柜内发热检测实现开关柜的故障诊断工作。在高压开关柜大电流回路的连接点（如动、静触头、母排、主变接头等）为故障的薄弱环节。连接点的接触不良使接触电阻增大，导致连接点处发热增大，发热加剧接触面氧化，接触电阻进一步增大，最终造成故障[7]。

开关柜主要在线测温技术的测量方式、供电方式及信号传输如下：红外测温。非接触式/有源/无线；光栅光纤测温。接触式/无源/有线；半导体数字测温。接触式/有源/无线；热敏电阻测温。接触式/有源/无线；声表面测温。接触式/无源/无线。

3.2 局部放电在线监测

开关柜出现绝缘缺陷或电场畸变的情况下会诱发局部放电，局部放电过程中往往会伴随着声、光、电等物理现象的发生。绝缘故障主要表现为外绝缘对地闪络击穿，内绝缘对地闪络击穿，相间绝缘闪络击穿，雷电过电压闪络击穿，瓷瓶套管、电容套管闪络、污闪、击闪、击穿、爆炸，提升杆闪络，CT闪络、击穿、爆炸，瓷瓶断裂等。绝缘缺陷发展到击穿的过程中需经历局部放电阶段，其强弱能反映出绝缘状态。

常规的人工巡检方式极难发现早、中期的绝缘水平降低，通过安装局放监测装置可在线连续监测局部放电信号，以便及时发现和定位故障，把事故消除在萌芽状态。目前常采用脉冲电流法、超声波检测法、高频检测法等检测局部放电[8]，其中脉冲电流法（又称耦合电容法）可靠性高，对比性强，可定量分析等优点，被IEC60270标准选为推荐的局部放电检测方法[4]。

常用局部放电检测法的比较如下：超声波法。抗电磁干扰能力强，便于局部放电定位，但灵敏度低、受机械振动等干扰大。应用对象为变压器、GIS、供配电线路等；暂态地电压法。对绝缘子气隙放电比较敏感、常与超声波配合，但不适合除开关柜外其他设备。应用对象为电缆、配电线路；特高频法。灵敏度高、抗干扰能力强，但不适合金属封闭设备、尚未实现局放强度的量化描述。应用对象以GIS为主；脉冲电流法。可靠性高、可对比性强、可定量分析，但对试验电源和环境都有很高的要求，灵敏度高。应用对象为开关柜。以上检测法均可可定位，能局放识别。

3.3 弧光监测与保护

由于误入带电间隔、误操作等原因造成电弧光。一旦电弧产生，电弧的能量可高达8～60MW。电弧持续燃烧超过100ms释放能量将急剧增加，电缆大约在150ms燃烧，铜排在200ms左右燃烧，约在250ms开关柜的钢材开始燃烧，电弧和燃烧释放的热能极可能导致开关柜爆炸。弧光事故可造成电力设施损毁和严重的人生伤亡事故。弧光传感器可装设在开关设备的多数不同位置，根据其实际位置的不同实现保护分区和故障点的快速定位，减少处理停电时间，使恢复供电更快。此外，该保护可连续的检测故障前信号（如微弱的弧光信号、强电晕等），在产生较严重的爬电、电晕趋势加强等时发出告警，有利于将故障消除在萌芽状态。