基于超声波检测的10kV开关柜电缆局放故障分析研究

海南电网海南输变电检修分公司 杨杰 梁盛乐 李晓洋

0 引言

10 kV金属封闭式开关柜作为配网系统中的主要设备之一，是连接变压器与用户负荷的导体，其主要作用是进行开合、控制与保护用电设备，在整个电力系统配网中起重要作用。

文中针对某地级市部分开闭所中开关柜检测案例，采用超声波检测技术对开关柜内部电缆仓的局放进行了测量。为探究开关柜中电缆出现局放故障的深层次原因，对该地区检测案例中电缆放电缺陷进行细致分类，讨论分析了电缆分支放电的位置、形态、原因，并提出了具体的合理化建议。

1 超声波局放检测技术

电气设备内部产生局部放电的过程中，会伴随产生声发射现象，即在局部放电发生的区域由于脉冲电流的作用瞬间受热膨胀，形成一个近似爆破的效果，当局放结束后表面膨胀效果消失。由于放电区域体积变化引起的介质疏密变化形成超声波，波形特征上表现为一连串的脉冲形式[1]。

超声波以球面波的形式从局部放电点向四周传播，针对开关柜内部产生的局部放电，超声波在传播过程中会遇到不同的介质，从而在柜体内部经过一系列的折反射，最后通过柜体缝隙传播出来[2]。

超声信号在传播至分界面处会发生衰减，同时随着传输距离的增加、开关柜内部空间结构的复杂性，多种介质交织，信号能量受声波扩散、介质粘度、分子撞击等原因逐渐衰减[3-4]。

针对开关柜内的局部放电超声信号可以利用非接触式超声传感器沿柜体缝隙处进行检测，通过检测到的信号周期最大值、有效值、频率成分、信号波形等特征，同时结合聆听耳机中超声信号的声音特征对放电信号进行综合检测判断。

2 现场检测及分析

2016年11月份，使用超声检测技术对某地级市10kV分段#112开关柜进行局放带电检测时，发现超声波信号检测到异常，经过对该开关柜停电消缺，电缆仓中电缆分支套管表面存在明显的放电痕迹，现场照片及信号图谱如图1所示。

通过对上述信号进行综合分析，幅值图谱中周期最大值15dB，100Hz相位相关性较强，工频周期内信号呈现两簇脉冲；结合停电消缺时观测到的实际情况，判断该开关柜下电缆室存在沿面放电。

后续对5个10kV开闭所进行例行局放带电检测，共检测到11处开关柜存在明显的异常超声信号。经统计发现，上述局部放电信号源均集中在开关柜电缆仓电缆分支位置。

图1 电缆仓实物图及超声检测图谱

3 10kV开关柜电缆缺陷统计

基于现场检测结果，对上述开关柜中电缆分支缺陷进行深入分析，主要从放电点所在位置以及放电点形态两方面展开。

3.1 电缆放电部位统计

电缆的基本结构可分为铜导体、内半导体层、主绝缘层、外半导体层、铜屏蔽层、内护套、铠装层、外护套，如图2所示。

图2 电缆基本结构图

从现场解体的11个开关柜电缆仓电缆放电点位置进行统计发现，放电主要分布在下图四个区域，如图3所示，各区域所在详细位置如下。

图3 单芯电缆结构示意图

区域一：电缆导体与线鼻子连接部位及外部热缩管交界区域；区域二：为剥离铜屏蔽与外半导电层后，仅剩主绝缘，外部套热塑管这段区域；区域三：为应力锥所在区域；区域四：铜屏蔽及外半导电层所在区域。

本次共参与解体了11处开关柜，电缆仓中分支电缆出现放电的实物图如图4所示。

图4 单芯电缆四个区域放电点实物图

根据各开关柜测试时间、放电点数、放电部位、前测试信号放电类型等信息统计出本次解体情况，如下表1所示。

表1 开关柜解体放电部位统计信息表

通过解体发现明显的放电点35处，同时结合电缆终端结构以及现场解体观察到各处放电点的位置统计，已解体开关柜电缆仓放电部位主要分布在电缆终端接头、电缆中间区域、应力管位置、铜屏蔽及外半导电层位置，各位置放电数量分别为10次、11次、4次、10次，其中部分放电点为三相或者两相均同时存在，各位置所占比例如下图5所示。

图5 电缆各部位放电比例统计

由上图可以看出，本次11次解体案例中电缆终端接头、中间区域、铜屏蔽及外半导电层三个位置发生放电比例较为接近，其中位于电缆中间区域的放电比例最高，其次是处于电缆终端接头与铜屏蔽及外半导电层位置，三者比例较为接近，处于悬空应力管位置放电数量最少。

3.2 放电点形态统计

本次共参与解体了11处开关柜，根据各开关柜放电点形态不同，从而划分为点状或者区域、带状放电、环形放电，其放电形态如下图6所示。

其中，下图黑圈以及绿圈所示即为点状（区域）型放电点；下图蓝圈所示部位即为带状放电部位，此处放电既没有局限在某一区域，也没有形成闭环放电通道，而是呈现带状形态；下图红圈所示即为环形放电形态，此处放电点呈现环形，热缩管表面一圈均存在放电痕迹。

图6 放电点形态划分

就本次解体情况得出以下统计信息，如表2所示。通过解体发现明显的放电点35处，通过对各放电点形态进行统计，点型/区域型放电、带状放电、环形放电数量分别为6次、5次、24次，各形态所占比例如下图7所示。

表2 开关柜解体放电形态统计信息表

图7 电缆各放电点形态比例统计

由上图可知，合川区现有开关柜解体放电点统计中，放电点位置出现环形放电比例最高，达到69%；其次是出现点状/区域型放电，达到17%。在现有统计样本环境下，出现环形放电的次数最为普遍。

初步分析其原因主要为电缆受潮严重，同时部分电缆安装工艺不合格导致电缆表面电场不均匀，在绝缘表面薄弱的位置发生放电。

4 故障原因分析及处理

为追溯上述放电的原因，对电缆分支表面不同位置出现不同形态的放电进行分析，以期减少同类缺陷的数量，更好地指导现场状态检修。

4.1 区域一放电位置

根据电缆头制作工艺，终端接头为电缆剥离主绝缘后经过系列工艺，将导体插入线鼻子，两部分共同构成电缆终端接头。结合现场解体数据，该区域出现放电多由于受到过往施工过程中不规范的工艺处理、设备产品质量不过关以及潮湿的环境等因素影响。

铜接管表面存在尖端毛刺。该原因主要由工艺制作不当引起。压接线鼻子过程中，圆柱形铜接管经线钳压结形成具有间隔错位、局部带有棱角的铜接管，压结完毕需挫平线鼻子上的压痕和毛刺。未经打磨情况下，其表面的尖端突起未作打磨处理将在不均匀电场下会导致尖端放电，致使外部热缩管发热甚至灼烧出现豁口，同时由于部分地区较为潮湿，电缆仓潮气严重，进而促进放电的发生。

主绝缘端口与线鼻子入口之间距离过大而未作绝缘填充。通过解体发现，现场电缆终端接头处端口间距离过大的案例达到7例。端口之间距离太大未作填充，无可避免将引入潮气，当电缆承受过电压时将极易引起空气击穿，形成端口处的环形放电。

安装工艺以及检修处理工艺不当都可能导致绝缘受损、电场不均匀，从而引起此区域的局部放电。超声波局部放电检测技术能够有效检测开关柜中异常信号，通过综合超声信号幅值、相位、波形及声音特征，判断缺陷类型，提高局部放电普测效率。

潮气、水分入侵：当电缆仓空气湿度较大，且大气压力偏高时，极易在电缆、电缆连接导体、仓壁形成凝露。对于制作工艺较差的电缆，潮气将无可避免地渗入热缩管、冷缩管；对于电缆表面，外加由于空气中的灰尘微粒的附着，无疑将降低电缆表面绝缘强度，极易形成具备放电的有利条件，一旦出现过电压、过电流，局部放电便会产生。

4.2 区域二放电位置

结合现场解体情况，该区域电缆仅有外部主绝缘，该区域出现的放电多由绝缘受损引起，施工过程中的意外损伤遗留的划痕或豁口均会在一定程度上改变区域表面场强，降低绝缘水平，容易导致局部放电的发生；一旦发生局部放电，将会形成恶性循环进一步破坏表面绝缘，加深该区域的劣化。

结合现场解体情况，该区域电缆仅有外部主绝缘，引起放电的因素主要有以下三个：

部分区域绝缘薄弱。由于制作工艺的缘故，电缆本体中芯线外表面不可能是标准圆，主绝缘层也不可能是标准的圆环，这将使得芯线对主绝缘表面的距离不会绝对相等，根据电场原理，主绝缘表面所处电场强度将不会处处均匀，最终导致电缆各部分的绝缘性能存在微小偏差，对于绝缘薄弱的地方在高压情况下便容易发生放电。

热缩不均匀。制作过程中套管收缩不均匀，遗留部分空气在内部，或者未能较好地调整火焰强度、保持距离、控制热缩温度，造成局部热缩温度太高烤焦热缩管或者过分收缩，使其产生裂纹。

潮气、水份入侵。其对电缆中间区域的影响与电缆终端接头的影响相同，潮气处于热缩管内部将有可能导致空气击穿；处于热缩管表面的凝露则会同表面污垢一起，降低表面绝缘，引起轴向爬电。

现场解体时中间区域多处出现环形放电，放电是沿着绝缘薄弱的地方发生，同时由于内部空气的存在，在内部形成带状或者其他不规则环形气隙，电压一旦过高将引起空气击穿。随着放电次数的增加最终形成环形放电通道，甚至最终灼烧热缩管形成豁口。潮气的进一步侵入会加剧放电的发生，将会形成恶性循环进一步破坏表面绝缘，加深该区域的劣化。

4.3 区域三放电位置

在制作电缆头时，剥离屏蔽层后，电缆原有的电场分布发生改变，将产生对绝缘极为不利的切向电场，该电场方向沿导线轴向延伸，此时电力线在屏蔽层端口处集中，该位置成为电缆最容易击穿的部位。

为改善电力线的分布，在外半导电层外部涂抹一层应力疏散胶，并将应力锥套装在外部。应力锥的使用将减少切向发散的电力线，对应效果如图8所示。但是现场发现存在应力管内部错位，未与铜屏蔽层有效接触而造成悬空的情况，从而形成一个悬浮于电场中的半导电体。

图8 应力锥度对电场分布影响

4.4 区域四放电位置

铜屏蔽层在正常运行时通过电容电流，当系统发生短路时，作为短路电流的通道，同时起到屏蔽电场的作用。外半导电层处在绝缘层与铜屏蔽层之间，与周围两层良好接触，起到均匀电位的作用。

剥去了铜屏蔽层的电缆，在相应位置的电场分布将会发生改变，电场线将在此端口沿轴向集中向外散发，从而对主绝缘产生不利影响，造成断口处主绝缘能力的薄弱。电缆中如果没有铜屏蔽层与外半导电层，三芯电缆极有可能发生相间绝缘击穿。安装工艺上要求铜屏蔽与外半导电层端口之间距离达到20mm，铜屏蔽端口距离分支手套端口70mm。

通过现场解体发现，8处解体4处开关柜在该区域共发生7次发放电，引起放电的主要原因如下。

安装工艺不规范。现场部分开关柜未使用应力管进行均匀场强，仅仅进行热缩处理，或者安装了应力管却不能保证与铜屏蔽、外半导电层的有效接触面积致使应力管作用失效。

检修处理工艺不规范。铜屏蔽层端口处理不平整，存在突起，从而加剧电场的不均匀。同时在历史问题处理中剥离更换热缩管的过程中，主绝缘受到严重划伤，表面遗留多处划痕，且有一定深度。

上述安装工艺以及检修处理工艺不当都可能导致绝缘受损、电场不均匀，从而引起此区域的局部放电。

5 结论

为防止开关柜电缆仓中潮气的侵入，在开关柜中可加强除湿通风，改善运行环境；电缆故障消缺过程中，注意施工工艺，尽量避免对电缆主绝缘的损伤，减少铜屏蔽层端口及电缆头压接管表面突起；使用热缩套管时热缩均匀或者使用冷缩套管，正确安装、更换应力锥；开关柜局放检测过程中，检测人员可综合检测结果及现场环境有针对性的关注电缆仓中异常。