10kV开关柜局放检测原理及其应用

开关柜带电检测原理及其应用 三泰电力技术（南京）有限公司 杨锴摘 要 本文主要是基于高压开关柜局部放电这一常见的故障，讲述了局部放电产生的原因、放电过程中产生的现象、局部放电检测的常用方法、数据分析以及一般的检测步骤。关键词：局部放电、超声波、暂态地电压1 引言高压开关柜是城市配电网中重要基础设施，其运行的稳定性直接影响到城市经济的发展,人民生活水平质量的提高。因此，开关柜设备的可靠性直接决定了用户供电的可靠性。状态检修是提高供电设备可靠性的重要技术手段。但是，开关柜不可能采取像高压变压器、GIS设备那样的在线监测技术路线，实现全面、实时的在线监测。因为：1） 高压开关柜数量众多; 2） 开关柜的设备造价低;3） 监测设备的成本很高;据不完全统计，开关柜故障特征大多表现为绝缘与载流故障上。然而绝缘与载流故障都是与放电现象密切有关的！因此对中压开关设备实施放电检测可显著减少故障概率！2 开关柜局部放电产生机理开关柜内部局部放电的种类很多，主要分为内部放电和表面放电两种，并以电磁波、气体等形式释放能量。2.1内部放电2.1.1产生机理内部放电存在主要是由于制造过程中绝缘介质内部残留气泡、杂质形成电介质的不均匀，造成气体-固体、液体与固体、固体-固体的复合绝缘。图2-1 绝缘介质内部残留气泡就拿介质中残留气泡来说（如图2-1），通常情况下，气隙中的场强度比介质中的高，而另一方面气体的击穿场强一般都比介质的击穿场强低。因此，在外加电压足够高时，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之间并没有形成贯穿性的通道，只在气泡中形成局部放电。油隙中也会发生局部放电，不过与气隙相比要在高的多的电场强度下才会发生。在介质中极不均匀电场分布的情况下，即使在介质中不含有气隙或油隙，只要是介质中的电场分布是极不均匀的，也就可能发生局部放电。例如埋在介质中的针尖电极或电极表面上的毛刺，或其他金属屑等异物附近的电场强度要比介质中其他部位的电场强度高得多。当此处局部电场强度达到介质本征击穿场强是，则介质局部击穿而形成了局部放电。2.1.2放电过程图2-2绝缘介质内气隙放电空间电荷分布在气隙发生放电时，气隙中的气体产生游离，使中性分子分离为带电的质点，在外加电场作用下，正离子沿电场方向移动，电子（或负离子）沿相反方向移动，于是这些空间电荷建立了与外施电场方向相反（如图2-2），这是气隙内的实际场强为 即气隙上的电场强度下降了，于是气隙中的实际场强低于气体击穿场强，气隙中放电暂停。在气隙中发生这样一次放电过程的时间很短，约为10数量级，在油隙中发生这样一次放电过程的时间比较长，可达10数量级。图2-3外部电压、空间电荷q、气隙电压的时间变化图图2-3很好的解释了放电过程总在工频电压周期的上升延，即090或180270（以初始周期为例）。由此可见，在正弦交流电压下，局部放电时出现在外加电压的一定相位上，当外加电压足够高时在一个周期内可能出现多次放电，每次放电有一定间隔时间。2.2表面放电开关柜中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上起固定作用，又在电气上起绝缘作用，其绝缘状况关系到整个开关柜的可靠运行。放电与表面的干燥、潮湿或清洁、污染以及存在凹凸处有较大关系。由于界面电场分布的影响，会产生表面放电、爬电、污闪等放电现象。3 检测原理局部放电过程中往往伴随有电磁波、超声波、光、臭氧、热等物理或化学现象以及相应的过程，但是我们检测时往往以电磁波和超声波为主要的检测指标。3.1TEV应用原理及信号提取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，在设备的金属表面上传播。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很难检测到放电信号，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。根据麦克斯韦电磁场理论，局部放电现象的发生产生出变化的电场，变化的电场激起磁场，而变化的磁场又会感应出电场，这样，交表的电场与磁场相互激发并向外传播，形成了电磁波，如图3-1所示。当开关柜的内部元件对地绝缘发生局部放电时，小部分放电能量会以电磁波的形式转移到柜体的金属铠装上，因柜体接地，电磁波在开关柜外表面感应出高频电流，我们利用电容耦合测出幅值及脉冲。 接缝处 母排电磁波 局部放电 电磁波局部放电检测仪电磁波图3-1 TEV产生示意图3.2超声波应用原理及信号提取局部放电前，开关柜内放电点周围的电场应力、介质应力、粒子力处于相对平衡状态。局放是一种快速的电荷释放或迁移过程，导致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过程。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现象，从而产生声波信号。采集和处理过程如图4-1。图4-1超声信号采集和处理4 局放数据分析1） 当发现开关室内TEV背景值与测试值都在20dB以下时，表示开关设备正常，下次再次进行巡检。2） 如果开关室内TEV背景值在10dB以下，而某些开关柜的测试值在20dB30dB，应对该开关柜加强关注，观察以后检测幅值的变化趋势。3） 如果开关室内TEV背景值10dB以下，而某些开关柜的TEV测试值大于30dB（相对值大于20dB），而表明该开关柜有局部放电现象，应使用定位技术对放电点进行定位。4） 如果开关室内TEV测试值和背景值都在30dB以上，且并没有发现在某个开关柜上出现峰值，应使用定位技术来判断信号源的来源，如检测结果发现信号源来自开关柜，而不是外界的干扰信号，应使用定位技术对放电点进行定位。5） 使用超声波传感器测量时，通过耳麦能清楚的听到局放声，则说明此开关柜内存在局部放电。6） 如果在某个开关柜的超声波测试数据幅值大于6dB小于20dB，说明开关柜内存在局部放电，需要进行复测。7） 如果在某个开关柜的超声波测试数据幅值超过20dB，说明该开关柜内部存在严重的局部放电，应尽快组织复测，密切关注检测幅值的变化趋势。5 开关柜（环网柜）检测的一般步骤开关柜电气局放数据统计显示局放故障比率为图5-1。 电缆36%断路器25%电压互感器20%母线10%电流互感器9% 图5-1局放故障比率所以在检测时重点检测开关柜前面下部以及后面部位。TEV检测时：1） 开启仪器，选择TEV模式。对不属于或未连接到开关设备的金属物体上进行背景干扰水平测量，记录下金属物体3次连续的dB值和计数，取中间幅值作为背景测量值。2） 测量开关柜，在每个开关柜前、后部的上、中、下各取一个测量值，是TEV探头与要被检测的金属表面垂直接触，待读数稳定后读取数据。3） 如果测到的幅值比背景干扰高出10dB，本身幅值大于20dB的，应该连续记录三组读数。4） 遇到本身幅值大于30dB，绝对幅值大于20dB的，使用定位仪器进行局放源的定位。5） 遇到环境幅值较大且不能准确定位的，要使用可以排除外界干扰的长期定位仪器进行定位。超声检测时：1） 开启仪器，选择超声模式，插入耳机并调节音量。2） 在开关室内选择三个位置，测