开关柜局部放电检测方法及应用

贵州电网有限责任公司安顺供电局 邵 春 谢 珂 李 飞 张 辉 杨航康 金哲宇

高压开关柜是电力系统的重要设备，高压开关柜的安全稳定运行直接关系到客户的正常用电。由于在设计、制造、安装和运行维护方面存在着不同程度的问题，近年来发生多起高压开关柜放电事件。开关柜放电是由局部区域放电逐步扩大发展来的。局部放电是指当外加电压在电气设备中产生的场强足以使绝缘部分区域发生放电、但未形成固定放电通道的放电现象。局部放电与绝缘材料的劣化和击穿过程密切相关，检测局部放电能有效地反映电气设备的绝缘状况和绝缘缺陷，尤其对早期发现突发性故障要有效得多。

由于局部放电区域电场强度较大，不及时处理将会逐步扩大放电区域形成固定放电通道，所以局部放电是造成绝缘故障的主要原因之一，也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式。局放带电检测能够确定高压设备是否存在放电及放电是否超标。发现其它试验不能检查出来的绝缘缺陷及故障，是实现状态检测的重要技术手段。为了保证开关柜的安全稳定运行，对开关柜定期开展局部放电检测很有必要，是提前发现绝缘缺陷的有效手段。

1 高压开关柜局部放电的类型及原因

悬浮放电。在高压开关柜中，当某个导体部件由于接触不良与带电体或接地体断开，使得该部件位于高压电极与低压电极之间，并根据其位置的阻抗比获得分压产生悬浮电位[1]。具有悬浮电位的导体附近会形成较集中的场强，该场强会造成导体对周围绝缘介质放电，破坏四周绝缘介质的形成。悬浮电位放电一般易发生在电气设备内处于高电位或地电位的金属部件上；气隙放电。是固体绝缘介质较常见的内部放电。绝缘介质由于在生产加工时难免存在材料与工艺缺陷等原因，导致出现内部缺陷，比如掺入少量的空气或杂质等。带有内部缺陷的绝缘介质在高电压作用下有发生局部击穿或重复性击穿的可能。通常气隙大小、缺陷的位置和形状、气隙气体的种类和绝缘介质的特性等会对气隙放电的发生条件产生影响[2]。

沿面放电。是一种特殊的气体放电现象，常发生在电力电缆、绝缘套管的端部等位置。当绝缘介质内部的场强低于电极边缘气隙的场强，且绝缘介质沿面击穿电压相对较低，沿面放电就会发生在绝缘介质的表面。沿面放电具有不稳定性，沿面放电电压常受电压波形、电场的分布、空气质量、介质的表面状态、气候条件等因素的影响；电晕放电。是一种极不均匀电场下特有的自持放电形式，体现出了典型的极不均匀电场的特征。电晕放电常发生在被气体包围的高压导体周围，如高压线路、高压断路器、高压隔离开关等，因为这些高压电气设备的高压接线端子暴露在空气中，所以发生电晕放电的机率相对较大。电晕放电起始电压受电极的形状、外加电压、气体密度、极间距离、空气的湿度与流动速度等因素的影响。

2 高压开关柜局部放电检测的方法及原理

局部放电通常伴生电磁波、声波、电流行波、热能、发光、产生各类型气体或化学分解物等，可通过对上述各类化学、物理现象进行单项监测或多项综合监测对高压开关柜局部放电进行判别和定位[3]。目前最主要的三种开关柜局部放电检测方法是暂态地电压检测法（TEV）、超声波检测法(AE)、特高频检测法(UHF)。

2.1 暂态地电压检测法（TEV）

局部放电发生时，放电点会产生两个方向传播的高频电流波。该高频电流波受集肤效应的影响，仅集中在金属柜体内表面传播而不会直接穿透。当传播到金属断开或绝缘连接处时电流波转移至外表面，并以电磁波形式进入自由空间。电磁波上升沿碰到金属外表面，产生暂态地电压。通过测量暂态地电压的大小可判断局部放电的严重程度（图1）。

图1 暂态地电压检测原理图

对高压开关柜进行局放测试前应消除环境电磁辐射的影响，即先进行背景值的测量，记录空气、金属制品（金属门、金属窗）的背景值。这是因为开关柜外部的电磁干扰会在开关柜上产生暂态对地电压，同样也会在其他金属制品上产生暂态对地电压。为消除这个外部干扰产生的TEV，开始测试前在开关室的不同位置测试3～5个点（非带电金属体）的值，并取其均值作为背景参考值，测试时将仪器上的显示值减去背景参考值即为开关柜实际局放值。

测试过程中要注意排除干扰，如当发现某台开关柜局放值突然增大时，应首先排除环境背景值改变的干扰，再次对背景进行测量；避免随身用电设备（如手机）的干扰；注意荧光灯、排风机等的干扰。开关柜测试点通常选择前柜门的中、下部和后柜门的上、中、下部五个测试点，条件允许时还可在开关柜的两个侧面进行测量。

根据经验，测试数据大于20dB 时则认为开关柜内部存在局部放电。同时应与开关柜历次测试结果相互比较，当开关柜与历次测试结果比较增幅在5～10dB 时，应加强对该开关柜的关注，适当缩短试验周期。也应与相邻同类型开关柜相互比较，在同一开关室内，如某台或某台开关柜的局放比其他同类型开关柜局放大10dB 时，应加强关注并现场分析判断，看此开关柜附近是否有干扰源及开关柜内是否有故障。

2.2 超声波检测法(AE)

局部放电发生时会产生冲击振动，放电点会产生超声波（频率大于20kHz 以上），可通过超声波传感器测量超声波的大小来判断放电大小及类型[4]。超声波检测法就是通过在设备腔体外壁上安装超声波传感器来测量局部放电信号。超声波在固体中传播速度很快且衰减更快，很难穿透设备的金属外壳，所以要求开关柜必须存在可用于检测的开口或裂缝。采用超声波模式时，要先关闭开关室内可能产生超声波的设备（如驱鼠器）且测试背景数据。超声波传感器与开关设备间一定要有空气通道（柜体缝隙、排风叶窗），用来保证超声波信号可传播出来。测量时将传感器对准开关设备的空气通道处，沿着开关柜上的缝隙扫描进行检测且一定要注意保持足够的安全距离。

超声波AE 检测时可检测AE 幅值图、AE 波形图谱、AE 相位图。不同的放电类型其检测数据和图谱不同。悬浮放电超声检测AE 幅值图100Hz 频率成分大于50Hz 频率成分；AE 波形图谱每周期两组，波形陡、相位宽度窄；AE 相位图每周期两簇，打点位置聚集在上方，有悬空趋势。电晕放电超声检测AE 幅值图100Hz 频率成分小于50Hz 频率成分；AE波形图谱每周期一组，每簇中大小脉冲都有，相位宽度较宽；AE 相位图每周期两簇，一簇大一簇小打点位置大小都有。沿面放电超声AE 幅值图100Hz 频率成分大于50Hz 频率成分；AE 波形图谱每周期两组，每组中大小脉冲都有，相位宽度较宽；AE 相位图每周期两簇，呈双驼峰状，打点位置大小都有。

2.3 特高频检测法(UHF)

UHF 法是通过UHF 传感器对电力设备局放产生的特高频信号进行检测，判断设备局部放电状况和绝缘状态。UHF 法具有灵敏度高和抗干扰能力强等优点，可实现局放带电检测、定位、故障类型判断。检测前需关闭手机、荧光灯等可能产生特高频信号的设备，检测点选择开关柜上的观察窗、排风叶窗。测量原理见图2所示。

图2 特高频检测原理图

特高频检测法UHF 检测时可检测PRPS 图谱（脉冲序列相位分解）、PRPD 图谱（局部放电相位分解）和周期图谱，不同放电类型检测数据和图谱不同。悬浮放电PRPS 图谱幅值较大，柱状图走势有内八字特征，相位分布较窄；PRPD 图谱幅值都较大，无小信号，打点位置都在上面两格；周期图谱每周期一对脉冲信号，幅值较大，相位相差180°。电晕放电PRPS 图谱每个周期一簇，脉冲数非常密集，相位分布宽；PRPD 图谱幅值有大有小，一般小的多，放电点数量非常密集，相位分布较宽；周期图谱每周期一组脉冲信号，幅值有大有小，数量较多。气隙放电PRPS 图谱每个周期一簇，幅值有大有小，脉冲数较多，幅值不是很大相位分布较宽；PRPD 图谱每个周期一簇，幅值有大有小，但不会很大，放电点数量较多，相位分布较宽；周期图谱每周期一组脉冲信号，幅值有大有小，数量较多。

2.4 三种方法比较

暂态地电压检测法（TEV）和特高频检测法(UHF)属于电磁测量法：对脉冲的变化速度比较敏感，比较适合介质内部放电；对放电频谱较低的套管、终端、绝缘子表面放电不敏感；易受外界电磁干扰的影响；能够精确定位，但分辨率受检测设备精度限制；传播过程衰减较小等。同时因国产开关柜密封不是很好，其暂态地电压检测法（TEV）不是太灵敏，很多时候难于检测处局放信号。

超声波检测法(AE)属于声音测量法具以下特点：对介质类型比较敏感，适合检测空气介质放电；比较适合检测套管、终端、绝缘子表面放电；易受现场机械振动的干扰；定位精度对设备精度要求较低但受内部反射折射等现象影响传播过程衰减大等。

3 案例分析

3.1 案例1

对某110kV 变电站35kV Ⅰ母电压互感器开关柜局部放电检测，发现该开关柜后下柜门处暂态地电压检测正常、超声波检测异常，特高频信号异常，存在局放现象。其暂态地电压检测数据为：背景6dB、前柜中8dB、前柜下8dB、后柜上9dB、后柜中7dB、后柜下8dB。数据显示该开关柜暂态地电压检测无异常，图3显示超声 波检测AE 幅值图最大值20dB，50Hz频率成分大于100Hz 频率成分，符合电晕放电现象。图4显示特高频信号幅值有大有小，放电点的数量非常密集，相位分布较宽，幅值较大，Max=65dB，每个周期一簇，脉冲数非常密集，相位分布宽，符合电晕放电现象。综合判断该开关柜存在电晕放电。随后将该开关柜停电检查，发现柜后门处的电压互感器和避雷器表面积灰严重，将其清扫投入运行后再次进行局部放电检测，三种方式下的数据均无异常。

图3 超声波检测数据

图4 特高频检测

3.2 案例2

对某110kV 变电站10kV 某开关柜局部放电检测，发现该开关柜柜前中柜门处暂态地电压检测正常、超声波检测异常，特高频信号异常，存在局放现象。其暂态地电压检测数据为：背景7dB、前柜中8dB、前柜下8dB、后柜上10dB、后柜中8dB、后柜下9dB。数据显示该开关柜暂态地电压检测无异常，图5显示超声波检测AE 幅值图最大值20dB，100Hz 频率成分大于50Hz 频率成分，符合悬浮放电现象。图6显示特高频信号具有工频相关性，每周期出现两簇信号。幅值较大，柱状图走势呈内八字，相位分布较窄，打点位置大部分在上方。初步判断存在悬浮放电。综合判断该开关柜存在悬浮放电。随后将该开关柜停电检查，发现断路器A 相动触头处有放电痕迹，进一步检查发现该动触头接触不良，造成带电运行时存在悬浮放电。

图5 超声波检测数据

图6 特高频检测

综上，对于国产的开关柜进行局放检测，暂态地电压检测往往都难以测出真实结果，测量准确性较差且无法判断放电类型。而特高频及超声波检测法，除特殊情况（特高频对沿面放电不灵敏、超声波对绝缘内部气隙放电不灵敏）外与地电波法相比，都能够较为精确的测量出设备局放问题，且可初步判断放电类型和大致位置。单一的运用某种检测方法存在着一定局限性，并不能全面、客观、真实的反映被检设备的运行状况，有时甚至出现误判断。唯有综合运用不同的检测方法，声－电联合测试是局部放电检测的最佳选择，通过专业分析才能做到对设备运行状况最客观的评估，从而做出合理的决策。