高压开关柜局部放电故障诊断分析方法

2018-11-29

无损检测 2018年11期

(晋城供电公司，晋城 048000)

随着电网的不断发展，用电负荷的不断增长，高压开关柜被大量应用于电力系统中，是用户供电的核心设备[1-2]。然而，开关柜在长期运行时，受环境、强电场、热化学效应等影响[3-4]，柜内设备绝缘处不断劣化，产生了局部放电现象。局部放电会进一步加快绝缘劣化速度，形成恶性循环，最后产生绝缘击穿现象，甚至引发开关柜爆炸，造成近区短路事故，降低了供电的可靠性，提高了运维成本。

自开展状态检修工作以来，开关柜检修工作量大幅减少，设备可靠性明显提高[5]。但是以周期性停电例行试验为基础的状态检修工作存在停电压力大、例行试验无法及时反映设备状态的变化趋势、缺陷检出率低等不足。随着不停电检测技术的发展和开关柜制造水平的成熟，国网公司于2016年开展了基于不停电检测的开关柜状态检修工作，实现了开关柜状态量的实时监测，大大提高了开关柜状态检修工作的有效性。

1 高压开关柜局部放电检测应用情况

目前，带电检测技术在开关柜状态检修中的应用已非常广泛，随着检测人员技术水平的大幅提高，形成了一套可操作性强、结构完善的应用体系。不少单位成功开展了暂态地电压、超声波、特高频、红外测温、紫外成像等带电检测项目，发现了开关柜的误动、绝缘故障、载流故障、异物入侵等[6-7]。

经过近两年数据的统计分析，发现绝缘与载流故障约占开关柜缺陷中的70%，其中绝缘缺陷约占绝缘与载流故障中的80%。开关柜绝缘缺陷引起的局部放电类型主要有沿面放电、尖端放电、悬浮放电、内部放电等，其中沿面放电占比最高，约为70%，其他局部放电类型占比依次递减。局部放电故障主要发生在35 kV的开关柜上，在局部放电故障的所有开关柜中约占75%，局部放电故障发生在不大于10 kV开关柜上的比例仅为25%。开关柜内部设备局部放电分布比例及成因如表1所示，由表1可以看出，穿柜套管、穿墙套管局部放电的占比最高，约为34%。

表1 开关柜内部设备局部放电分布比例及成因

2 高压开关柜局部放电诊断分析方法

2.1 干扰的排除

开关柜局部放电检测易受各种干扰，其干扰源主要有4种：① 室外设备干扰信号，主要为室外马达、变电站场地设备或杆塔电晕信号、主变机械振动干扰等;② 室内辅助设备干扰信号，主要为驱鼠器、照明闪烁、风机干扰等;③ 人员干扰，主要为人员手机信号、身体静电干扰等;④ 高压开关柜干扰信号，主要为柜体共振、多个局部放电故障互相干扰、超声局部放电故障对附近柜体超声波反射信号的干扰等。

排除干扰首先要关闭室内外辅助设备，进行背景检测，通过暂态地电压(TEV),超声,特高频信号方向、强度、幅值的变化趋势，辨别声音特征等来确定信号来源，必要时可采用具有定位功能的检测仪器进行精确定位。

2.2 局部放电的检测定位

2.2.1 局部放电检测

局部放电检测时应记录背景值、环境温度和湿度、开关柜的运行状态，必要时记录负荷，便于后期分析比对。TEV检测位置应固定，便于跟踪对比。超声检测采用超声探头从柜体缝隙、观察窗等处进行检测。特高频信号应从玻璃观察窗等非金属封闭处检测。对于存在局部放电异常故障应进行跟踪监测，依据局部放电的严重程度和发展趋势安排跟踪周期。

2.2.2 局部放电定性

开关柜局部放电类型主要有沿面放电、尖端放电、悬浮放电、内部放电等，各种放电的信号特征、产生机理和放电位置不同。沿面放电超声信号明显，放电位置集中于设备表面，主要为表面脏污受潮引起绝缘下降；尖端放电超声信号明显，多伴随有TEV(暂态地电压)信号和特高频信号，特高频脉冲序列相位分布(PRPS)图谱极性效应明显，放电幅值较小且分散，主要为导电体表面毛刺棱角引起；悬浮放电特高频信号明显，多伴随有TEV信号，PRPS图谱相位常具有一定对称性，放电幅值较大且较为稳定，主要由器件松动或异物引起；内部放电TEV信号明显，多伴随有特高频信号，PRPS图谱放电幅值较分散，且放电次数少，由于放电位置为设备内部，超声信号衰减较大，超声检测不灵敏。

2.2.3 局放定位

利用暂态地电压,超声波,特高频信号方向性、幅值变化趋势、图谱特征、声音特征、开关柜运行状态变化等进行初步定性定位，判断局部放电设备及相序，并通过观察窗查看相应部位及周边外观有无异常，必要时可增加红外测温、紫外成像等检测手段，对局部放电缺陷进行定位和类型定性。

有条件时可采用局部放电定位仪进行精确定位，主要有2种方法：① TEV定位法,运用2只TEV传感器检测，通过时间差法和幅值来精确定位，信号先到达的传感器先被触发，表明该传感器离放电点的电气距离较近，且TEV幅值较大。② 特高频定位法，运用2只特高频传感器检测，采用时差法，当2个传感器同时触发时，放电点在垂直于两个检测点的平面上，实现精确定位。

2.3 停电检查验证

停电检查局部放电缺陷时，首先检查设备外观是否良好，有无异物，接线是否松动等，采用工频交流耐压试验和开关柜局部放电检测相结合的诊断方法，配以紫外成像和红外测温等手段，每相升压到运行电压，分析信号变化趋势，定位某一相后，对该相设备进行分步拆分试验，最终确定缺陷设备，配以常规试验进行确认，事实证明该方法对局放定位、分析判断简单有效。有条件时应对缺陷设备进行解体检查，诊断故障的根本原因，对初步诊断结论进行验证反馈。

采用阈值分析、趋势分析、横向分析、图谱分析等方法，结合放电类型和放电位置，判断局放缺陷严重程度及变化趋势，并依据规程标准制定科学合理的应对措施。

2.4 缺陷归类分析

对于高压开关柜局部放电缺陷，应按照形成原因、设备种类、缺陷类型等进行归纳整理、比对分析、总结规律，查找潜在缺陷。例如：无屏蔽的穿芯套管在脏污受潮情况下易发生表面放电，且超声信号与季节关联大，应进行整体更换。35 kV开关柜尺寸设计较小，通过加装绝缘隔板来弥补设备间距的不足，减小受脏污、受潮及孔距小等影响，35 kV开关柜在长期运行后更易发生表面放电，应加强绝缘隔板的设计制造、安装维护等管控措施。

2.5 小结

局部放电形成原因多种多样，且环境状态复杂，常伴随有干扰，检测理论与实际存在一定偏差，应对案例进行总结提炼，形成典型经验，以指导后续工作。

表面放电是开关柜最常见的放电类型，其根本原因是配电室温度、湿度控制措施不够完善，部分设备维护不到位，开关柜内湿度长期较大，甚至产生凝露现象。故应重视配电室温度、湿度控制工作，必要时增加除湿装置，采用加热器贴柜壁安装方式，35 kV断路器舱室宜加装加热器，开关柜不宜采用全密封结构。

对于设备内部放电，可以在实验室内将一次设备外壳、工作接地(指变压器中性点、避雷器尾端接地等)与参考柜体连接，模拟设备在开关柜内的真实运行情况。部分设备内部放电存在局部放电检测信号异常的现象，但停电试验数据正常，这是因为设备绝缘存在一定问题，但停电试验手段无法有针对性地有效检出。

高压开关柜带电检测较传统试验灵敏度高，能够及时发现传统试验无法检出的潜在性缺陷，可以应用到新设备的交接验收中，能有效排除设计、制造、安装工艺中的漏洞，大大提高新投设备的品质。

3 高压开关柜局部放电检测应用案例

3.1 故障简介

2017年3月9日，某220 kV变电站35 kV 2号站变372开关柜后柜暂态地电压测试数据与其他柜相比整体严重偏大，最大相对幅值为49 dB，远超出标准值20 dB，无超声信号，特高频信号幅值为66 dB，悬浮放电位置为后下柜左侧设备，经停电检查为A相避雷器内部阀片松动引起的放电，并对其进行了更换处理。

3.2 故障检测

3.2.1 背景检测

背景检测(指检测开关柜运行环境有无干扰信号)时，室内除湿机、风机、照明、驱鼠器全部关闭，配电室西侧为1号主变、2号主变，北侧为主控室，东侧为围墙，南侧为电容器组。背景检测数据见表2(环境温度为10℃；相对湿度为55%)，由表2可以看出，室内、外干扰较小，可以真实反映开关柜内的局部放电情况。

表2 背景检测幅值 dB

3.2.2 检测跟踪

2017年3月9日，开关柜局部放电检测数据如表3所示，由表3可以看出，2号站变372开关柜TEV数据异常，后柜下部最大相对幅值49 dB，大于20 dB，且伴有悬浮放电特征的特高频信号，特高频PRPS图谱如图1所示，初步判断后柜下部设备存在内部局部放电。2017年3月11日，开关柜局放跟踪检测数据与9日相近，无明显变化。

表3 开关柜局部放电测试数据 dB

图1 372开关柜特高频图谱

3.3 诊断分析

3.3.1 TEV分析

阈值分析：后柜下部(左侧A相附近)最大相对值为49 dB，大于20 dB。开关柜TEV横向数据对比如图2所示，2号站变372开关柜TEV数据异常，相邻柜体TEV数据递减(横向分析)；2016年10月背景检测11 dB，2号站变372开关柜后柜下部测试值为18 dB，结果正常，2016年之前检测数据变化不大(趋势分析)。2号站变372开关柜TEV检测数据异常，与历年数据相比有明显增长。