開關(guān)柜局放檢測原理及其應(yīng)用

1、開關(guān)柜帶電檢測原理及其應(yīng)用 三泰電力技術(shù)（南京）有限公司 楊鍇摘 要 本文主要是基于高壓開關(guān)柜局部放電這一常見的故障，講述了局部放電產(chǎn)生的原因、放電過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象、局部放電檢測的常用方法、數(shù)據(jù)分析以及一般的檢測步驟。關(guān)鍵詞：局部放電、超聲波、暫態(tài)地電壓1 引言高壓開關(guān)柜是城市配電網(wǎng)中重要基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響到城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民生活水平質(zhì)量的提高。因此，開關(guān)柜設(shè)備的可靠性直接決定了用戶供電的可靠性。狀態(tài)檢修是提高供電設(shè)備可靠性的重要技術(shù)手段。但是，開關(guān)柜不可能采取像高壓變壓器、GIS設(shè)備那樣的在線監(jiān)測技術(shù)路線，實現(xiàn)全面、實時的在線監(jiān)測。因為：1） 高壓開關(guān)柜數(shù)量眾多; 2） 開關(guān)

2、柜的設(shè)備造價低;3） 監(jiān)測設(shè)備的成本很高;據(jù)不完全統(tǒng)計，開關(guān)柜故障特征大多表現(xiàn)為絕緣與載流故障上。然而絕緣與載流故障都是與放電現(xiàn)象密切有關(guān)的！因此對中壓開關(guān)設(shè)備實施放電檢測可顯著減少故障概率！2 開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生機(jī)理開關(guān)柜內(nèi)部局部放電的種類很多，主要分為內(nèi)部放電和表面放電兩種，并以電磁波、氣體等形式釋放能量。2.1內(nèi)部放電2.1.1產(chǎn)生機(jī)理內(nèi)部放電存在主要是由于制造過程中絕緣介質(zhì)內(nèi)部殘留氣泡、雜質(zhì)形成電介質(zhì)的不均勻，造成氣體-固體、液體與固體、固體-固體的復(fù)合絕緣。圖2-1 絕緣介質(zhì)內(nèi)部殘留氣泡就拿介質(zhì)中殘留氣泡來說（如圖2-1），通常情況下，氣隙中的場強(qiáng)度比介質(zhì)中的高，而另一方面氣體的擊穿

3、場強(qiáng)一般都比介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)低。因此，在外加電壓足夠高時，氣隙首先被擊穿，而周圍的介質(zhì)仍然保持其絕緣特性，電極之間并沒有形成貫穿性的通道，只在氣泡中形成局部放電。油隙中也會發(fā)生局部放電，不過與氣隙相比要在高的多的電場強(qiáng)度下才會發(fā)生。在介質(zhì)中極不均勻電場分布的情況下，即使在介質(zhì)中不含有氣隙或油隙，只要是介質(zhì)中的電場分布是極不均勻的，也就可能發(fā)生局部放電。例如埋在介質(zhì)中的針尖電極或電極表面上的毛刺，或其他金屬屑等異物附近的電場強(qiáng)度要比介質(zhì)中其他部位的電場強(qiáng)度高得多。當(dāng)此處局部電場強(qiáng)度達(dá)到介質(zhì)本征擊穿場強(qiáng)是，則介質(zhì)局部擊穿而形成了局部放電。放電過程圖2-2絕緣介質(zhì)內(nèi)氣隙放電空間電荷分布在氣隙發(fā)生放電時

4、，氣隙中的氣體產(chǎn)生游離，使中性分子分離為帶電的質(zhì)點(diǎn)，在外加電場作用下，正離子沿電場方向移動，電子（或負(fù)離子）沿相反方向移動，于是這些空間電荷建立了與外施電場方向相反（如圖2-2），這是氣隙內(nèi)的實際場強(qiáng)為 即氣隙上的電場強(qiáng)度下降了，于是氣隙中的實際場強(qiáng)低于氣體擊穿場強(qiáng)，氣隙中放電暫停。在氣隙中發(fā)生這樣一次放電過程的時間很短，約為10數(shù)量級，在油隙中發(fā)生這樣一次放電過程的時間比較長，可達(dá)10數(shù)量級。圖2-3外部電壓、空間電荷q、氣隙電壓的時間變化圖圖2-3很好的解釋了放電過程總在工頻電壓周期的上升延，即090或180270（以初始周期為例）。由此可見，在正弦交流電壓下，局部放電時出現(xiàn)在外加電壓的一

5、定相位上，當(dāng)外加電壓足夠高時在一個周期內(nèi)可能出現(xiàn)多次放電，每次放電有一定間隔時間。2.2表面放電開關(guān)柜中絕緣子、套管等固體絕緣在機(jī)械上起固定作用，又在電氣上起絕緣作用，其絕緣狀況關(guān)系到整個開關(guān)柜的可靠運(yùn)行。放電與表面的干燥、潮濕或清潔、污染以及存在凹凸處有較大關(guān)系。由于界面電場分布的影響，會產(chǎn)生表面放電、爬電、污閃等放電現(xiàn)象。3 檢測原理局部放電過程中往往伴隨有電磁波、超聲波、光、臭氧、熱等物理或化學(xué)現(xiàn)象以及相應(yīng)的過程，但是我們檢測時往往以電磁波和超聲波為主要的檢測指標(biāo)。3.1TEV應(yīng)用原理及信號提取高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時，放電量往往先聚集在與接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位，形成對地電流，在設(shè)備

6、的金屬表面上傳播。對于內(nèi)部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，屏蔽連續(xù)時在設(shè)備外部很難檢測到放電信號，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續(xù)，局部放電的高頻信號會由此傳輸?shù)皆O(shè)備屏蔽外殼。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，局部放電現(xiàn)象的發(fā)生產(chǎn)生出變化的電場，變化的電場激起磁場，而變化的磁場又會感應(yīng)出電場，這樣，交表的電場與磁場相互激發(fā)并向外傳播，形成了電磁波，如圖3-1所示。當(dāng)開關(guān)柜的內(nèi)部元件對地絕緣發(fā)生局部放電時，小部分放電能量會以電磁波的形式轉(zhuǎn)移到柜體的金屬鎧裝上，因柜體接地，電磁波在開關(guān)柜外表面感應(yīng)出高頻電流，我們利用電容耦合測出幅值及脈沖。 接縫處 母排電磁波 局部放電 電磁波

7、局部放電檢測儀電磁波圖3-1 TEV產(chǎn)生示意圖3.2超聲波應(yīng)用原理及信號提取局部放電前，開關(guān)柜內(nèi)放電點(diǎn)周圍的電場應(yīng)力、介質(zhì)應(yīng)力、粒子力處于相對平衡狀態(tài)。局放是一種快速的電荷釋放或遷移過程，導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍的電場應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力與粒子力失去平衡狀態(tài)而產(chǎn)生振蕩變化過程。機(jī)械應(yīng)力與粒子力的快速振蕩導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍介質(zhì)的振動現(xiàn)象，從而產(chǎn)生聲波信號。采集和處理過程如圖4-1。圖4-1超聲信號采集和處理4 局放數(shù)據(jù)分析1） 當(dāng)發(fā)現(xiàn)開關(guān)室內(nèi)TEV背景值與測試值都在20dB以下時，表示開關(guān)設(shè)備正常，下次再次進(jìn)行巡檢。2） 如果開關(guān)室內(nèi)TEV背景值在10dB以下，而某些開關(guān)柜的測試值在20dB30dB，應(yīng)對該開關(guān)柜加

8、強(qiáng)關(guān)注，觀察以后檢測幅值的變化趨勢。3） 如果開關(guān)室內(nèi)TEV背景值10dB以下，而某些開關(guān)柜的TEV測試值大于30dB（相對值大于20dB），而表明該開關(guān)柜有局部放電現(xiàn)象，應(yīng)使用定位技術(shù)對放電點(diǎn)進(jìn)行定位。4） 如果開關(guān)室內(nèi)TEV測試值和背景值都在30dB以上，且并沒有發(fā)現(xiàn)在某個開關(guān)柜上出現(xiàn)峰值，應(yīng)使用定位技術(shù)來判斷信號源的來源，如檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)信號源來自開關(guān)柜，而不是外界的干擾信號，應(yīng)使用定位技術(shù)對放電點(diǎn)進(jìn)行定位。5） 使用超聲波傳感器測量時，通過耳麥能清楚的聽到局放聲，則說明此開關(guān)柜內(nèi)存在局部放電。6） 如果在某個開關(guān)柜的超聲波測試數(shù)據(jù)幅值大于6dB小于20dB，說明開關(guān)柜內(nèi)存在局部放電，需要

9、進(jìn)行復(fù)測。7） 如果在某個開關(guān)柜的超聲波測試數(shù)據(jù)幅值超過20dB，說明該開關(guān)柜內(nèi)部存在嚴(yán)重的局部放電，應(yīng)盡快組織復(fù)測，密切關(guān)注檢測幅值的變化趨勢。5 開關(guān)柜（環(huán)網(wǎng)柜）檢測的一般步驟開關(guān)柜電氣局放數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示局放故障比率為圖5-1。 電纜36%斷路器25%電壓互感器20%母線10%電流互感器9% 圖5-1局放故障比率所以在檢測時重點(diǎn)檢測開關(guān)柜前面下部以及后面部位。TEV檢測時：1） 開啟儀器，選擇TEV模式。對不屬于或未連接到開關(guān)設(shè)備的金屬物體上進(jìn)行背景干擾水平測量，記錄下金屬物體3次連續(xù)的dB值和計數(shù)，取中間幅值作為背景測量值。2） 測量開關(guān)柜，在每個開關(guān)柜前、后部的上、中、下各取一個測量值，是TEV探頭與要被檢測的金屬表面垂直接觸，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。3） 如果測到的幅值比背景干擾高出10dB，本身幅值大于20dB的，應(yīng)該連續(xù)記錄三組讀數(shù)。4） 遇到本身幅值大于30dB，絕對幅值大于20dB的，使用定位儀器進(jìn)行局放源的定位。5） 遇到環(huán)境幅值較大且不能準(zhǔn)確定位的，要使用可以排除外界干擾的長期定位儀器進(jìn)行定位。超聲檢測時：1） 開啟儀器，選擇超聲模式，插入耳機(jī)并調(diào)節(jié)音量。2） 在開關(guān)室內(nèi)選擇三個位置，測