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李 菁，王晓康
（1.湖南中烟工业有限责任公司吴忠卷烟厂，宁夏 吴忠 751100；
2.国网宁夏电力有限公司吴忠供电公司，宁夏 吴忠 751100）
由于10 ～35 kV开关柜具有占地面积小、易于更换等优点，在电力系统中应用面广，使用量大。开关室的施工安装工艺不佳、室内通风不良、电缆沟内潮气侵入、环境污秽等会导致开关柜在运行中发生局部放电；
当电网出现过电压时容易发生闪络，严重时甚至造成三相短路事故。据现场统计，10 ～35 kV开关柜事故数量约占各种电压等级开关设备事故总量的50%以上，严重威胁电力系统的安全运行。定期开展开关柜局部放电带电检测能够及时发现开关柜内的潜伏性放电缺陷，近些年采用带电检测结合在线监测的方式发现多例开关柜局部放电严重缺陷。根据诊断结果制定相应的停电检修策略，可消除隐患[1−2]，保证开关柜的安全可靠运行。
本文采用暂态地电压、超声波、特高频多维检测技术来分析和判断缺陷的严重程度，并通过一种高精度诊断定位技术——特高频时差平分面法，对开关柜内部缺陷进行定位，指导现场检修。
开关柜带电运行时，如果内部绝缘材料损坏或绝缘受潮，在高压电场中部分区域场强分布集中引起电压差，绝缘薄弱区将会发生局部放电，局部放电过程中激发的电磁波信号、声波信号向周围空间传播，检测这些衍生信号可以分析放电类型，确定缺陷的位置，诊断缺陷的严重程度。
1.1 暂态地电压检测法
局部放电激发的电磁波信号传播到开关柜金属壳体表面，由于集肤效应在开关柜内壳体产生高频脉冲电流信号，当传播到地网时产生对地暂态电压信号，频率范围为3 MHz ～100 MHz。
检测仪器通过电容耦合传感器检测暂态电压信号的幅值和脉冲个数，从而判断是否存在放电缺陷并分析缺陷的严重程度。
1.2 特高频检测法
局部放电时，高速移动的电子在交变的电场、磁场中激发出电磁波信号，电磁波信号的频段高达300 MHz ～3000 MHz。
电磁波信号向空间传播，利用特高频天线进行检测，通过信号采集和检波处理，形成PRPD/PRPS图谱，有效识别信号是否具有工频相关性，快速读取信号的幅值和频次。
1.3 超声波检测法
局部放电消耗能量，对空间产生振动，振动信号包括可闻声波及超声波信号。超声波检测法在开关柜局部放电检测中应用较早，是指对频率介于20 kHz ～200 kHz频段的声信号进行采集、分析、判断的一种检测方法[3]。通过对超声波信号进行检测，可有效排除外部声波干扰。超声波检测数据包含周期最大值、信号波形、频率成分、音频信号，可判断放电的严重程度，由于超声波衰减快，可根据声音大小进行初步定位。
1.4 特高频时差平分面定位法
平分面定位法主要为定面、定线、定点。原理图如图1所示。
图1 平分面法定位原理图
1）定面过程。在开关柜正面水平线上放置2个特高频（UHF）传感器，如果2个传感器信号波形重合，说明信号到达2个传感器的时间一致，可确定放电源在2个传感器的平分面上。
2）定线过程。在开关柜侧面放置2个UHF传感器以定位另外一个平分面，结合2个平分面相交，确定一条线，该线即为平分线。
3）定点过程。在确定的平分线上放置2个传感器，当信号到达2个传感器的时间一致时，可确定放电源位于平分线上的一个点。
本文以某35 kV开关柜为例对局部放电带电检测进行详细阐述。在检测该开关柜之前，检测人员在附近能够闻到明显的臭氧味，听到异常响声，怀疑该开关柜内部存在缺陷。
2.1 暂态地电压检测
局部放电发生时，在接地的金属表面将产生瞬时地电压，地电压将沿金属表面向各个方向传播[4]。通过检测暂态地电压可实现对电力设备局部放电的判别和定位。但在实际应用中，暂态地电压法的检测效果往往不够灵敏。开关柜的检测数据如表1所示。
表1 暂态地电压局部放电检测数据 单位：dB
由表1可见，开关柜各测点检测值与环境背景值的差值均小于等于8 dB，文献[5]规定开关柜检测结果与环境背景值的差值大于20 dB为异常，判断该开关柜暂态地电压检测结果无异常。
2.2 特高频检测
特高频法对开关柜的局部放电检测较为灵敏。特高频检测技术是指对局部放电激发的频率介于300 MHz ～3000 MHz频段的电磁波信号进行采集、分析、判断的一种检测方法[6−7]。使用巡检仪检测发现该开关柜存在特高频异常信号，最大幅值为62 dB，检测结果如图2所示。
图2 特高频局部放电平面图和三维图谱
由图2初步判断该开关柜存在局部放电现象。特高频三维图谱中一个工频周期出现两簇以上的明显脉冲信号（为多点放电或较大面放电），脉冲数量较多且脉冲幅值分布分散，具有绝缘放电特征，但尚不能准确判断该放电故障的具体部位，需要结合高速示波器进行定位分析。
2.3 超声波检测
由于超声波信号衰减较快，遇到开关柜柜体会加剧信号衰减，通常在放电源1 m以外就很难检测到超声波局部放电信号，且开关柜巡检中使用的是非接触式传感器，要在柜体缝隙处进行移动检测，故超声波能够检测到的放电信号范围很小，且易错过。在开关柜超声波局部放电检测中应靠近并正对柜体缝隙进行缓慢移动检测，对柜体前后所有缝隙及通风散热孔等部位逐个进行检测。图3为该开关柜的超声波检测图谱。
图3 超声波检测图谱
由图3可见，有效值和周期最大值明显高于背景值，50 Hz频率成分的幅值小于100 Hz频率成分，且耳机中能够听到明显的放电声音，可以判断该开关柜存在局部放电现象，放电类型为绝缘放电。
3.1 确定放电类型和严重程度
图4为使用高速示波器采集的特高频信号5周期10 ms波形图，一个工频周期内出现两簇以上脉冲信号，脉冲信号幅值有大有小，脉冲数量多，间距不等，判断为绝缘放电，且呈现多点放电或较大面放电的特征，特高频脉冲峰−峰值为663 mV。
图4 示波器10 ms特高频波形图
绝缘放电具有放电能量大、放电次数少的特点，一般特高频脉冲峰−峰值超过600 mV判定为严重故障[8]。该开关柜局部放电故障已经涉及绝缘介质，应尽快进行检修处理，及早消除安全隐患。检测中发现高速示波器比一般巡检仪能更准确地判断缺陷类型和严重程度，有条件时应尽量使用高速示波器进行分析判断。
3.2 三维定位
常用的定位方法为时差法，利用放电信号传播到2个传感器的时间差计算出放电源到2个传感器的距离，最终确定放电源在高度、水平、深度上的具体位置，图5为水平方向检测定位数据。
图5 水平方向检测定位数据
由图5可见，两个信号波形起始点重合，说明放电源到两个传感器的距离相等，即放电源位于两个传感器之间的垂直平分面上。高度定位、深度定位方法与水平定位方法相同。具体计算公式为：
式中：t1、t2分别为特高频局部放电信号到1号和2号传感器第一个上升沿的传播时间；
L为两个传感器之间的水平距离；
x为特高频信号到1号传感器的水平距离；
c为光速。
经计算，最终确定放电源位于柜内B相和C相之间静触头盒部位，深度距离柜后壁27 cm。
对该开关柜进行停电检查发现，该开关柜内断路器下部静触头套管的外绝缘存在相间放电现象，有明显的白色放电生成物。现场进行高压试验，试验电压加至20.2 kV时，能听见明显的放电声音。随后将套管擦拭干净，再次加压至20.2 kV，亦能听见间歇的放电异常响声。随着试验电压的升高，放电异常响声不断增大，且变得连续。在试验加压的同时，进行特高频、超声波测试，与前期测试结果相比变化不大，并且随着电压的升高，放电信号越来越强。确定放电位置后，对断路器下部静触头三相套管的外绝缘进行等电位处理，检查其他设备无异常后，恢复送电并再次进行特高频及超声波局部放电检测，异常信号消失，开关柜运行正常。开关柜检修处理后运行一周进行局部放电复测未见异常，且附近无臭氧味和异常响声。
通过查阅相关资料，结合实际工作中出现的类似问题，制定防范措施以避免该类问题再次发生[9]。
1）提高绝缘水平。对单纯以空气作为绝缘介质的开关柜，柜内各相导体的相间与对地净距离必须符合文献[10]的规定。
2）降低开关室湿度，改善运行环境。例如采用特殊设计的建筑物或小室，进行适当通风或加热，采取适当的除湿措施。
3）消除电位差。对开关柜接地部位采取等电位处理，实现完全接地，例如35 kV开关柜使用带屏蔽的穿柜套管等。
1）针对单纯以空气作为绝缘介质的35 kV开关柜因固体绝缘劣化产生的局部放电问题，提出带电检测诊断方法和判断依据，在实际检测中发现同一设备局部放电类型并不单一，随着放电的发展同一设备可能同时存在两种及以上不同类型的放电。
2）综合运用特高频、超声波、暂态地电压等多种测试方法进行分析，有条件的可借助高速示波器判断放电严重程度、放电类型及放电源位置。
3）特高频信号衰减小，用于开关柜局部放电检测灵敏度较高，在巡检中可先进行特高频检测，确定异常间隔后再结合其他方法进行检测，以达到事半功倍的效果。但很多间隔也会因此出现干扰信号，需结合幅值、滤波、带宽调整、定位等方法予以排除。超声波和暂态地电压检测法灵敏度较低，应用这两种方法检测出异常信号时，一般局部放电程度较为严重。
4）综合考虑局部放电的类型、幅值、发展程度、故障点位置等，制定有针对性的检修策略，及时消除故障，保证电力设备安全稳定运行。
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