半绝缘型开关柜局部放电带电检测技术应用现状分析

1、半绝缘型开关柜非嵌入式局部放电带电检测技术应用现状分析广东电网公司广州供电局试验研究所 熊俊 王勇 黄慧红 陆国俊 吴碧华 广东电网公司广州白云区供电局 杨晓东 卢志亮 广东电网公司广州荔湾区供电局 黄晓彤 何国荣 广东电网公司广州萝岗区供电局 黄祖成 韦文强摘 要 简要描述了一种开关柜局部放电带电检测系统的基本原理和主要功能。总结了国内部分开关柜绝缘放电缺陷的共同特征，从放电现象本身及运行环境两个方面对检测手段的有效性进行了客观分析，指出空气中局部放电电磁辐射特性不明显是影响地电波检测结果的主要原因。根据绝缘放电缺陷表达形式的多样性和主次性特点，结合地区运行经验，对每一类高压设备建议配备至少

2、1种检测手段。在目前阶段，专家经验和仪器抗干扰特性是决定诊断准确性的两个重要方面。加快测试队伍的专业化是保障状态检测工作发挥实效的重要基础。开展局部放电多方法联合检测是提高诊断效果的有效途径，也是今后状态检测的重要发展方向。关键词 局部放电 绝缘缺陷 多样性 主次性 抗干扰 联合检测1 引言绝缘技术是电力系统高压一次设备的基本技术问题之一。为保障高压导体与地之间有足够的绝缘强度，通常可分别选择空气、油及SF6气体等作为绝缘介质。绝缘介质处理工艺的好坏或运行过程中绝缘受潮、老化等均会影响到设备的整体寿命，局部放电是产生这一类问题的征兆，因此，开展局部放电带电检测有利于掌握设备的绝缘状态，将事故隐

3、患消除在萌芽状态。掌握局部放电的基本特征、有针对性采用相应检测技术，是能够有效发现问题的基础。为进一步加强设备绝缘状态检测，提高设备运行的可靠性，借鉴新加坡电网有限公司状态检测方面先进的经验，国内主要供电企业于2007年开始陆续引入了Ultra TEV plus+便携式局部放电带电检测系统，专门用来解决开关柜的状态检测问题。由于现场便携特性，Ultra TEV plus+很快在运行单位推广使用。经过近两年的实践，国内的运行单位积累了不少Ultra TEV plus+仪器现场使用的经验，也提出了一些疑惑。例如，超声波比地电波似乎更加灵敏，现场缺陷诊断依赖运行经验，状态巡检周期的设定等。考虑到上述

4、问题，本文对Ultra TEV plus+仪器的基本原理和主要参数进行了介绍，总结了现有国内外部分案例的共性特征，并讨论相关原因，以期为现场测试人员提供一定的参考。最后，本文对开展开关柜设备状态检测提出了相应的设想。2 便携式局部放电带电检测系统2.1 系统构成高性能超声波传感器新一代开关柜便携式局部放电带电检测系统（Ultra TEV plus+）主要由信号单元、附件及校验器等三部分组成。控制模块分别内置地电波和超声波两种模式。地电波传感器为内置传感器。超声波有三种选择模式：内置式、延长麦克风及带激光的高性能超声波传感器。采用超声波测量时，为帮助现场测试人员分辨放电与环境干扰声波，该系统测试

5、时还提供一套高保真耳机协助监听。使用时根据需求选择检测传感器的方式，测试前可利用校验器对设备进行检测确认仪器是否工作正常。设备外观如图1示。延长麦克风a信号单元b超声波传感器c校验器图1 设备外观图2.2 基本原理及参数通常，局部放电同时以声、光、电的形式向周围释放和传播能量，这是局部放电表现形式的多样性特征。不同类型的局部放电或不同阶段的局部放电又具有其表现形式的主次性特征，如空气中表面放电以声发射特征为主，绝缘内部放电的电磁高频特征较为常见。电晕放电电磁辐射稳定，声波特征也稳定但相对弱；爬电属于间歇性放电现象，电磁辐射特性不明显，声波特征较强但也不十分稳定。当发生局部放电时，电磁波向四周传

6、播，在金属壳内表面形成脉冲电流并向四周扩散，集肤效应作用下会在金属壳外表面形成一个暂态电压脉冲（地电波）。利用容性探头即可检测到这些脉冲，从而反映局部放电情况。地电波的形成过程如图2所示。图2 地电波传播示意图由气体放电理论和实践可知，气体发生放电时，会出现声发射现象，局部放电部分能量会以声波的形式向周围传播。利用超声波探头即可检测这些声脉冲，从而反映局部放电的状况。在室温和标准大气压条件下，声波传播的距离和衰减的快慢一定程度上取决于放电过程中快速释放的能量大小。一般来说，电磁波在油纸、环氧介质中的穿透性较强，在空气中的衰减性大，而声波在油纸、环氧介质中的放射强，衰减快。根据上述原理，Ultr

7、a TEV plus+系统分别提供两种检测功能：地电波和超声波。地电波模式的主要参数有效检测频带：3MHz80MHz；测量范围：0dBmV60dBmV；分辨率：1dB；精确度：±1dB；最大脉冲/周期数：665；最小分辨脉冲率：10Hz。超声波模式的主要参数：测量范围：-70dBV68dBV；分辨率：1dB；精确度：±1dB；传感器灵敏度：-65dB（0dB=1伏特/bar rms SPL）；传感器中心频率：40kHz；传感器直径：16mm；外差频率：38.4kHz。2.3 检测方式（1）地电波由于空间电磁脉冲（空间电晕、无线电、汽车内部某类高频干扰信号等）可穿透进入电房，

8、在被测对象金属外壳上或之外的金属表面均会感应出地电位，对检测结果造成干扰。因此，测试前需要在电房金属门及空气中各进行一次测量，掌握干扰水平。正确的检测方式如图3a所示。通常，选择每一面开关柜的上、中、下部分以及开关柜组两个侧面进行测量。 a.正确 b.不正确图3 地电波检测方式（2）超声波Ultra TEV plus+系统的超声波模式可有效避免空间的电气干扰。使用超声波模式前将探头朝向空气读取背景干扰噪声。测量前，根据开关柜类型和高度等选择超声波传感器。测量时，需将传感器对着缝隙以接收内部传出的信号。 a.利用内置超声波探头 b.利用外接超声波探头图4 超声波检测方式图2.4 判断依据根据电网

9、公司新能源状态检测的经验，地电波读数若超过20dB就应引起注意。同时，该读数应与被测电房的干扰读数、其他金属面板上的读数进行比对。利用超声波功能检测时，经验认为相对读数超过7dB时应该引起重视。一般超过15dB时，人耳能够分辨处放电声响。上述的经验只是对开关柜内存在局部放电现象的一个定性判断。从资产管理及用户重要性角度考虑，需要对开关柜绝缘状态进行一个故障风险评估。这方面的工作属于状态检测的高级运用阶段，但是目前还缺乏这样的数据库。为提高评估的客观性，一是需要提高巡检周期（通常是3个月一次，异常进一步缩短），且每次检测接触点应尽量一致。二是利用其他仪器开展局部放电在线监测局部放电定点和确定发展

10、趋势。3 案例分析3.1 总体情况表1列出了本文收集到的部分开关柜非嵌入式局部放电带电检测的应用案例。这些案例运行参数的共同特征有：运行中基本听到了不同程度的放电异响，有些案例现场能够闻到臭氧的味道；现场工况大部分处于潮湿环境或者积污严重情况（如图5a）。局部放电检测的结果共同特征是：a.所有案例通过超声波基本能够有效反映；b.除非常严重的放电地电波反映出来，其他案例地电波表现并不明显。退运处理后解体结果的共同特征是：a.放电类型以表面电晕或爬电为主（如图5b）；b.大部分放电处电腐蚀痕迹明显（如图5c）。所有放电位置均为空气绝缘方式。表1 状态检测部分应用案例序号地区电压等级名称运行参数局部

11、放电检测解体结果退运前放电性质放电位置异样/异响环境工况地电波超声波1BJ10kV母线进线柜明显放电异响良好63121.支柱绝缘子表面积污严重，标签脱开。2.穿墙套管内部无均压材料或装置。电晕空气绝缘2BJ10kV配电室开关柜明显放电异响潮湿5623穿墙套管安装工艺不良引起悬浮电位放电电晕空气绝缘3BJ35kV开关室开关柜明显放电异响良好不详19进线电缆头安装工艺导致使外护套与柜体接触引发局部放电爬电空气绝缘4BJ10kV母线进线柜明显放电异响良好不详19母线严重污引发局部放电爬电空气绝缘5BJ10kV变压器侧开关柜不详良好不详8穿墙套管内壁均压金属疲敝与母线存在悬浮电位引发局部放电电晕、爬电

12、共存空气绝缘6BJ35kV母线进线柜不详良好不详8穿墙套管内壁均压金属疲敝与母线存在悬浮电位引发局部放电爬电空气绝缘7GZ10kV用户环网柜明显放电异响潮湿2315母线室积污且支柱绝缘子与电极结合处受潮引发局部放电爬电空气绝缘8GZ10kV用户环网柜明显放电异响潮湿20181. 母线室积污且支柱绝缘子与电极结合处受潮引发局部放电。2. 电缆头分叉处有螺帽致使悬浮电位引发局部放电。3.电缆分叉口表面落有水珠引发局部放电。爬电为主，电晕为次空气绝缘9GZ10kV用户环网柜明显放电异响潮湿23261. 负荷开关柜与支柱绝缘子结合处受潮引发局部放电。2.电缆头处表面受潮引发局部放电爬电空气绝缘10SG

13、P10kV用户环网柜明显放电异响潮湿15161.负荷开关柜与支柱绝缘子结合处受潮引发局部放电。2.电缆头处表面受潮引发局部放电爬电空气绝缘11SGP11kV用户环网柜明显放电异响潮湿1020电缆头处表面受潮引发局部放电爬电空气绝缘12SGP11kV变压器厢式柜明显放电异响潮湿1525进线套管表面受潮且积污引发局部放电爬电空气绝缘 a.进线电缆沟（受潮）b.螺帽悬浮放电和水珠放电现象c.母线室绝缘子与电极处爬电现象图5 常见运行环境和放电点3.2 分析当外加电压在设备上产生的场强足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域未形成固定放电通道的这种放电，定义为局部放电。局部放电大部分情况下不影响设备的

14、整体绝缘，介质损耗、电容测试等手段并不能灵敏地发现。局部放电发生的位置可能存在于单一绝缘介质中（气隙放电），或两种绝缘介质的界面（沿面放电）上。电晕和电弧是属于局部放电范畴的两种基本放电形式。设备绝缘老化过程中通常伴随着多种放电的形式，一般可以认为电晕是局部放电的起始点，局部电弧是电晕不断发展到一定程度的结果。通常在标准的大气压下，要在空气中发生电晕，其周围的电场需要达到空气临界的电场强度，一般为20kV/cm。空气干燥的情况下，设备绝缘系统表面的电场远低于临界值，不会引发表面的局部放电现象。一旦表面受潮，绝缘材料表面将积聚大量细密的小水珠引发运行电压下的水珠电晕放电。外部环境条件不发生改变时

15、，电晕放电将持续发生。经过长期的发展，随着绝缘材料的逐步腐蚀，局部绝缘强度下降到一定程度时，将发生局部沿面击穿，即发生爬电现象。因此，不同的时期会有不同的局部放电特征。此外，高压导体的静电作用使导体表面不断吸附灰尘，导致局部电场畸变引发局部电晕。水珠周围局部电场的分布和切向电场值（如图6和图7所示）。电晕放电现象通常比较稳定，幅值比较低，伴随紫色的可见光和可听噪声（丝丝声）。图6 存在水珠时绝缘子局部电场被加剧图7 沿试样表面与水珠半径重合的路径电场值分布不同的局部放电形式有不同的时频域特征。对于绝缘子表面局部爬电的现象，脉冲电流幅值通常在几个毫安至几十个毫安，而相应的电磁辐射信号的频率谱主要

16、集中在1kHz以下。对于绝缘子表面局部电晕的现象，脉冲电流幅值通常在几个毫安，而相应的电磁辐射信号的频率谱主要集中在1MHz以下，少部分可达到10MHz。中低压开关柜内部绝缘表面放电也是如此。另外，对于地电波检测方法而言，本质上讲它的检测是电压变化信号，属于电容传感器检测传导脉冲电流的方法。因此，这种方法不可能像超高频传感器（天线原理）一样有非常高的检测频率谱和灵敏度。10kV电压等级的外绝缘放电频率较低，主要能量通常分布在1MHz以下（除非特别强的表面放电能达到3MHz7MHz的范围，如果对于开关柜来说是这样，那么，柜内的外绝缘已经非常脆弱了）；Ultra TEV plus+系统TEV的功能

17、有效检测的频带为3MHz80MHz，两方面的频带交叠程度不高是导致地电波方法不灵敏的主要原因。因此，对于此类放电，在今后的工作中药加强多个仪器的搭配使用。同时，要加强巡检，使设备的运行状态处于可监视的范围内。4 状态检测工作探讨4.1 因地制宜原则开展高压设备的状态检测已成为电力企业资产管理的重要手段，为能最有效的发现缺陷，掌握设备的运行状态，应根据一类设备的主要缺陷形式有针对性地选择状态检测的技术手段。就广州地区而言，变电站10kV高压室开关柜的主要问题是机构方面的，绝缘问题是其中的一部分。因此，在开展状态检测工作时应加强机械特性的试验，将该类设备的故障率通过状态检测降到可接受的水平。对于广

18、州地区的配电网系统，绝缘缺陷引起开关柜故障的比例在50%以上（2009年已经达到60%），绝缘问题是配电网高压开关柜的主要问题。因此，在不影响供电可靠性的前提下，灵活开展非嵌入式局部放电带电检测是降低配网高压开关柜故障率的有效手段，应从现有检测技术的灵敏性和实际情况考虑，加强开关柜状态检测的巡检率是预防事故扩大，将事故消除在萌芽状态的有效途径。4.2 动态修订判定标准当前，国内关于开关柜的非嵌入式局部放电带电检测状态评估的标准主要以借鉴新能源电网公司的经验为主。因此，随着检测经验的不断积累和状态检测实践案例经验的不断丰富，有必要对各种状态的阈值标准进行动态修订。4.3 完善检测技术手段根据绝缘放电缺陷表达形式的多样性和主次性特点，结合地区的运行经验，对每一类高压设备建议配备至少1种检测手段。地电波和超声波检测技术各有其特点，其实应用效果应从长期积累的角度去衡量。开展局部放电多方法联合检测是提高诊断效果的有效途径，也是今后状态检测的重要发展方向。此外，对某些特别重要的电