高压开关柜绝缘性能检测与故障诊断技术研究

何肖军，徐志斌

（红相电力（上海）有限公司，上海 200051）

对高压开关柜进行绝缘性能检测与故障诊断，是实现设备状态检修的前提，保证设备安全可靠运行的关键。电力设备的多数故障是绝缘性故障，电应力作用引起绝缘劣化，导致绝缘故障，在机械力、热和电场的共同作用下，最终也会发展为绝缘性故障。据统计，由于开关柜绝缘劣化引起事故的台次占开关总事故台次的68%和事故总容量的74%。

为克服预防性检修体系的局限性，减少停电并降低维修费用，可应用高压开关柜绝缘性能检测与故障诊断技术，对运行中的高压开关柜的绝缘状况进行连续的状态检测，随时获得能反映绝缘状况变化的信息。在进行分析处理后，对设备的绝缘状况做出诊断，并根据诊断的结论安排必要的检修。

1 基于超声波和TEV的局部放电检测技术

开关柜绝缘性能的劣化会导致局部放电的产生，局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，这些微弱的放电产生累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化、缺陷扩大，最后导致整体绝缘击穿。局部放电分为内部、表面和电晕放电，并主要以电磁、声波和气体形式释放能量，这些是绝缘性能检测的主要信号。

1.1 超声波检测

局部放电是一种快速的电荷释放或迁移过程，当发生局部放电时，放电点周围的电场应力、机械应力与粒子力失去平衡状态而产生振荡变化，机械应力与粒子力的快速振荡，导致放电点周围介质的振动，从而产生声波信号。放电产生的声波频谱很宽，可以从几十赫到几兆赫，放电强度的大小决定了电场应力、机械应力和粒子力的振荡幅度，直接决定了振动的程度和声波的相度。

声能与放电释放的能量成比例，虽然在实际中各种因素的影响会使这个比例不确定，但从统计角度看，二者之间的比例关系是确定的。

从局部放电的机理可知，局部放电初期是微弱的辉光放电，释放的能量很小，后期出现强烈的电弧放电，此时释放的能量很大，局部放电的发展过程中释放的能量是从小到大变化的，所以声能也从小到大变化。

根据球面波的声能量式可知，在不考虑空气密度和声速的变化时，声能量与声压的平方成正比。根据放电释放的能量与声能之间的关系，用超声波信号声压的变化代表局部放电所释放能量的变化，通过测量超声波信号的声压，就可以推测出放电的强弱。

1.2 TEV检测

当高压电气设备发生局部放电时，放电电量先聚集在与放电点相邻的接地金属部分，形成电流脉冲并向各个方向传播。

脉冲电流的透入深度与频率的平方根成反比。高频局放电流只在导体表面传输。对于内部放电，放电电量聚集在接地屏蔽内表面，因此如果屏蔽层是连续的，则无法在外部检测到放电信号。但实际上，屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接处、电缆绝缘终端等部位因破损而导致不连续，高频信号因此传输到设备外层而被检测出来。

因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播出去，同时产生一个暂态电压，这个电压脉冲称为暂态对地电压（Transient Earth Voltage， TEV）。

TEV的检测原理见图1，高压电气设备的对地绝缘部分发生局部放电时，导电系统对接地金属壳之间有少量电容性放电电量，通常只有几兆分之一库仑，放电持续时间一般只有几纳秒。因为电量等于电流乘以时间，一次放电1 000 pC，持续10 ns，就产生100 mA的电流。对于持续时间那么短的放电脉冲，被测设备就不能看作是个整体，而应看作是传输线，其电气特性由分布电容和电感决定。此时，可以将地看成一个金属板，缝隙所处的位置看成另一个金属板，缝隙与地之间的距离为传输线。

图1 TEV检测原理图

当发生局部放电时，电磁波从放电点向外传播，电流大小与这些电磁波产生的电压有关。电压等于电流与路径阻抗的乘积。在不考虑损耗的传输线上，阻抗满足下式：

式中的L和C 是传输线单位长度的自感和电容，Z0的数值变化很大。通过研究可知，单芯10 kV电缆约为10 Ω，35 kV金属外壳的母线室大约70 Ω。因此，1 000 pC的放电可产生对地1～7 V持续10 ns的电压。电压脉冲在金属壳的内表面传播，最终从开口、接头、盖板等的缝隙处传出，然后沿着金属壳外表传到大地。这样，使用电容耦合式传感器就可检测到放电信号。

研究发现，局部放电产生的TEV信号的大小与局部放电的激烈程度及放电点的远近有直接关系，可以利用专门的探测器进行检测。通过检测局部放电产生的TEV信号，不仅可以对运行中开关柜内设备局部放电状况进行定量测试，而且可以通过同一放电源到不同探测器的时间差，对局部放电点进行定位。

2 开关柜绝缘性能检测与故障诊断系统

这一系统的检测技术在原理上是一种比较性的检测技术。某个开关柜上的检测结果应与其以前的检测数据或其它同类型的开关柜所检测的数据进行比较，如果检测数据大于其它同型号开关柜或以前的结果，说明该开关柜存在放电活动，进而推断故障的可能性。因此，需要有相当的设备运行经验，才能根据技术检测结果分析设备绝缘材料还能维持运行的时间。

记录每次设备故障的详细情况有助于分析判断放电活动对设备的影响。系统组成见图2。

图2 系统组成框图

整个系统可分成3个子系统：

（1）被检测设备和传感器，处于开关室现场。

（2）信号预处理和数据采集子系统，一般集成在主机中，也处于现场。

（3）数据处理和诊断系统，实际为1台PC和数据存储分析软件，处于主控室。

3 检测数值的动态判据

3.1 统计分析与趋势分析

统计分析法是在同一开关室内开关柜局部放电检测时，对相关条件下的TEV检测数值和超声波检测数值进行分类统计，从而得出初步判断依据。现场影响局部放电测量结果的因素有很多，如工作电压、放电种类、绝缘材料、负载、机械运动、环境条件、干扰、开关柜制造厂家及类型等，所有因素都可能造成检测结果的误判，在现场测试时必须加以考虑。

趋势分析是对同一开关柜不同时间的测试结果进行分析，按月、季、年从统计分析中得出开关柜局部放电的趋势。在分析过程中，还应分析影响局部放电的细微波动对TEV检测数值和超声波检测数值的变化，主要分析内容有负载的变化、环境因素波动、干扰波动、时间变化等。

3.2 动态判断依据

结合统计分析、趋势分析和初步判断依据，可以对开关柜局部放电进行动态的判断分析，具体步骤如下：

（1）初始判据的判断。对当地所有N面开关柜的故障情况进行统计，按照统计结果计算出故障率为a%。

（2）统计分析。对当地所有N面开关柜局部放电情况进行普测，取其中检测数值最大的N×a%面开关柜，然后再取这N×a%面开关柜中数值最小的作为比较值A。

（3）趋势分析。在一段时间间隔（一个月、一个季度或一年），再次对所有N面开关柜进行普测，取其中检测数值最大的N×a%面开关柜，然后再取这N×a%面开关柜中数值最小的作为比较值B，将B与A进行比较。

（4）比较分析。对于B与A的比较，可分为以下几种情况：

若B

若B>A，有以下几种因素可以考虑：开关柜负荷可能有所增加；背景干扰严重程度进一步加重；温度、湿度状况进一步恶化；开关柜的污秽情况进一步恶化。

若B=A，主要是开关柜负荷、背景干扰、温度、湿度状况、开关柜的污秽情况大体相同，开关柜运行状况比较平稳。

（5）确定判据值。最终根据开关柜常年运行的情况确定A或B值为判断依据，由于开关柜周围环境等因素对局部放电都有影响，因此，在确定判断值时要考虑±2 dB的误差。继续按照步骤一到步骤五的顺序进行判断数据的确定，最后经过长时间的比较，建立起本地区开关柜检测的数据库，最终确定一个作为指导性的判断数值。

综上所述，动态判据诊断是一个长期的过程，需要根据实际情况进行纵向和横向的对比分析，以做出正确的判断。动态判据直观图如图3所示。

图3 动态判据图

4 检测诊断技术的实际应用

英国EA公司利用TEV及超声波原理生产的便携式局部放电声电波检测仪（Ultra TEV plus+）、局部放电定位仪 （PDL1），适用于变电站、电厂、配电网3～66 kV开关柜、环网柜、电缆分支箱、电缆终端箱、电缆中间箱等现场设备的局部放电现象在线测试，为状态检修提供科学的数据。

应用举例1：检修人员在220 kV某变电站检测过程中，发现10 kV开关室八加线1016开关柜后面板上局部放电检测值最大 （幅值达31 dB），PDL1定位后发现放电位置在该开关柜后面板左下侧。

在设备停电状况下核实该开关柜局部放电检测缺陷，发现开关柜后面板左下侧C相电缆头螺丝松动（见图4），产生局部放电。紧固螺丝后再次测试，幅值由31 dB降到10 dB以下。

图4 电缆头螺丝松动

应用举例2：某开关室常规巡视时发现5号主变10 kV侧1005开关柜有强烈振动，但很难判断振动的具体位置及是否为放电引起。采用开关柜局部放电检测定位技术，发现开关柜局部放电幅值达到了56 dB，放电点位于柜上方母排进线穿墙套管处，停电检修后，发现母排固定螺栓将导电触头座顶住，导致接触面积过小，造成放电（如图5所示），故障属于安装不当引起。

图5 母排固定螺栓过长

应用举例3：某变电站开关室常规巡视时发现2号主变低压502开关柜上有异常发热现象，但很难判断具体位置及原因。经检测发现该开关柜分贝数达到了50 dB，定位后发现柜内母排处绝缘子开裂，如图6所示。

应用举例4：某变电站使用Ultra TEV Plus检测过程中，发现青赵3563开关柜局部放电数值达到了63 dB，用PDL1定位后发现放电点位于青赵3563开关柜与青赵3563线路避雷器开关柜中间母排C相的位置，打开开关柜检查发现，两开关柜中间C相母排处均压环有局部放电，如图7所示。

图6 母排绝缘开裂

图7 故障与正常均压环

5 结论

基于超声波和TEV技术的高压开关柜局部放电检测定位技术，改变了电气设备传统的局部放电测试方式，为电力系统的电力设备状态检修提供了可靠的技术数据，是一种实用、有效的检测技术。检测装置具有以下优点：

（1）装置的投入使用不改变和影响电力设备的正常运行。

（2）能自动连续进行检测、数据处理。

（3）具有自检和报警功能。

（4）具有较好的抗干扰能力和合理的灵敏度。

（5）检测结果有较好的可靠性和重复性，准确性较高。

（6）具有电气设备故障的诊断功能，包括故障定位、故障程度判断和绝缘寿命预测等。

[1]岳桂芳.局部放电产生原因及分析[J].机械工程与自动化.2005，4:105-105.

[2]叶国栋.现场局部放电试验中干扰源的识别和采取的对策[J].安徽电力.2006，23（3）:31-33.

[3]牛晓光.声发射技术的发展及其在电力工业中的应用[J].河北电力技术.1998，17（3）:28-32.

[4]高胜友，付旭涛，等.电力电容器局部放电微机化声发射检测装置[J].高电压技术，2001，27（4）:1-2.

[5]袁易全.局部放电超声特性实验研究[J].电工技术学报，1992，1:18-23.

[6]杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础[M].南京：南京大学出版社，2001.

[7]金长善.超声工程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.