局部放电检测技术在高压开关柜上的应用分析

局部放电检测技术在高压开关柜上的应用分析

作者：邝玉芳 傅国强 江军

来源：《科学与信息化》2019年第34期

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摘 要 局部放电检测是在不停电状态下了解电气设备健康状态的重要技术手段之一。本文对目前采用不同原理的几种较为成熟局放检测技术，在应用于高压开关柜上时的特点、效果、优缺点进行了比较和探讨。实验表明，超高频局部放电检测技术能有效、准确、灵敏监测到开关柜的局部放电信号，较为适合用于对高压开关柜开展局部放电在线监测。 关键词 高压开关柜;局部放电;脉冲电流;超声波;特高频 引言

高压开关柜健康可靠运行是电网安全运行及确保供电可靠性的基础，因此，设备运维人员一直致力于提高高压开关柜的健康度和运行可靠性，但由于开关柜运行数量庞大，安装布点分散，加上停电困难、运维人员不足及开关柜各主要部件均被包裹在金属外壳内不便于日常维护检查等客观原因，往往容易造成开关柜实时运行情况不被掌握，隐患不被及时发现和消除，以致开关柜烧毁、绝缘击穿的事故还时有发生，故探讨如何更好应用技术手段实现实时掌握开关柜运行状况、及时发现和消除设备隐患具有重要意义。

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1 高压开关柜的常见故障及隐患

高压开关柜常见故障及隐患概括起来主要有两类：一是拒动、误动故障。一般由机械异常和电气回路缺陷造成，具体表现为开关机构卡涩、部件变形损坏、二次接线接触不良、接线错误、分合闸线圈因机构卡涩或辅助开关转换不良造成烧损、辅助接点异常等缺陷。 二是绝缘失效故障。原因是绝缘件、绝缘材料内部、外表绝缘不良造成，具体表现为灭弧室及波纹管漏气造成真空泡真空度降低、支持绝缘子破裂、绝缘件表面污秽、对地绝缘不良、相间绝缘不足、小动物进入、载流导体接头接触不良、绝缘件内部缺陷、设备长时间运行后绝缘件老化、受潮等。一般情况下，拒动、误动故障不会对开关柜本体造成损坏，而绝缘失效方面故障将会造成开关柜损坏或烧毁，严重时波及旁边设备甚至整段母线[1]。

据相关统计资料显示，高压开关柜绝缘失效方面故障引发的事故率约为0.011次/百台·年;在影响设备安全运行的缺陷中，绝缘失效缺陷的缺陷率约为0.404次/百台·年，占开关柜总缺陷数的40%以上;内部绝缘失效和劣化缺陷给开关柜的安全运行带来了巨大隐患。 2 高压开关柜的局部放电特性

局部放电 （partial discharge） 通常是指设备绝缘系统中部分被击穿的电气放电，在高压开关柜上主要表现为：导体和柜体内表面上的金属突出物引起的尖端放电，金属部件接触不良或应接地金属部件接地不良引起的悬浮电位放电，绝缘件表面污秽、受潮和凝露引起的沿面放电及开关柜绝缘件介质不均匀，存在气泡或者杂质，使局部的场强增大引起的内部放电等。 造成高压开关柜出现局部放电的主要原因有：①生产及安装施工过程因工艺不良造成设备金属部件出现尖端、毛刺，绝缘部件、介质出现破损、裂纹等异常情况，以及应接地金属部件接地不良、导体接头紧固不足造成接触不良等均有可能引发局放;②长时间运行后开关柜绝缘介质老化、绝缘强度下降引发局部放电。③为降低生产成本，开关柜厂家采用了强度不足、工艺不良、可靠性低及不满足使用环境要求的金属部件、材料和绝缘介质，使开关柜出厂便携带安全隐患;④高压开关柜长期处于高温、高湿、高污染环境下运行，设备绝缘件表面脏污形成污闪放电，以及金属部件生锈形成的尖端放电和导体触头氧化引发接触不良产生的放电等[2]。

3 高压开关柜局放检测方式

局部放电时，高能量电子或加速电子的高速运动将引起多种物理效应和化学反应，因此局部放电往往伴随电脉冲、超声波、电磁辐射、光、化学反应以及局部发热等现象。基于上述信号，目前用于局部放电监测的方法有脉冲电流法、超声波法、暂态地电位法、光测法、化学检测法、红外检测和特高频检测法等多种方法。其中脉冲电流法、超声波+暂态地电位法及特高频法是对高压开关柜开展局放监测最为常用和成熟的方法。

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（1）脉冲电流法。每一次局部放电都会产生一个陡峭的电流脉冲信号，脉冲电流法就是基于测量该脉冲电流实现局部放电监测的。该方法一般通过测量阻抗在耦合电容侧或通过 Rogowski 线圈（又称罗氏线圈）测取由局放引起的脉冲电流，获得视在放电量、放电相位等放电信息。这是最早研究及开展的一种局部放电检测方法，优点是灵敏度高、实时性好，且可测得放电量、放电重复率、平均电流等，相对于超高频检测法，脉冲电流法检测设备简单，价格上也相对便宜，但缺点是脉冲电流法主要采集局放信号较低频段的视在放电量，而干扰噪声频谱也主要分布在小于1MHz 的频带范围内 ，使得脉冲电流法测得的局放信号容易被噪声干扰甚至湮没，信噪比低，容易引起误报漏报，同时检测接线涉及高压回路，现场开展带电检测存在很大的安全风险，故一般应用于在线监测。

（2）超声波+暂态地电位法。根据局部放电发生时的伴生信号，现场常用采用测量開关柜暂态对地电压法（Transient EarthVoltage，简称TEV） +超声波法（Acoustic Emission，简称AE） 开展局部放电检测。TEV 测量方法对于脉冲的变化速度很敏感，适用于介质内部的放电缺陷，但TEV 检测方法对套管、绝缘子等表面的放电现象不敏感，相反，AE检测方法比较适合表面放电的检测，TEV 检测容易受外界电磁波干扰，AE 检测容易受机械振动影响，两项技术互补性强，因此将两项检测方法结合一起对高压开关柜开展局部放电检测是目前人工检测的主要技术手段，并取得了良好的效果，缺点是很难准确定位、人工定期开展局部放电检测需耗费大量人力资源，同时易受检测人员技术水平影响，也无法及时发现两次人工检测期间所出现的局部放电缺陷[3]。

局部放电使绝缘介质发生裂化是一个渐变的过程，仅仅根据人工去开展周期性的现场检测工作，令单次数据有时并不能完整地反映设备的状况，需要在设备之间开展横向以及设备自身纵向对比，并通过分析差异及趋势变化，才能系统地分析、衡量开关柜的健康状况。 （3）特高频法。特高频检测法是近些年出现的一种新的检测方法，通过检测电气设备内部局部放电所产生的超高频（300～3000MHz）电磁波信号，实现局部放电的检测和定位。一般情况下噪声信号主要集中于低频段，故特高频检测法具有很强的抗干扰能力，且灵敏度高，但其缺点是对于结构复杂的电气设备，电磁波传播时会发生多次折反射及衰减，同时高压开关柜内不同放电源在特高频段的能量分布差异较大，加上天线放置位置与放电产生位置的距离也会影响天线耦合到特高频信号的强度，导致特高频检测方法无法对放电的大小进行定量分析，也就无法准确确定开关柜内的放电严重程度。因此，一直以来特高频检测方法只常应用于GIS及一些固体绝缘设备（如变压器、电力电缆等）中开展局部放电检测，而很少应用于对高压开关柜进行局放检测。

随着技术的进步，目前特高频局放检测装置的前置滤波技术已能有效去除各项干扰信号，只要传感器布置合理，就可以精准地捕捉到高压开关柜的异常局部放电信号及能基本判断严重程度[4]。

4 特高频法应用案例分析

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（1）沿海某市新建的110kV变电站于10月投运，投运前在两条给重要用户供电的10kV馈线高压开关柜内安装了高频局部放电在线检测装置，投运后一直未监测到异常局放信号;次年3月份起柜内局部放电探头持续监测到较高的表面局部放电量，并持续发展;4月10日申请将该馈线停电检修，详细检查柜内并未发现局部放电源，期间局部放电检测装置监测到的异常局部放电量并没有消失，也没有降低。经进一步检查后发现柜内局放探头监测到的表面放电信号来自于隔壁的51PT柜，将51PT柜停电后异常局放信号消失。检修时发现51PT相间绝缘距离不足，3月份起阴雨潮湿造成表面爬电情况迅速发展（见图5），检修处置后开关柜内局放信号恢复正常。

（2）在某10kV开关站试点安装了高压开关柜超高频局部放电在线检测装置后，一直运行良好;一天开关站局部放电在线检测装置发送了局放异常告警信号，详细检查后发现，该开关柜在一周前并接了一回出线电缆，出线电缆相间电场不均引发放电（见图6），经处置后局部放电情况消除[5]。 5 结束语

高压开关柜作为最为重要的配电设备之一，其健康可靠运行是电网安全运行及确保对用户可靠供电的基础。面对设备越来越多、运维工作量越来越大，而运维人员配置越来越少的现实情况，有必要研究通过提高自动化程度及通过运用带电在线检测技术来加强运行维护，提高工作效率，实现确保设备健康可靠运行的目标。本文简单介绍了3种高压开关柜常用局部放电检测技术，并结合现场实际浅析了3种方法相对优缺点，为后续探讨和开展高压开关局放检测提供参考。 参考文献

[1] 张显龙，李通.高压开关柜局放检测技术的现场应用[J].电工电气，2018，（5）：59-62. [2] 曲永政.超聲波及暂态地电压法在高压开关柜局放检测中的应用[J].电世界，2017，（11）：6-7.

[3] 阮羚，高胜友，郑重.宽带脉冲电流法局部放电检测中的脉冲定量[J].高电压技术，2009，45（5）：80-82.

[4] 刘云鹏，王会斌，王娟，等.高压开关柜局部放电UHF在线监测系统的研究[J].高压电器，2009，45（1）：15-17.

[5] 陈庆祺，张伟平，刘勤锋，等.开关柜局部放电暂态对地电压的分布特性研究[J].高压电器，2012，48（10）：88-93.