高压开关柜局部放电诊断定位技术研究与运用

赵祥龙，焦 伟，刘成华，盖 磊，李小龙

（国网山东省电力公司临沂供电公司，山东 临沂 276003）

0 引言

高压开关柜的故障可分为：拒动故障、误动故障、绝缘故障、载流故障、开断与关合故障、外力故障及其他故障［1］。从故障对电网的影响程度看，绝缘和载流故障对电网的影响最大，占高压开关柜所有故障的40%以上。并且绝缘和载流故障一旦发生，故障处理困难，处理时间长，影响供电。目前常采用停电例行试验和带电检测的手段来发现此类故障隐患。停电例行试验，一方面对设备内的固体绝缘有积累损害效应，另一方面由于设备必须停电，造成供电可靠性下降［2-4］。带电检测是在设备运行条件下进行的检测，能够反映设备的真实运行状况，及早发现设备隐患，并且不会影响供电。由于带电检测的优越性，近几年在电网中被广泛使用［3］。高压开关柜的带电检测主要是设备的局部放电检测。据统计，引起高压开关柜局部放电的主要因素包括：绝缘表面受潮和污秽、设备连接处的接触不良、导体或柜体有金属毛刺、设备内部有金属微粒、设备绝缘内部气隙放电等。

高压开关柜内的局部放电主要分为表面放电和内部放电，发生放电时伴随着声、热、光、电、磁等多种形式的物理现象以及气体电离等化学反应［5］。目前针对高压开关柜局部放电采用的检测方法有超声法、暂态地电压法、特高频法等［6］。通过一起35 kV高压开关柜的局部放电的案例，采用3种检测方法进行检测，并采用特高频法对放电源进行了精确定位，通过停电检修验证了局部放电检测和定位的准确性。

1 局部放电检测方法

1.1 超声波局部放电检测法

局部放电产生的声信号频率高于20 kHz时，人耳无法听到，此频段声波为超声波。依据局部放电的机理，局部放电在初期表现为微弱的辉光放电，释放的能量很小，放电后期将出现强烈的电弧放电，释放的能量很大，可见局部放电释放的能量是从小到大变化的，则声能也是从小到大变化的［7-8］。超声波局部放电检测法就是根据局部放电产生的超声波信号的特征和大小来判断局部放电发生的类型与强弱。检测原理如图1所示。

图1 超声波局部放电检测原理

1.2 暂态地电压局部放电检测法

高压开关柜发生局部放电产生的电磁波在传播过程中遇到金属时，会在金属中产生频率相同的电流行波，电流行波以光速向各个方向传播，受集肤效应的影响，电流行波往往仅集中在金属柜体的内表面，而不会直接穿透金属柜体［9-11］。但是，高压开关柜有观察窗、绝缘连接处等金属不连续部位，电流行波就会在这些金属不连续部位由高压开关柜的内表面传播到外表面，并且在外表面产生暂态对地电压。由于电气设备柜体存在电阻，电流行波在传播过程中必然存在功率损耗，因此，金属柜体外表面产生的暂态地电压不仅与局部放电量有关，还会受到放电位置、传播途径及箱体内部结构和金属断口大小的影响，暂态地电压信号的强弱虽与局部放电量成正比，但比例关系复杂、多变且难以预见，也就无法根据暂态地电压信号的测量结果定量推算出局部放电量的大小［12］。通过暂态地电压传感器检测其暂态地电压的大小来反映内部局部放电的强弱，检测原理如图2所示。

1.3 特高频局部放电检测法

设备中局部放电时产生的电流脉冲具有纳秒级甚至皮秒级的上升前沿和极短的持续时间，能够激发频率高达数百兆赫兹及以上的电磁波。电磁波在设备内传播，经由观察窗、柜体缝隙等部位向外辐射。特高频局部放电检测是应用内置或外置特高频传感器，通过耦合设备中局部放电产生的特高频电磁波信号，实现高压开关柜局部放电检测，检测原理如图3所示。

图2 暂态地电压检测原理

图3 特高频局部放电检测原理

实际巡视检测时使用的是如图4所示的便携式局部放电检测仪，该仪器具有超声波局部放电、暂态地电压局部放电和特高频局部放电检测等功能，能对局部放电产生的异常信号进行快速诊断。局部放电源精确定位系统主要包含特高频局部放电传感器、示波器、信号调理器等设备，如图5所示。

图4 便携式局部放电检测仪

图5 局部放电源精确定定位系统

2 缺陷检测与分析定位

2.1 发现过程

2018年5月18日，试验人员对220 kV某变电站进行带电检测巡检时，在对站内35 kV高压室内的开关柜进行超声波局部放电检测，在35 kV 1号所变S31-1隔离开柜上方检测到明显的超声波局放信号，在隔离开关柜柜顶中间缝隙区域最强，超声周期最大值为13.0 mV，频率成分1（50 Hz）为 0.3 mV 小于频率成分 2（100 Hz）为 1.0 mV，如图6～8所示，可知超声波相位图谱及波形图谱具有工频相关性，且相位图谱每个周期有两簇信号，成驼峰状，具有明显的聚集效应，波形图谱每个周期有两组脉冲波形，波形形状各不相同，且幅值不一，同时耳机中也具有放电特征声音，根据这些超声特征，依据Q/GDW 11059.1—2013《超声波法局部放电带电检测技术现场应用导则》，综合判断35 kV 1号所变S31-1隔离开关柜内检测到超声波异常信号。

图6 超声波幅值图谱

对35 kV开关柜进行暂态地电压局部放电检测，测试空气背景读数为13dB，金属背景读数为12 dB，测试数据如表1所示，1号所变S31-1隔离开关柜的信号最大，并且距离1号所变S31-1隔离开关柜越远的开关柜检测数值越小。依据Q/GDW 11060—2013《交流金属封闭开关设备暂态地电压局部放电带电测试技术现场应用导则》，若开关柜检测结果与环境背景值的差值大于20 dB，需查明原因。

图7 超声波相位图谱

图8 2个周期内超声波波形图谱

表1 暂态地电压（TEV）测试数据 dB

对35 kV 1号所变S31-1隔离开关柜进行特高频局部放电检测，检测数据及图谱，如图9所示。可知特高频PRPD/PRPS图谱具有的局放特征，PRPD/PRPS图谱显示在一个工频周期出现两簇局部放电信号，信号在工频周期内有很强的对称性，依据Q/GDW 11059.2—2013《特高频法局部放电带电检测技术现场应用导则》，呈现明显的放电特征。

图9 特高频PRPD/PRPS图谱

2.2 定位分析

通过局部放电精确定位系统检测可以看到示波器的绿色、黄色和红色通道显示在一个工频周期内有两簇脉冲信号，呈现很均匀的特征，脉冲信号间隔时间基本相等，最大幅值约为1.22 V，如图10所示，综合判断放电类型为金属性放电。

图10 特高频信号图谱

2.2.2 局放定位分析

为了准确定位局部放电源的位置，采用特高频局部放电平分面法和时差法进行定位。采用平分面法进行精确定位，步骤为：左右水平移动两传感器，当示波器两个检测通道的信号波形重叠时，则局部放电源位于两个传感器连线的垂直平分面P上，平分面法定位原理如图11所示。

图11 平分面法定位原理

在确定局部放电源位于O位置周围后，可在邻近开关柜缝隙处或者观察窗分别放置两个传感器B1和B2，两传感器之间水平距离L，并通过示波器观察两个传感器接收到的信号时间差Δt，设开关柜局部放电源距传感器B1距离为x，按公式（1）计算局部放电源的准确位置。时差法定位原理如图12所示。

图12 特高频局部放电时差法定位

式中：c为电磁波等效传播速度，3×108m/s。

第1次定位检测判断特高频局部放电信号位置。传感器信号来源定位波形如图13所示，绿色传感器波形上升沿位置超前于红色传感器，且红色传感器基本无特高频信号，可知信号源位于开关柜内部。

图13 信号来源定位波形

第2次定位检测局放信号左侧定位分析。传感器左侧定位波形如图14所示，绿色传感器波形上升沿位置超前于红色传感器，可知信号源位于左侧即35 kV 1号所变S31-1隔离开关柜开关柜。

图14 左侧定位波形

第3次定位检测局放信号右侧定位分析。传感器右侧定位波形如图15所示，绿色传感器波形上升沿位置超前于红色传感器，可知信号源位于右侧即35 kV 1号所变S31-1隔离开关柜。

图15 右侧定位波形

第4次定位检测局放信号横向定位分析。传感器横向定位波形如图16所示，绿色传感器检测到的信号波形与红色传感器检测到的信号波形上升沿基本相同，由此可知信号到达两个传感器的时间基本相同，说明局部放电信号源位于两个传感器连线垂直平分面上。

图16 横向定位波形

第5次定位检测局部放电源纵向定位分析。传感器纵向定位波形如图17所示，上下移动传感器，绿色传感器检测到的信号波形与红色传感器检测到的信号波形的上升沿基本一相同，可知信号到达两个传感器的时间基本相同，说明局部放电源位于两个传感器连线垂直平分面上。

第6次定位检测局放信号深度定位分析。传感器深度定位波形如图18所示，红色传感器放置在1号所变S31-1隔离开关柜后侧观察窗，绿色传感器放置在1号所变S31-1隔离开关柜前侧观察窗，两传感器物理距离约为2.4 m（开关柜的前后距离）；根据示波器波形可以看出红色波形超前绿色波形约6 ns，对应的物理距离约为1.8 m。代入式（1）得出放电源距离绿色传感器的距离大约为0.3 m的位置。

图17 纵向定位波形

图18 深度定位波形

综上可判断，局部放电位置在35 kV1号所变S31-1隔离开关柜右上部位的内部往里30 cm处概率较大（初步判断为A相），更进一步的位置需结合开关柜内部结构综合判断。

3 局部放电位置检查与处理

经过停电检查发现在35 kV 1号所变S31-1隔离开关柜与311开关柜A相穿柜套管内母线与套管屏蔽层之间发生了放电。为了使母线和套管屏蔽层之间形成等电位，在母线与套管屏蔽之间用屏蔽弹簧相连。长期运行，屏蔽弹簧的机械强度会降低，材质太软，变形后不易恢复，如果受到外力或者设备电动力的作用，屏蔽弹簧出现松动，就会和套管屏蔽层接触不良形成金属性放电。经过检查套管内部有明显的放电灼烧痕迹，屏蔽弹簧由于放电烧蚀得非常严重，如图19～20所示。通过更换套管和屏蔽弹簧消除了放电缺陷。

图19 屏蔽弹簧放电烧蚀情况

图20 套管屏蔽层放电烧蚀情况

4 结语

在实际工作中，开关柜局部放电检测发现缺陷数量远远大于停电例行试验发现的缺陷数量，局部放电检测已经成为开关柜状态检修的主要手段。超声波局部放电检测对外部放电缺陷和机械振动比较灵敏，抗干扰能力较强；TEV是间接检测电磁波信号，主要发现内部绝缘缺陷，抗干扰能力差，较适用于纯电缆进线；特高频局部放电检测是直接对电磁波信号进行检测，抗干扰能力强，对放电信号比较灵敏，对于机械振动信号灵敏度较差。

放电源粗略定位时，可根据超声波、暂态地电压和特高频局部放电的幅值大小进行，而放电源精确定位时，采用特高频定位技术的时差法和平分面法，在有条件的情况下还可以采用声电联合法进行定位。