２０１４年５月下半月刊 高压开关柜局部放电状态检修新技术应用研究 连宝晶’肖一帆 林秋标 （云南电网公司怒江供电局云南怒江６７３１ ００）’（厦门红相电力设备股份有限公司福建厦门３６１ ００１） 【摘要】超声波法、ＴＥＶ＇￣和时间差法是目前高压开关柜状态检测的新技术，本文主要对以上监测方法进行详细的阐述，并对高压开 关柜的故障因素、现场检测分析技术进行应用研究。 【关键词】高压开关柜局部放电ＴＥＶ超声波时间差 【中图分类号】ＴＭ６４２＋．１［文献标识码］Ｂ【文章编号１１ ００２—２５６２（２０１ ４）一１ ０—１ ９＿－ １引言 近年来，运用预防性局部放电试验来诊断开关柜的绝缘状 况起到了很好的效果，但由于预防性试验周期的时间间隔可能 较长，很难发现在两次预防性试验时间间隔之间发展的缺陷， 这都容易造成绝缘不良事故。为防止开关柜故障的产生，通过 测试开关柜的局部放电特征，可以及时的了解到运行中开关柜 内部设备的运行情况。 ２高压开关柜故障因素 ２．１环境因素 从长期运行经验看，外在条件对高压开关柜的影响作用甚 大，环境因素会限制高压开关柜作用的稳定发挥。 ２．２操作因素 操作引起的拒动、误动等均是高压开关柜事故的诱发因 素，主要表现在：首先，操动机构以及传动系统的机械故障引 起的开关柜故障，这种情况体现于卡涩、部件变形或位移、脱 扣失灵等；其次，电气控制及辅助回路引起的故障，该情况会 造成保护装置难以正常执行命令。 ２．３老化因素 随着社会用电量的增多，原先安装的高压开关柜开始处于 老化阶段，各种装置及元器件性能日趋下降。 ２．４质量因素 质量因素包括电力设备、电力材料２个方面。电力工程改造 需用到诸多不同的设备及材料，其质量好坏对系统的发电、供 电也会造成明显的影响。就目前高压开关柜存在的故障来说， 隔离触头的质量不合格会造成手车柜的隔离触头因接触不良， 最终引起电弧故障的发生。 ２．５绝缘因素 绝缘能力是高压开关柜的另一大影响因素，由于市场上电 力产品的质量层次不一，电力工程建设中使用低质量产品破坏 了设备的绝缘性能。如：避雷器手车、ＰＴ手车等的外观尺寸和 元器件的配置不统一，避雷器手车、ＰＴ手车等实际运行中， 会因为外界环境指标的变化而使其性能减弱。另外，一般低于 １０ｋＶ电压等级的成套设备的主回路或联络桥所用的铜排规格不 有的还另外增加诸如热缩管、冷缩管等的绝缘层来增加安 全性。电力系统高负荷运行会对铜排造成一定的损坏，使其绝 缘层的性能趋于老化，容易造成一次相问直接放电的事故。 ｚ 根据１９８９～１９９７年间全国电力系统高压开关柜事故统计，绝 缘引起的故障占总数的３５．４４％，２００４年间全国电力系统高压开 空间任一点的电磁场能量密度为： 关柜事故统计，绝缘引起的故障占总数的３４．８％。可见，由绝 Ｗ＝ ＝ａＥｘ ② 缘问题导致的故障所占比率是很高的。 ３局部放电的检测技术 式中 为磁导率，ｓ介电常数 在高压开关柜的固体绝缘材料内部，由于制造原因都存在 （３）电磁波的在金属封闭式开关柜的金属面的衰减： 局放电磁波在均匀导电介质中的传输特性可由包含３个电磁 小间隙。在使用时，绝缘体的一端接地，另一端接高压，使得 小间隙象小电容一样充电，当充电到一定程度时，它们开始放 常数￡ 的波动方程决定： 电，同时发生各种物理、化学现象，如电荷的交换，发送电磁 Ｖ Ｅ一 （Ｉ）Ｙ ￡（１）＋￡ｇＥ＝０③ 波、声波、发热、发光、产生分解物一碳等，当碳达到一定程 度时，将导致间隙导通。重复上述过程，最后使得绝缘体内的 ＯＬ≈√∞ ／２ ④ 空隙充分导通，最后导致绝缘击穿。 基于对发生局部放电时产生的各种电、光、声、热等现象 ｐ≈√（１） ／２ 的研究，局部放电检测技术中也相应出现了脉冲电流法、无线 电干扰测量法（ＲＩＶ法）、超高频检测法、介质损耗分析法、 一，地电波ＴＥＶ检测法等电检测法和光测法、声测法和红外热测法 等非电检测方法。 经过多年的现场应用表明，对于开关柜局部放电的检测最 为有效的检测方法是采用地电波ＴＥＶ检测和超声波检测两种方 法结合的方式。 ３．１超声波检测技术 从局部放电的机理可知，局部放电的初期是微弱的辉光放 电，放电释放的能量很小，放电的后期出现强烈的电弧放电， 此时释放的能量很大，可见局部放电的发展过程中放电所释放 的能量是从小到大变化的，所以声能也是从小到大变化的。因 此它产生的声波的频谱很宽，可以从几十Ｈｚ到几ＭＨｚ，其中频 率低于２０ｋＨｚ的信号能够被人耳听到，而高于这一频率的超声 波信号必须用超声波传感器才能接收到。 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，可以推测出放电的强弱，这就是超声波信号检测局 部放电的基本原理。 ３．２ ＴＥＶ检测技术 通过局部放电产生的电磁波大部分被高压开关柜的金属外 壳所屏蔽，小部分通过金属箱体的接逢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，通过设备的金属箱体外 表面而传到地下去。这些电压脉冲是于１９８０年由约翰・里弗博 士首先发现，并把它命名为暂态对地电压（ＴＥＶ）。 （１）电磁波的传播方式： 它是时间与位置的函数，是一种横电磁波（ＴＥＭ波），其能量 沿电磁波的传播方向流动，当绝缘介质某处发生局部放电时， 所产生的电磁扰动随时间变化产生电磁波，它遵循（Ｍａｘｗｅｌ１）麦 克斯韦的电磁场基本方程。 在监测理论中对它进行了归类： 横向电磁波（ＥＭ），横电波（ＴＥ），横磁波（ＴＭ） （２）电磁波的在空气介质的衰减： 开关柜内部空气介质中衰减：在绝缘介质中，局放电磁波的 传播速度Ｔ仅决定于介质的性质，其波前平面（平行于ｘｙ平面）沿Ｚ 轴传播的速度： ｄｚ：一ｄｔ √｛ ：①＿＿＿＿＿●＿－＿＿－●●＿●＿＿＿＿●－＿＿＿一 Ｕｐ≈√（１） ／２ Ｚ≈ ｌ∞ ［作者简介］连宝晶（１９８７～），男，云南电网公司怒江供电局， 长期从事输电线路运行与科技管理。 肖一帆（１９８０～），男，云南电网公司怒江供电局，长期从事生 产运行与管理。 林秋标（１９８８～），男，厦门红相电力设备股份有限公司，从事 状态检修新技术产品的生产、技术支持等工作。 ｝４ 式中 是介电常数， 是磁导率，＾ｙ是电导率，ｄ是电磁 波的衰减系数，ｐ是电磁波的相位系数，ｕ 是电磁波的传播速 度，ｚ是电磁波阻抗。 （４）电磁波在金属封闭式开关柜的金属面上的反射 童笙 ［ ］ 电力技术与应用 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 实际金属导体的表面可用理想导体边界来代替，故有 Ｒ腿＝一１； Ⅲ＝１； ＋尺腰＝０⑤ 式中Ｒ和Ｔ分别是电磁波平面在金属导体表面上的反射系数 和透射系数。 （５）高频信号的集肤效应 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。 ｃ／一 传播速度为／√ ，这里Ｃ是光速，ｅ 是介电常数。根据电磁 原理可得导体中电流密度随着表面积的增加成指数下降。在透 入深度８位置电流密度降为表面处电流密度１／ｅ。透入深度８等 于 ：南。从该式可以看出透人深度与频率的平方根成反 比。根据以上计算可清楚地知道高频局放电流只在导体表面很 时并不是在开关设备上检测，应该在金属门、金属栅、等金属 制品上检测，在开关室不同的位置检测三个点的值，并取中间 值作为背景信号的参考值。 测试开关柜局部放电过程中应先在确定各电力设备所处的 位置，主要检测母排（连接处、穿墙套管，支撑绝缘件）、开 关刀闸，ＣＴ、ＰＴ、电缆接头等设备的局部放电情况，这些设备 大部分位于开关柜前面板中部及下部，后面板上部、中部及下 部、侧面板的上部、中部及下部。我们应在开关柜上述位置进 行局部放电检测，如有条件，还应对开关室内母线桥架进行检 测。 检测过程中应确保传感器与开关柜金属面板紧密接触，传 感器应尽量靠近观察窗、通风百叶等局放信号易泄漏部位的金 属面板上。如果出现检测数值较大的情况，建议测量三次以上 以确定测试结果。 ４．３时间差定位技术现场应用 薄的一层范围内传输。 （６）ＴＥＶ检测原理 如果高压电气设备的对地绝缘部分（例如金属封闭开关装 置或电缆终端）发生局部放电活动，则高压导电系统对接地金 属壳之间就有少量电容性放电电量。放电电量很小，通常只有 几兆分之一库仑。放电持续时间一般只有几个纳秒。因为电量 等于电流乘以时间，一次放电ｌＯ００ｐＣ，持续１０纳秒，就产生 １００ｍＡ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。它的电气特性就由其分布电容和 电感决定。 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： Ｚ、＝ ＬｆＣ⑥ 这里Ｌ和Ｃ是传输线单位长度的自感和电容。ｚ。的数值变化 很大，单芯１０ｋＶ电缆约为１０欧，３５ｋＶ的金属外壳的母线室则大 约７欧。因此，ｌＯ００ｐＣ的放电可产生对地ｌ￣ｌＪ７伏持续１０纳秒的 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。用电容 性探测器就可检测到放电脉冲。 ３．３时间差检测技术 根据电磁原理知道，电磁波的传播不需要依靠介质，其速 度计算公式，其中 为磁导率，ｅ为介电常数。因此，电磁波 在真空中的传输速度固定为光速（３×１０。ｍ／ｓ）。 由于空气中不同介质对电磁波传输产生的影响是不一 样的，但实际上空气的电介质常数和磁导率都近视于真空 ＝ 。、￡＝ｓ。，所以一般在空气中的电磁波速度沿用真空中 的速度。 电磁波传播到两个探测器的时间差： 电磁波传播速度Ｖ。约等于Ｃ光速，所以传播位移满足下式： ＡＳ＝Ｖ０Ａｔ⑦ Ａｔ－ｔｌ—ｔ２⑧ 这里的ｔ。、ｔ２为局部放电信号源传播至探测器１、２的时间； △ｓ为局部放电信号源距离两个探测器的距离差；Ａ ｔ为局部放 电信号源传播至两个探测器的时间差。 通过两只电容耦合探测器检测放电点发出的电磁波瞬间脉 冲所经过的时间来确定放电活动的位置，原理是采用比较电磁 脉冲分别到达每只探测器所需要的时间。系统指示哪个通道先 被触发，进而表明哪只探测器离放电点的电气距离较近。 ４现场应用分析 ４．１超声波检测技术现场应用 检测“超声波”在原理上是声音的检测技术，判断应以耳 机中检测到的声音信号为主，检测数值为辅，因为空气中的其 它声音信号会引起检测仪器幅值的变化，但不会出现放电特有 的特征声音（咝咝声）。 超声波测试点主要是开关柜柜体的所有缝隙。超声波传感 器与开关柜间一定要有空气通道，用来保证超声波信号可以顺 利传播出来。现场测试时将传感器对准开关设备的空气通道处 进行测试。在测量的时候一定要保持足够的安全距离。 ４．２ ＴＥＶ检测技术现场应用 在检测开关柜ＴＥＶ信号前必须对背景值的大小进行测量， 开关柜外部的电磁信号一样可以在开关柜上产生暂态对地电压 （ＴＥＶ），这些信号源同样可以在变电站内的金属物品上产生 暂态对地电压，如金属门或栅栏处，测试金属面板上的背景值 ［ ］童笙 定位技术主要根据ＴＥＶ信号所经过的时间来确定放电活动 的位置，原理是采用比较ＴＥＶ信号分别到达每个传感器所需要 的时间。定位系统指示哪个传感器先被触发，进而表明这个传 感器离放电点的电气距离较近。 检测过程中，我们在高压开关柜的横向进行定位，当两个 传感器同时触发时，说明放电位置在两个传感器的中线上，同 理，我们在开关柜的纵向进行定位，同样确定一根中线，两根 中线的交点，就是局部放电的具体位置。但在检测过程中我们 要注意以下几点： 。 （１）有时候两个传感器触发不稳定，令人无法判断。出现 这种情况的原因之一是两个传感器上的信号抵达的时间相差很 小，超过了定位系统的分辨率。也可能是由于两只传感器与放 电点的距离相等造成的。只要稍微移动其中任何一个传感器， 定位系统就能够分出是哪个传感器先被触发。 （２）还有一种情况是离测量位置较远处存在强烈的放电 活动。由于信号高频分量的衰减，信号经过较长距离的传输后 波形的前沿发生畸变。且因为信号不同频率分量传播的速度稍 微不同，造成波形的前沿进一步畸变，使定位系统难以区分哪 个传感器先被触发。噪声干扰也会导致定位系统判断出现随机 性，尤其是在信号能量经过多次反射后已衰减很多的情况下。 （３）如果两个传感器问的电气中心点位置在两个（或多 个）放电点之间，且中心点位置处于右边放电点的右侧，那么 左边的探测器将一直先触发，反之亦然。因此，当有多处放电 点时，可以发现在某个特定检测区域内两只探测器的通道指示 灯都亮，而传感器一旦出了这个区域就能明显地分出信号的先 后。此特定区域通常就是放电点的分布范围。 ４．４操作注意事项 当使用仪器测量时，以下几点是应该注意的： （１）必须注意在较狭窄的地方测试，这些地方的金属制品 的接地距离会影响读数。如果可能应保持多功能局部放电测试 仪的探头中线离金属接地面的距离在３０ｃｍ以上。 （２）移动电话、收发机、视频显示装置的强磁场及频率在 １ＧＨＺ范围内未屏蔽的电路都将会影响仪器读数。持仪器在离任 何导体表面至少１米的空气中，能获得此处的环境测量值。 ５现场应用实例分析 ５．１基本情况 ２０１２年５月使用手持式局部放电检测仪ＩＤＡ—ｌ１０和便携式局 部放电定位仪ＰＤＴ＂１ ｌＯ对某变电站１０／２０ｋＶ高压室开关柜进行局 部放电测试。 Ａ、超声波测试 对整个高压室进行超声波信号测试，检测２１１柜存在超声波 信号，且通过声音辨别该信号为局部放电信号。 开关柜 检测结果ｄＢ 放电部位 ２ｌ１ ２４ 柜后上部 Ｂ、ＴＥＶ背景值测试 在高压室内金属门、窗测试的背景幅值如下 测试地点 金属门 窗 幅值（ｄＢ） ３６ ５６ ２ｓ脉冲数 ２４８ ５５６ Ｃ、开关柜上ＴＥｖ测试值
