开关柜局放检测技术在山西电网中的应用

2019-05-17杨冬冬马丽强郭俊龙

山西电力 2019年2期

杨冬冬，马丽强，郭俊龙

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001；2.朔州市平鲁区天润风电有限公司，山西朔州 036800）

0 引言

开关柜因其占地面积小，安装方便等优点被广泛用于变电站10 kV、35 kV出线及城市配电网开闭所中。开关柜内部集成了断路器、隔离开关、接地开关、互感器等一次、二次设备，内部空间紧凑，结构复杂，其在长期运行中，由于在强电场、热效应及化学物质作用下，绝缘性能会不断劣化降低，进而产生过热、局部放电（简称“局放”）等现象。局放的累积效应会加速绝缘的劣化程度，最终导致绝缘击穿，发生短路故障，严重者发生近区短路，巨大的短路电流冲击主变压器造成其损坏［1－2］。

众所周知，局放是一个复杂的物理化学过程，会伴生电磁波、声音、超声波、气体等现象。通过对这些物理量的带电或在线监测能够有效发现开关柜潜伏性缺陷，及时消除缺陷，避免故障发生，保障电网安全。

近几年，特高频、超声波、暂态地电压等带电检测技术单一或联合检测得到了成功的应用，发现了大量的开关柜放电缺陷［3－5］。检测人员于2016年开展了开关柜专项带电检测工作，应用上述3种带电检测技术，对山西省主网变电站10 kV、35 kV开关柜进行了全面的普测，取得了良好的成效。

1 开关柜局放检测技术

1.1 特高频法

特高频检测法是通过特高频传感器对电力设备中局部放电时产生的特高频电磁波（300 MHz≤f≤3 GHz）信号进行检测，获得局放信号的幅值、相位等相关信息。特高频信号受封闭开关柜的屏蔽，只能从柜子缝隙或观察孔传出，利用非接触外置式传感器在柜体孔隙处检测。

1.2 超声波法

高压开关柜内产生局放时的超声波信号可以利用非接触式超声波传感器在缝隙处进行检测，也可以利用接触式超声波传感器在柜体上进行检测。非接触式超声波检测法主要依据超声信号的幅值进行判断，接触式超声波检测法主要利用连续检测法显示被测信号在一个工频周期内的有效值、峰值，以及被测信号与50 Hz、100 Hz的频率相关性（频率成分1和频率成分2），通过信号幅值、频率成分大小判断设备是否存在异常放电及可能的放电类型。

1.3 暂态地电压法

暂态地电压法主要是通过电容耦合传感器对局部放电脉冲信号在设备的封闭金属壳体上产生的瞬时对地电压进行测量，得出局部放电的幅值和放电脉冲频率等参数［6］。

2 带电检测开关柜缺陷统计分析

检测人员在开关柜带电检测工作共发现异常开关柜508面，其中停电验证发现存在绝缘缺陷的开关柜71面（图2），通过分析这些开关柜发现，穿柜（穿墙）套管、电流（电压）互感器、主母线及分支母线、断路器、隔离开关、避雷器、电缆、绝缘隔板、支柱绝缘子等设备容易发生绝缘缺陷导致故障。

①—穿柜套管、穿墙套管；②—电压、电流互感器；③—主母线、分支母线；④—高压断路器；⑤—隔离开关；⑥—避雷器；⑦—电缆；⑧—支柱绝缘子、绝缘隔板及其他

3 开关柜主要元件放电成因及信号特征

3.1 穿柜套管放电

穿柜套管放电原因主要分两类。第一类是老式穿柜套管内未设计加装屏蔽线，导致套管内母排支撑处较小的气隙承受了较高的感应电压。在柜内湿度大、瓷体污秽的情况下，当气隙的场强超过气隙击穿场强时便在套管内部发生放电。此类缺陷超声波信号明显，超声波周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；特高频信号特征多表现为沿面放电，其次为电晕放电和悬浮放电；暂态地电压信号不明显。第二类是有屏蔽线的穿柜套管，当屏蔽线松动、脱落或触碰内壁时，容易使中心导体与屏蔽线间存在电场不均匀分布，表面电场强度超过气体的击穿强度发生放电，此类缺陷超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；特高频信号特征多表现为悬浮放电，其次为电晕放电；暂态地电压信号不明显。

3.2 互感器放电

电压互感器和电流互感器放电原因主要分两类。第一类是在安装过程中绝缘距离不足导致放电；第二类是为加强绝缘采用的绝缘隔板或绝缘包封材料，在脏污、受潮或长时间运行后，绝缘性能下降引起放电。这两类缺陷超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；特高频信号特征多表现为沿面放电，其次为悬浮放电；部分缺陷有暂态地电压信号。在运行中，如互感器本体或引线螺栓松动，也会引起振动产生超声波局放干扰信号。

3.3 母排及引线排放电

母排及引线排放电原因主要是其与绝缘隔板距离不足。在空气潮湿、护套表面脏污等共同作用下，母排与绝缘隔板间产生放电，此类缺陷超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值。特高频信号特征多表现为沿面放电，暂态地电压信号不明显。当母排连接部位螺栓松动或接触不良时，会伴随有发热现象，此时暂态地电压信号和超声波局放信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；特高频信号特征多表现为悬浮放电。

3.4 断路器放电

断路器产生局部放电的原因主要分两类。第一类是潮气侵入开关柜内并凝结在触头、绝缘筒等部位，导致触头锈蚀接触不良、绝缘筒有效爬电距离下降，此类缺陷超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；暂态地电压信号存在；特高频信号特征多表现为沿面放电。第二类是动静触头受力变形，未能紧密接触。此类缺陷超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；特高频信号特征多表现为悬浮放电；部分缺陷有暂态地电压信号。

3.5 隔离开关放电

隔离开关局部放电原因主要分两类，第一类是由于年久老化、锈蚀或弹簧松弛造成接触不良。此类缺陷放电超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；特高频信号特征多表现为悬浮放电；暂态地电压检测有信号；同时接触不良伴随有发热现象。第二类是绝缘件受损。隔离开关各传动部分需要的传动力较大，当安装、调试不当时，长期承受机械负荷的冲击，会造成瓷瓶破裂。如果瓷瓶内部出现细小裂纹，此类缺陷超声波信号不明显，特高频信号特征多表现为气隙放电，暂态地电压有信号；如果瓷瓶外部出现明显破损痕迹，绝缘性能下降，此类缺陷超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；特高频信号特征多表现为沿面放电；暂态地电压信号不明显。

3.6 避雷器放电

避雷器常见的局部放电原因主要分三类。第一类是引线布线不合理，与绝缘隔板距离不满足要求引起放电，此类缺陷超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；特高频信号特征多表现为沿面放电；暂态地电压信号不明显。第二类是高压引线连接螺栓松动，此类缺陷超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；特高频信号特征多表现为悬浮放电；暂态地电压信号不明显。第三类是避雷器本体缺陷引起的局部放电，原因包括部件老化如内部弹簧老化弹力不足，导致避雷器内部阀片松动；生产工艺不良如阀片混装导致内部设计尺寸与实际生产出现偏差；产品材质瑕疵如复合外套内部存在微小裂纹等。此类缺陷超声波信号不明显，暂态地电压信号明显。

3.7 电缆终端放电

电缆终端放电原因主要分两类。第一类是终端头在相间交叉接触、脏污严重、受潮时，伞裙间易发生局部放电，此类缺陷超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；特高频信号特征多表现为沿面放电；暂态地电压信号不明显。第二类是电缆终端制作工艺不良，此类缺陷超声信号不明显，特高频信号特征多表现为内部气隙放电，暂态地电压信号较明显。

3.8 支柱绝缘子

支柱绝缘子放电主要原因为支柱绝缘子与高压导体紧固部位松动、绝缘包封破损。此类缺陷超声波信号明显，超声周期最大值、有效值、频率成分1、频率成分2有数值；暂态地电压信号不明显。

4 几起典型案例检测分析

4.1 穿柜套管放电

试验人员在对220 kV某变电站进行开关柜局放检测过程中，发现35 kV分段400开关柜特高频测试数据异常，存在疑似放电缺陷，检测数据见表1及图2。进一步使用PDS-G1500进行局放定位分析，分析判断分段400开关柜局放发生部位为B相穿柜套管处。随后对分段400开关柜进行了停电检查，柜内各部位元件外观正常，未发现异常放电痕迹，局放试验发现B相穿柜套管局放量为13 pC（标准要求≤3 pC），判断B相穿柜套管可能环氧树脂浇注时工艺控制不严，内部存在气泡而引起局部放电。现场对B相穿柜套管进行了更换，更换后进行耐压局放试验，耐压合格，检测局放信号消失，缺陷消除。

表1 分断400开关柜检测数据

图2 分段400开关柜特高频PRPD/PRPS图谱

4.2 断路器放电

试验人员在带电检测过程中发现某站35 kV某线378开关柜存在异常超声、特高频信号（超声波图谱如图3所示，特高频图谱如图4所示），判断内部有异常放电。

图3 超声波幅值检测图谱

图4 特高频周期/PRPS/PRPD图谱

停电后检查发现小车触头固定部位有明显放电痕迹，且静触头的“盒型”绝缘隔板已明显发黑。判断为小车动触头固定部位对绝缘隔板发生局部放电。现场检查发现该开关柜导电铝排与绝缘挡板距离较近，且导电铝排未加装绝缘护套，绝缘裕度不够，导致该部位电场分布不均匀，局部场强较高，当绝缘隔板表面脏污受潮后发生沿面局部放电。检修人员对柜内导电铝排加装绝缘护套，拆除全部上下静触头结构不合格的绝缘隔板。恢复送电后对开关柜再次进行检测，放电信号消失（图5）。

图5 柜内放电痕迹及绝缘隔板

4.3 电缆终端头放电

运维人员在巡检时发现某站35 kV电压互感器开关柜后下部电缆室存在异常特高频信号，无异常超声信号（图6）。

图6 超声波和特高频局放检测信号

对该开关柜进行停电检查，电缆以及避雷器外观未见异常。对B相电缆进行谐振耐压试验，升压至52 kV，持续4 min后电缆终端头击穿放电。将B相电缆终端接头解剖后，发现击穿部位为半导体层断面处。该电缆头制作工艺存在严重问题，应力锥与半导体层搭接处插入了绝缘护套，使应力锥与电缆铜屏蔽层半导体无法紧密搭接，导致产生局部放电。同时电缆半导体层切面处无电场应力过渡作用，场强严重畸变，最终导致耐压试验中放电击穿。重新制作更换三相电缆终端接头后耐压试验，耐压合格，同时进行高频以及超声波局放检测，异常信号消失。