开关柜局部放电带电检测分析
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摘要：开关柜是当前配电系统中非常重要的电气设备，其运行的稳定性关系到系统供电可靠性。由于柜内开关、电流互感器等设备处于密闭的金属空间内，且其停电检修周期长，一般的停电检修难于保证开关柜可靠运行。对开关柜进行带电检测是进行状态检修的重要手段。当前开关柜带电检测的主要手段有超声波局方和暂态地电压检测，本文结合现场实际案例进行分析。
关键词：开关柜； 带电检测；超声波；暂态地电压
中图分类号： TE08 文献标识码： A
1开关柜超声波局放检测
开关柜超声波局放检测的原理是当电气设备发生局部放电时，放电粒子撞击周围空气激发声波并通过开关柜缝隙向外传播，检测人员通过专用检测仪器传感器接收到该超声波信号进而根据信号的频谱特性进行模式识别，进而对放电情况进行诊断分析。
局部放电激发的超声波属于机械波范畴，其频率较低，一般在20~100千赫兹之间。这种性质的超声波能量较弱，同时其反映的局部放电也较弱，多属于外部放电。图1为超声波信号接受传感器原理图。
图 1 超声波接受传感器原理图
2开关柜暂态地电压局放检测
暂态地电压最先由工程师Dr．John Reeves在1970年发现[1]。
高压电气设备发生局部放电时，放电量往往先
聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流在设备表面金属上传播。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面，屏蔽连续时在设备外部无法检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位不连续，局部放电的高频信号会由此传输到设备屏蔽外壳。因此，局部放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并沿着设备金属箱体外表面继续传播，同时对地产生一定的暂态电压脉冲信号[2]，图2为TEV检测原理图。
图 2 TEV检测原理图
当开关柜内部的绝缘材料内部发生局部放电时，由于单个放电时间极短，一般持续时间只有几纳秒，在极短的时间内放电电极之间的电荷发生快速的交变，导致靠近放电点的金属屏蔽层表面电位随之变化，从而形成了一个快速交变的脉冲电流，此脉冲电流的频率很高，一般可以达到几十兆赫兹[3]。根据电磁场理论，高频电流在金属表面传播时具有集肤效应，脉冲电流只在很薄的导体表面上传输。
高频电流信号就通过这些缝隙传输到设备外层，从而在金属外壳上产生一个暂态电压信号，暂态对地电压为暂态对地电流与路径阻抗的乘积。以不考虑损耗的传输线计算，波阻抗满足。L和C分别是传输线单位长度的自感和电容，不同设备波阻抗Z0的数值也不同，10kV单芯电缆约为10欧姆，35kV金属外壳的高压开关柜约为70欧姆[4]。经计算可得1000皮库的局部放电量将产生幅值为l～7付特，持续时间为10纳秒的暂态对地电压。该脉冲电流沿着开关柜金属壳的内表面传播，通过开口、接头、盖板等的缝隙处传出，然后经金属壳外表面传到大地。因此可以在开关柜外表面放置TEV传感器来检测此TEV信号。
目前TEV法检测设备大都采用电容性探测器来检测放电脉冲，其频响范围在1MHz~30MHz之间，在局部放电过程中，局部放电信号在设备的金属封闭壳体产生的瞬时对地电压，可通过电容耦合传感器对其进行测量，安装在开关柜外侧的传感器测到到TEV信号，发送给数据处理单元进行分析，得出局部放电的幅值和放电脉冲频率等参数[5]。
3.1案例一
某110kV变电站（#1）后柜门上、下部位测得超声波局放数据分别为15dB和26dB，用探测器能听到典型放电声音，而开关柜各部位暂态地电压数据只有2dB左右。数据结果如表1所示：
表1#1变电站超声波局放测试数据
编号 超声波数据（dB） 运行
状态
前上 前下 后上 后下
300 -5 -3 -5 -6 运行
316 -5 -2 15 26 运行
318 -6 -6 -5 -6 运行
从表1中可以看出，316开关柜后门超声波数据明显异常，根据《电力设备带电检测技术规范（试行）》，超声局放达到异常。而相邻的300开关柜和318开关柜超声波数据正常，且无典型放电声音。初步判断放电缺陷处于开关柜后柜门下半部位。后经停电检查发现，316开关柜电缆室电缆头三角叉处B、C相之间存在明显放电痕迹。进行电缆头重做后投入运行，超声波数据恢复正常。
3.2案例二
某110kV变电站（#2）35kV开关柜超声波局放测试时发现402、4X14开关柜局放异常，具体数据如表2所示：
表2#2变电站超声波局放测试数据
编号 超声波数据（dB） 运行
状态
前上 前下 后上 后下
400 -6 -5 -5 -3 运行
4x14 -6 6 -5 -5 运行
404 -5 -6 -6 -6 运行
402 -5 -5 17 -6 运行
410 -5 -6 -6 -6 运行
从表2中可以看出，4X14开关柜前柜门处测得超声波数据明显异常。而相邻的400开关柜和404开关柜超声波数据正常。402开关柜后上柜门超声波数据达到17dB,具有明显放电声。而相邻的404、410开关柜正常。
后进行停电检查发现，4X14开关柜前柜门内侧三相TV外绝缘与绝缘挡板距离过近，具有明显放电痕迹。对402开关柜进行检查发现，柜内穿屏套管由于没有采取屏蔽措施，具有明显的导体对穿屏套管放电痕迹。
3.3案例三
检修人员在110kV变电站（#3）10kV开关室进行开关柜带电检测时发现所有暂态地电压数据正常，但301开关柜后下部位超声波局放数据达到21dB，301开关柜及其相邻间隔超声波数据如表3所示：
表3#3变电站超声波局放测试数据
编号 超声波数据（dB） 运行
状态
前上 前下 后上 后下
3x14 -6 -5 -6 -5 运行
301 -6 -6 -1 21 运行
308 -5 -5 -6 -5 运行
301后下部位为10kV柜内干式站用变，现场不借助仪器能听到站用变运行时发出的嗡嗡声响。用检测仪器耳机进行精确诊断时，发现干净无典型放电声响，实际上在6个月前的例行检测中发现该柜的超声波数据也在21dB左右但无典型放电声响。判断该超声波数据异常实为干式站用变励磁声响，开关柜无异常放电。
4总结
开关柜超声波局部放电测试和暂态地电压局部放电测试是当前开关柜带电检测的两项重要项目。由于对放电类型敏感度不同，两者不能互相代替。超声波局放测试对能量较低、传输频率较低的外部放电较灵敏；暂态地电压测试对能力较大频率较高的放电灵敏；运用超声波局放测试时，能否探测到典型放电声音至关重要，对于没有典型放电声音的情况下，有时候虽然仪器显示超过15dB，也不是由于局部放电引起。
参考文献
[1]王有元，李寅伟，陆国俊等.开关柜局部放电暂态对地电压传播特性的仿真分析[J]高电压技术．2011,37(7)：1683-1688.
[2]任明，彭华东，陈晓清等.采用暂态对地电压法综合检测开关柜局部放电[J]高电压技术．2012,36(10)：2460-2466.
[3]Hikita M，Okabe S，Murase H．Cross-equipment Evaluation of Partial dischargeMeasurement and Diagnosis Techniques in Electric Power Apparatus for Transmission and Distribution[J]．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15(2)：505-518
[4]何肖军，徐志斌，高压开关柜绝缘性能检测与故障诊断技术研究[J]，浙江电力，2010，29(5)：6-10.
[5]章淘，王俊波，李国伟.10kV开关柜局部放电检测技术研究与运用[J].高压电器，2012，48(10):100-105.
收稿日期：2014-11-15。
作者简介：
郭干(1979―)，男，工程师，从事变电设备状态检修工作，；