一起穿芯电流互感器引起的开关柜局放异常检测分析

周 皓，刘康康，吕 佳，肖远逸，邹光涛

（国网江西省电力有限公司九江供电分公司，江西九江 332000）

0 引言

开关柜主要应用于35 kV 及以下电压等级电力系统中进行开合、控制和保护，一般采用空气绝缘方式，其结构紧凑，且易受安装工艺、运行环境、不良工况等因素影响，因此开关柜也成为电力系统中事故隐患多发的一类设备。

开关柜带电检测手段有多种，目前比较有效的方法有特高频、超声、暂态地电压局部放电检测。特高频检测灵敏度高、现场抗低频电晕干扰能力较强、可实现局部放电源定位、便于识别绝缘缺陷类型等，同时也易受环境中特高频电磁干扰的影响。超声检测抗电磁干扰能力强、便于实现放电定位、适用范围广，但对于内部缺陷不敏感、受机械振动干扰较大。暂态地电压对尖端放电、电晕放电和绝缘子内部放电比较敏感，而对沿面放电、绝缘子表面放电不敏感[1-3]。几种检测方法各有优缺点，在电力设备绝缘检测时，通常将几种检测技术配合使用。

1 设备信息

九江公司某变电站10 kV 开关柜为KYN 型中置手车柜，内部包含小车式断路器、穿芯式电流互感器、避雷器等高压一次设备。因封堵问题该柜曾有小动物进入引发不良运行工况，造成设备损伤。事后更换了整组避雷器并在高压引线部位用绝缘热缩材料进行包裹，对熔断的穿芯电流互感器等电位连接线进行过熔接，拆除了损坏的带电显示装置，并对采样端传感器的低压引出线进行了临时接地，如图1所示。

图1 901开关柜内设备状态

2 故障发现

2022年7月，试验人员对该站10 kV开关柜带电检测时发现1号主变901开关柜处有特高频和非接触超声异常信号。整站开关柜暂态地电压均有异常，且自901开关柜处向另一侧呈现衰减分布规律。贴近901后柜，人耳可隐约听见异常声响，但透过后柜观察窗未见异常放电点。

2.1 特高频局放检测

特高频局放检测PRPD-PRPS 图谱如图2 所示，采集到的信号峰值最大可达63 dB 以上，单周期呈现两簇近似对称集中分布的局放信号，具有明显的相位相关性。信号幅值较为稳定分散性不大，周期分布比较集中，但未体现出明显外八字特征。

图2 901开关柜处特高频局放PRPD-PRPS图谱

2.2 超声局放检测

采用声学成像仪对901 开关柜进行检测，发现后柜多处缝隙均明显外泄声学信号，如图3 所示。但因柜体阻挡无法对信号源准确定位。

图3 声学成像检测发现多处缝隙外泄声学信号

超声信号连续图谱显示最大幅值超过51 dB，其中100 Hz频率相关性较高，相位分布图谱单周期呈两簇近似对称分布，但一侧幅值略大、另一侧略小，体现出一定的极性差异，如图4所示。飞行图谱在水平时间间隔轴线方向呈现三簇信号集中，各自中心位置分别大致对应时间间隔T/6、T/3、T/2，其中T/2时间间隔放电信号数量较多，但三簇信号幅值总体大小无明显差异。波形图谱体现的信号特征与相位分布及飞行图谱类似。

图4 901开关柜处超声局放图谱

2.3 暂态地电压检测

全站开关柜呈“一”字顺序排列，所有开关柜均出现暂态地电压异常，后柜方向最左侧901及邻近开关柜信号均达到60 dB满量程，自左向中间段信号强度逐步衰减，至908柜衰减至50 dB，最右侧902柜衰减至49 dB，呈现比较明显的衰减分布规律，如图5、图6所示。

图6 左侧901开关柜及右侧902开关柜处暂态地电压信号

综合现场检测的特高频、超声、暂态地电压信号特征和设备运行工况等判断901 开关柜内部存在悬浮、气隙类放电，可能是穿芯电流互感器等电位线连接不良（当时已知等电位线曾因外部损伤断开后重新焊接），避雷器高压引线或者底座螺丝松动等造成，存在运行风险需要停电排查。

3 停电排查

对该站1 号主变及1 号主变901 开关柜停电转检修。将1号主变10 kV过桥母线在穿墙套管与出口电抗器连接处解列，同时将901 小车开关拉出至检修位置。采用试验变压器分相、分段施加运行电压，并同时监测局放信号的方式进行排查。

检查过程中，B、C 相在施加运行电压时，未检测到任何异常局放信号。A 相施加运行电压过程中，特高频、超声、暂态地电压均检测到异常局放信号，其特征与带电测试中发现的信号特征一致。通过声学成像仪可直接观察到A 相穿芯电流互感器内筒处有多点间歇性气隙放电，如图7所示。

图7 声学成像仪发现穿芯电流互感器内筒多点放电

4 缺陷分析

穿芯式电流互感器在工作时，需要将载流母排从电流互感器的中间穿过，母排与互感器内壁之间存在空气间隙，而运行中母线带有一次高压，通常情况下，这个间隙会放电甚至会产生电弧。为了消除这种气隙放电，在互感器装模时将金属箔片裹在抽芯上，成形后再焊接等位线，安装时将等电位线另一端连接到载流母排上，通过等电位的方式消除气隙放电。

检查发现A相穿芯电流互感器等电位连接线在载流母排处仅通过螺栓压紧不够紧固。等电位线中间部分曾熔断并用焊锡重新熔接（见图8），等电位线与金属箔片焊接情况无法检查。对穿芯电流互感器进行绝缘电阻、变比、励磁特性等试验，各项数据合格。判断A相穿芯电流互感器本体无异常，放电原因是等电位连接不良造成的载流母排与穿芯电流互感器内筒之间气隙在运行电压下反复击穿。由于该气隙是非对称结构，一侧为矩形载流母排且有螺栓等不规则尖端倒角，另一侧为圆形内筒，在载流母排一侧更容易出现场强集中并激发空气电离，因此在载流母排呈负电性即电压在负半周区域会出现更大的超声信号幅值。

图8 A相穿芯电流互感器与载流母排连接及熔断处

5 缺陷处理

对受损伤的三相穿芯电流互感器进行整体更换，再次对三相母排施加运行电压并监测局放信号。A、B相无异常，C相出现了新的局放信号，如图9所示。特高频、超声信号单周期均呈两簇且比较对称，无明显极性特征。单个工频周期各个位置均有分布，信号幅值没有显著差异，观察发现为C相带电显示传感器引出线位置放电。

图9 带电显示放电特高频、超声局放图谱

带电显示装置在三相母排处设置传感器（见图10），通过分压结构采集母线电压并在尾端通过引线接至柜前的显示面板处，再通过指示灯等负载接地。当母线排带电时，传感器尾端感应出电压并使显示面板处指示灯亮起，指示对应母线带电。经查该开关柜带电显示面板因损坏被拆除（见图11），为避免传感器尾端出现悬浮电位临时将引出线进行了接地。更换穿芯电流互感器时，检修人员仅恢复了电流互感器二次接线，遗漏了C相传感器引出线的接地，造成了新的放电。

图10 带电显示装置传感器

图11 901开关柜带电显示面板因损坏已拆除

对C相引出线进行接地，再次施加运行电压并监测局放信号，各相均未发现异常信号，缺陷消除，如图12所示。

图12 缺陷处理后局放信号恢复正常

6 结语

1）局部放电带电检测能够有效发现开关柜各种潜在缺陷，将带电检测技术与停电试验手段相结合对于发现和消除各类开关柜隐患，提升设备健康状态十分有效。对一次设备分相、分段施加运行电压并进行局部放电检测，有利于快速缩小排查范围。

2）声学成像技术通过特殊设计的麦克风阵列[4]采集声源信息，通过波束形成算法[5]和图像融合[6]将空间声源的分布信息图像化，进而实现声源的快速识别和定位。定位精度和空间分辨率是评判声学成像性能优劣的标准，阵形阵列和波束形成算法是影响性能的关键因素。经实践检验，操作便捷、在声源无遮挡的情况下定位精度很高，提供了特高频时差法[7]、声电联合法[8]以外的另一种局放检测定位手段。

3）因经历不良运行工况造成损伤的开关柜内一次设备不宜进行修补，应尽可能整体更换，避免出现遗留问题造成运行风险。

4）为确保彻底消除隐患，全部检修工作完成后应再次施加运行电压并监测局放信号，确认所有异常都消失后才能进行送电。