半絕緣型開關柜局部放電帶電檢測技術應用現狀分析

1、半絕緣型開關柜非嵌入式局部放電帶電檢測技術應用現狀分析廣東電網公司廣州供電局試驗研究所 熊俊 王勇 黃慧紅 陸國俊 吳碧華 廣東電網公司廣州白云區(qū)供電局 楊曉東 盧志亮 廣東電網公司廣州荔灣區(qū)供電局 黃曉彤 何國榮 廣東電網公司廣州蘿崗區(qū)供電局 黃祖成 韋文強摘 要 簡要描述了一種開關柜局部放電帶電檢測系統(tǒng)的基本原理和主要功能。總結了國內部分開關柜絕緣放電缺陷的共同特征，從放電現象本身及運行環(huán)境兩個方面對檢測手段的有效性進行了客觀分析，指出空氣中局部放電電磁輻射特性不明顯是影響地電波檢測結果的主要原因。根據絕緣放電缺陷表達形式的多樣性和主次性特點，結合地區(qū)運行經驗，對每一類高壓設備建議配備至少

2、1種檢測手段。在目前階段，專家經驗和儀器抗干擾特性是決定診斷準確性的兩個重要方面。加快測試隊伍的專業(yè)化是保障狀態(tài)檢測工作發(fā)揮實效的重要基礎。開展局部放電多方法聯合檢測是提高診斷效果的有效途徑，也是今后狀態(tài)檢測的重要發(fā)展方向。關鍵詞 局部放電 絕緣缺陷 多樣性 主次性 抗干擾 聯合檢測1 引言絕緣技術是電力系統(tǒng)高壓一次設備的基本技術問題之一。為保障高壓導體與地之間有足夠的絕緣強度，通常可分別選擇空氣、油及SF6氣體等作為絕緣介質。絕緣介質處理工藝的好壞或運行過程中絕緣受潮、老化等均會影響到設備的整體壽命，局部放電是產生這一類問題的征兆，因此，開展局部放電帶電檢測有利于掌握設備的絕緣狀態(tài)，將事故隱

3、患消除在萌芽狀態(tài)。掌握局部放電的基本特征、有針對性采用相應檢測技術，是能夠有效發(fā)現問題的基礎。為進一步加強設備絕緣狀態(tài)檢測，提高設備運行的可靠性，借鑒新加坡電網有限公司狀態(tài)檢測方面先進的經驗，國內主要供電企業(yè)于2007年開始陸續(xù)引入了Ultra TEV plus+便攜式局部放電帶電檢測系統(tǒng)，專門用來解決開關柜的狀態(tài)檢測問題。由于現場便攜特性，Ultra TEV plus+很快在運行單位推廣使用。經過近兩年的實踐，國內的運行單位積累了不少Ultra TEV plus+儀器現場使用的經驗，也提出了一些疑惑。例如，超聲波比地電波似乎更加靈敏，現場缺陷診斷依賴運行經驗，狀態(tài)巡檢周期的設定等?？紤]到上述

4、問題，本文對Ultra TEV plus+儀器的基本原理和主要參數進行了介紹，總結了現有國內外部分案例的共性特征，并討論相關原因，以期為現場測試人員提供一定的參考。最后，本文對開展開關柜設備狀態(tài)檢測提出了相應的設想。2 便攜式局部放電帶電檢測系統(tǒng)2.1 系統(tǒng)構成高性能超聲波傳感器新一代開關柜便攜式局部放電帶電檢測系統(tǒng)（Ultra TEV plus+）主要由信號單元、附件及校驗器等三部分組成?？刂颇K分別內置地電波和超聲波兩種模式。地電波傳感器為內置傳感器。超聲波有三種選擇模式：內置式、延長麥克風及帶激光的高性能超聲波傳感器。采用超聲波測量時，為幫助現場測試人員分辨放電與環(huán)境干擾聲波，該系統(tǒng)測試

5、時還提供一套高保真耳機協助監(jiān)聽。使用時根據需求選擇檢測傳感器的方式，測試前可利用校驗器對設備進行檢測確認儀器是否工作正常。設備外觀如圖1示。延長麥克風a信號單元b超聲波傳感器c校驗器圖1 設備外觀圖2.2 基本原理及參數通常，局部放電同時以聲、光、電的形式向周圍釋放和傳播能量，這是局部放電表現形式的多樣性特征。不同類型的局部放電或不同階段的局部放電又具有其表現形式的主次性特征，如空氣中表面放電以聲發(fā)射特征為主，絕緣內部放電的電磁高頻特征較為常見。電暈放電電磁輻射穩(wěn)定，聲波特征也穩(wěn)定但相對弱；爬電屬于間歇性放電現象，電磁輻射特性不明顯，聲波特征較強但也不十分穩(wěn)定。當發(fā)生局部放電時，電磁波向四周傳

6、播，在金屬殼內表面形成脈沖電流并向四周擴散，集膚效應作用下會在金屬殼外表面形成一個暫態(tài)電壓脈沖（地電波）。利用容性探頭即可檢測到這些脈沖，從而反映局部放電情況。地電波的形成過程如圖2所示。圖2 地電波傳播示意圖由氣體放電理論和實踐可知，氣體發(fā)生放電時，會出現聲發(fā)射現象，局部放電部分能量會以聲波的形式向周圍傳播。利用超聲波探頭即可檢測這些聲脈沖，從而反映局部放電的狀況。在室溫和標準大氣壓條件下，聲波傳播的距離和衰減的快慢一定程度上取決于放電過程中快速釋放的能量大小。一般來說，電磁波在油紙、環(huán)氧介質中的穿透性較強，在空氣中的衰減性大，而聲波在油紙、環(huán)氧介質中的放射強，衰減快。根據上述原理，Ultr

7、a TEV plus+系統(tǒng)分別提供兩種檢測功能：地電波和超聲波。地電波模式的主要參數有效檢測頻帶：3MHz80MHz；測量范圍：0dBmV60dBmV；分辨率：1dB；精確度：1dB；最大脈沖/周期數：665；最小分辨脈沖率：10Hz。超聲波模式的主要參數：測量范圍：-70dBV68dBV；分辨率：1dB；精確度：1dB；傳感器靈敏度：-65dB（0dB=1伏特/bar rms SPL）；傳感器中心頻率：40kHz；傳感器直徑：16mm；外差頻率：38.4kHz。2.3 檢測方式（1）地電波由于空間電磁脈沖（空間電暈、無線電、汽車內部某類高頻干擾信號等）可穿透進入電房，在被測對象金屬外殼上或之

8、外的金屬表面均會感應出地電位，對檢測結果造成干擾。因此，測試前需要在電房金屬門及空氣中各進行一次測量，掌握干擾水平。正確的檢測方式如圖3a所示。通常，選擇每一面開關柜的上、中、下部分以及開關柜組兩個側面進行測量。 a.正確 b.不正確圖3 地電波檢測方式（2）超聲波Ultra TEV plus+系統(tǒng)的超聲波模式可有效避免空間的電氣干擾。使用超聲波模式前將探頭朝向空氣讀取背景干擾噪聲。測量前，根據開關柜類型和高度等選擇超聲波傳感器。測量時，需將傳感器對著縫隙以接收內部傳出的信號。 a.利用內置超聲波探頭 b.利用外接超聲波探頭圖4 超聲波檢測方式圖2.4 判斷依據根據電網公司新能源狀態(tài)檢測的經驗

9、，地電波讀數若超過20dB就應引起注意。同時，該讀數應與被測電房的干擾讀數、其他金屬面板上的讀數進行比對。利用超聲波功能檢測時，經驗認為相對讀數超過7dB時應該引起重視。一般超過15dB時，人耳能夠分辨處放電聲響。上述的經驗只是對開關柜內存在局部放電現象的一個定性判斷。從資產管理及用戶重要性角度考慮，需要對開關柜絕緣狀態(tài)進行一個故障風險評估。這方面的工作屬于狀態(tài)檢測的高級運用階段，但是目前還缺乏這樣的數據庫。為提高評估的客觀性，一是需要提高巡檢周期（通常是3個月一次，異常進一步縮短），且每次檢測接觸點應盡量一致。二是利用其他儀器開展局部放電在線監(jiān)測局部放電定點和確定發(fā)展趨勢。3 案例分析3.1

10、 總體情況表1列出了本文收集到的部分開關柜非嵌入式局部放電帶電檢測的應用案例。這些案例運行參數的共同特征有：運行中基本聽到了不同程度的放電異響，有些案例現場能夠聞到臭氧的味道；現場工況大部分處于潮濕環(huán)境或者積污嚴重情況（如圖5a）。局部放電檢測的結果共同特征是：a.所有案例通過超聲波基本能夠有效反映；b.除非常嚴重的放電地電波反映出來，其他案例地電波表現并不明顯。退運處理后解體結果的共同特征是：a.放電類型以表面電暈或爬電為主（如圖5b）；b.大部分放電處電腐蝕痕跡明顯（如圖5c）。所有放電位置均為空氣絕緣方式。表1 狀態(tài)檢測部分應用案例序號地區(qū)電壓等級名稱運行參數局部放電檢測解體結果退運前放

11、電性質放電位置異樣/異響環(huán)境工況地電波超聲波1BJ10kV母線進線柜明顯放電異響良好63121.支柱絕緣子表面積污嚴重，標簽脫開。2.穿墻套管內部無均壓材料或裝置。電暈空氣絕緣2BJ10kV配電室開關柜明顯放電異響潮濕5623穿墻套管安裝工藝不良引起懸浮電位放電電暈空氣絕緣3BJ35kV開關室開關柜明顯放電異響良好不詳19進線電纜頭安裝工藝導致使外護套與柜體接觸引發(fā)局部放電爬電空氣絕緣4BJ10kV母線進線柜明顯放電異響良好不詳19母線嚴重污引發(fā)局部放電爬電空氣絕緣5BJ10kV變壓器側開關柜不詳良好不詳8穿墻套管內壁均壓金屬疲敝與母線存在懸浮電位引發(fā)局部放電電暈、爬電共存空氣絕緣6BJ35k

12、V母線進線柜不詳良好不詳8穿墻套管內壁均壓金屬疲敝與母線存在懸浮電位引發(fā)局部放電爬電空氣絕緣7GZ10kV用戶環(huán)網柜明顯放電異響潮濕2315母線室積污且支柱絕緣子與電極結合處受潮引發(fā)局部放電爬電空氣絕緣8GZ10kV用戶環(huán)網柜明顯放電異響潮濕20181. 母線室積污且支柱絕緣子與電極結合處受潮引發(fā)局部放電。2. 電纜頭分叉處有螺帽致使懸浮電位引發(fā)局部放電。3.電纜分叉口表面落有水珠引發(fā)局部放電。爬電為主，電暈為次空氣絕緣9GZ10kV用戶環(huán)網柜明顯放電異響潮濕23261. 負荷開關柜與支柱絕緣子結合處受潮引發(fā)局部放電。2.電纜頭處表面受潮引發(fā)局部放電爬電空氣絕緣10SGP10kV用戶環(huán)網柜明顯

13、放電異響潮濕15161.負荷開關柜與支柱絕緣子結合處受潮引發(fā)局部放電。2.電纜頭處表面受潮引發(fā)局部放電爬電空氣絕緣11SGP11kV用戶環(huán)網柜明顯放電異響潮濕1020電纜頭處表面受潮引發(fā)局部放電爬電空氣絕緣12SGP11kV變壓器廂式柜明顯放電異響潮濕1525進線套管表面受潮且積污引發(fā)局部放電爬電空氣絕緣 a.進線電纜溝（受潮）b.螺帽懸浮放電和水珠放電現象c.母線室絕緣子與電極處爬電現象圖5 常見運行環(huán)境和放電點3.2 分析當外加電壓在設備上產生的場強足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但在放電區(qū)域未形成固定放電通道的這種放電，定義為局部放電。局部放電大部分情況下不影響設備的整體絕緣，介質損耗、電容

14、測試等手段并不能靈敏地發(fā)現。局部放電發(fā)生的位置可能存在于單一絕緣介質中（氣隙放電），或兩種絕緣介質的界面（沿面放電）上。電暈和電弧是屬于局部放電范疇的兩種基本放電形式。設備絕緣老化過程中通常伴隨著多種放電的形式，一般可以認為電暈是局部放電的起始點，局部電弧是電暈不斷發(fā)展到一定程度的結果。通常在標準的大氣壓下，要在空氣中發(fā)生電暈，其周圍的電場需要達到空氣臨界的電場強度，一般為20kV/cm?？諝飧稍锏那闆r下，設備絕緣系統(tǒng)表面的電場遠低于臨界值，不會引發(fā)表面的局部放電現象。一旦表面受潮，絕緣材料表面將積聚大量細密的小水珠引發(fā)運行電壓下的水珠電暈放電。外部環(huán)境條件不發(fā)生改變時，電暈放電將持續(xù)發(fā)生。經

15、過長期的發(fā)展，隨著絕緣材料的逐步腐蝕，局部絕緣強度下降到一定程度時，將發(fā)生局部沿面擊穿，即發(fā)生爬電現象。因此，不同的時期會有不同的局部放電特征。此外，高壓導體的靜電作用使導體表面不斷吸附灰塵，導致局部電場畸變引發(fā)局部電暈。水珠周圍局部電場的分布和切向電場值（如圖6和圖7所示）。電暈放電現象通常比較穩(wěn)定，幅值比較低，伴隨紫色的可見光和可聽噪聲（絲絲聲）。圖6 存在水珠時絕緣子局部電場被加劇圖7 沿試樣表面與水珠半徑重合的路徑電場值分布不同的局部放電形式有不同的時頻域特征。對于絕緣子表面局部爬電的現象，脈沖電流幅值通常在幾個毫安至幾十個毫安，而相應的電磁輻射信號的頻率譜主要集中在1kHz以下。對于

16、絕緣子表面局部電暈的現象，脈沖電流幅值通常在幾個毫安，而相應的電磁輻射信號的頻率譜主要集中在1MHz以下，少部分可達到10MHz。中低壓開關柜內部絕緣表面放電也是如此。另外，對于地電波檢測方法而言，本質上講它的檢測是電壓變化信號，屬于電容傳感器檢測傳導脈沖電流的方法。因此，這種方法不可能像超高頻傳感器（天線原理）一樣有非常高的檢測頻率譜和靈敏度。10kV電壓等級的外絕緣放電頻率較低，主要能量通常分布在1MHz以下（除非特別強的表面放電能達到3MHz7MHz的范圍，如果對于開關柜來說是這樣，那么，柜內的外絕緣已經非常脆弱了）；Ultra TEV plus+系統(tǒng)TEV的功能有效檢測的頻帶為3MHz

17、80MHz，兩方面的頻帶交疊程度不高是導致地電波方法不靈敏的主要原因。因此，對于此類放電，在今后的工作中藥加強多個儀器的搭配使用。同時，要加強巡檢，使設備的運行狀態(tài)處于可監(jiān)視的范圍內。4 狀態(tài)檢測工作探討4.1 因地制宜原則開展高壓設備的狀態(tài)檢測已成為電力企業(yè)資產管理的重要手段，為能最有效的發(fā)現缺陷，掌握設備的運行狀態(tài)，應根據一類設備的主要缺陷形式有針對性地選擇狀態(tài)檢測的技術手段。就廣州地區(qū)而言，變電站10kV高壓室開關柜的主要問題是機構方面的，絕緣問題是其中的一部分。因此，在開展狀態(tài)檢測工作時應加強機械特性的試驗，將該類設備的故障率通過狀態(tài)檢測降到可接受的水平。對于廣州地區(qū)的配電網系統(tǒng)，絕緣

18、缺陷引起開關柜故障的比例在50%以上（2009年已經達到60%），絕緣問題是配電網高壓開關柜的主要問題。因此，在不影響供電可靠性的前提下，靈活開展非嵌入式局部放電帶電檢測是降低配網高壓開關柜故障率的有效手段，應從現有檢測技術的靈敏性和實際情況考慮，加強開關柜狀態(tài)檢測的巡檢率是預防事故擴大，將事故消除在萌芽狀態(tài)的有效途徑。4.2 動態(tài)修訂判定標準當前，國內關于開關柜的非嵌入式局部放電帶電檢測狀態(tài)評估的標準主要以借鑒新能源電網公司的經驗為主。因此，隨著檢測經驗的不斷積累和狀態(tài)檢測實踐案例經驗的不斷豐富，有必要對各種狀態(tài)的閾值標準進行動態(tài)修訂。4.3 完善檢測技術手段根據絕緣放電缺陷表達形式的多樣性和主次性特點，結合地區(qū)的運行經驗，對每一類高壓設備建議配備至少1種檢測手段。地電波和超聲波檢測技術各有其特點，其實應用效果應從長期積累的角度去衡量。開展局部放電多方法聯合檢測是提高診斷效果的有效途徑，也是今后狀態(tài)檢測的重要發(fā)展方向。此外，對某些特別重要的電