开关柜中超声波局部放电检测及定位技术研究

开关柜中超声波局部放电检测及定位技术研究

李钊

（国网邯郸供电公司河北邯郸056004）

摘要：现阶段，在电力系统变电站中广泛的应用了开关柜装置，在促进电力系统运行方面发挥了重要作用。但是，因为氧化、放电、湿气以及高温等作用，导致绝缘劣化问题经常出现在开关柜内的电气设备中，随之会产生内部局部放电等缺陷，影响设备安全稳定运行。所以，我们需要通过一定的技术对开关柜设备内部的局部放电现象进行检测分析，提早发现设备内部隐性缺陷，制定相应检修试验策略，防止设备故障事故发生。对此，文章对开关柜中超声波局部放电检测及定位技术的相关内容进行了阐述。

关键词：开关柜；超声波；局部放电；检测及定位

在电力系统中，高压开关柜属于重要的设备装置，它内部分布着较多的电气元件，紧密排列，而且有较小的绝缘裕度，因此，时常发生局部放电问题。随着时代的发展，技术的革新，状态检修工作开始不断发展，在诊断与检测开关柜时局部放电检测就发挥了重要作用。

一、检测技术分析

如果有局部放电问题出现在了高压电气装置中，在放电时同时会产生声发射，一般在10Hz≤f≤107Hz，声波振动频率较高的会产生超声波，并且向周围快速的传播。带有能量的声波在某一速度下利用多种介质以球面波的方式向四周进行传递。超声波的波长短，但是频率较高，所以它有很强的方向性，并且能够迅速在空气内衰减，定位方便。此外，局部放电放出的电能和声能之间存在正比关系，这样人们可以根据局部放电发出的声能大小来判断局部放电大小。在空气中超声波会以相同的速度传播，通过利用超声波检测技术测试不同信号接收点的时间差，可以对具体的局部放电位置进行定位，所以，超声波检测技术在现场检测中得到了广泛的应用。

该技术在检测开关柜内的局部放电情况时，主要是利用超声波传感器装置检测开关柜内部出现的超声波信号，进而得到有关局部放电的信息，从而达到检测开关柜内部局部放电大小和放电位置定位的目的。开关柜内有较多的带电部件，电磁环境也非常复杂，虽然超声波检测技术可以把电磁干扰有效规避掉，但是在排除电磁振动以及超声波信号荧光灯时会比较困难，所以，在检测过程中需要把一些振动干扰排除掉，尤其是要关闭灯源检测。

二、定位技术分析

将m个超声波传感器安装到高压开关柜的内壁上，并且设置出多个坐标系：S1、S2......Sm。如果有局部放电信号出现，这样所出现的超声波信号会传递到m个传感器中。如果用p（x，y，z）表示局部放电坐标。用下图表示超声波传感器与局部放电信号点的位置关系。在具体的情况下，开关柜中超声波信号会出现透射、反射以及折射的情况，这样，会有少于m个的传感器接收到信号源。

图一、超声波传感器与局部放电信号关联图

用L1、L2、L3......Lm等表示放电点P的坐标，与m个传感器的对应距离用S1、S2、S3......Sm表示。用T表示超声波信号与S1传感器内的传输时间，开关柜中传播超声波信号的等值声速用v表示，我们可以基于S1传感器进行研究分析，在向第i个传感器中传递超声波信号时，这样会出现延时情况，也就是第一个传感器和第i个传感器之间的延时。具体的关系公式如下所示：

通过该公式，我们可以进行局部放电的具体定位，而且，可以用无约束优化问题来取代局部开关柜的局部放电问题。

三、具体的应用案例分析

2017年9月，测试人员在对某变电站35kV开关柜超声波局放测试过程中发现356间隔、313间隔、313-1间隔、3#PT间隔存在明显异常放电信号，随后采取了缩短检测周期的策略。在以后的几次跟踪测试中，发现开关柜测试数据均有不同程度的增长，尤其在2018年2月8日进行第三次超声波局放跟踪带电测试时，发现试验数据增长明显。测试数据如表1所示。

表1：历次超声波局放带电测试数据（单位：dbmv）

注：表中数值为本间隔最大稳定数值表一数据测试统计表

开关柜超声波局放带电试验数据分析：

一、从表1中测试数据来看，356间隔、313间隔、313-1间隔、3#PT间隔开关柜超声波测试均明显大于背景噪声，且明显高于同类其他间隔的测试数值。

二、根据相关检测标准和仪器厂家规定，超声波局放测量值>8dB且≤15dB的为异常放电信号，测量数值>15dB的为缺陷信号。由于超声波测试受环境和负荷影响，因此从最近2次的测试数据综合来看，356间隔、313间隔、313-1间隔、3#PT间隔的测试结果均为缺陷信号。

三、根据四次测试数据来看，开关柜超声波测试数据有明显递增趋势，且第三次跟踪测试数据较第二次跟踪测试数据明显增大。尤其是313间隔，测试数据增长明显，因此采取了停电处理的策略。异常间隔增长趋势如图1所示。

图2近几次超声波数据变化趋势图

从图2开关柜现场安装排布顺序能够看出，四个间隔比较处于相邻位置，且313间隔放电信号最大，并向两侧有依次减小的趋势。开关柜超声波局放信号检测位置为柜体缝隙处，仪器接收的信号可能是通过柜体缝隙传播过来的其他相邻间隔的放电信号。因此根据间隔位置分布和放电信号的传播特性，判断该35kV开关柜可能只在313开关柜存在放电点。随后采用超声波局部放电定位仪对313开关柜进行定位检测，初步确定放电点在313开关柜后面下部。

图3现场开关柜位置分布情况

根据以上测试结果，试验人员对异常设备进行了缺陷检查，首先对其内部元件分布进行检查分析。通过对313开关柜和312开关柜后柜的观察窗玻璃观察开关柜内部元件情况后比对发现：相比于312开关柜，313开关柜后柜内的绝缘隔板安装时与后柜内的一次引线太近甚至有的已经接触一次引线。因此初步分析异响可能跟绝缘隔板靠一次引线太近而引起的不均匀电场有关。此外结合开关柜内的元器件的分布位置初步判断还可能与以下情况有关：

1）带电显示装置二次接地线及穿柜套管的屏蔽线松动；

2）柜内触头盒、绝缘隔板、穿柜套管等绝缘件外边缘存在毛刺尖端和棱角；

2018年2月12日工作人员对313开关柜后柜的异响缺陷进行停电检查。检修人员首先打开313后柜门，拆除靠近柜后一次引线的6块绝缘隔板，隔板上有明显的因隔板靠近一次引线导致电场分布不均而吸附的灰尘，如图3所示。高压人员逐相对开关柜进行耐压试验检查，发现313柜后一次引线的C相带电显示装置绝缘支瓶底部二次接地线尾端因接线鼻断裂出现明显放电现象。放电位置如图4所示。

图4：313开关柜分布及后柜下隔板吸附灰尘的情况

图5：313后柜内绝缘支瓶分布及二次接地线尾端断裂情况

根据接地线尾端线鼻的断裂情况以及接线的装配工艺来分析，接线头在装配过程中线鼻受到安装人员的扭力或者存在受力过紧而弯曲断裂，在投运后长时间带电运行，存在局部放电现象，加上受到开关室内频繁投切的电容器开关振动等外力作用而导致线鼻压接处断裂，带电显示装置支瓶的二次尾端对地放电，而导致313开关柜的超声波局部放电超标。

2月13日，313开关柜缺陷处理后带电测试人员对其再次进行了超声波局部放电跟踪测试。测试结果图表2所示。从数据中可以看出313开关柜的带电测试结果均在合格范围内。

表2313开关柜超声波局放带电测试数据（单位：dbmv）

结语

接触不良、悬浮电位、金属自由颗粒、脏污等是开关柜中局部放电产生的常见原因，这些缺陷均可以利用超声波局部放电技术进行检测分析。特别是对表面局部放电和开关柜中外绝缘爬电检测有着非常理想的检测效果。另外，在发现开关柜超声波带电测试数据不合格时，除了缩短检测周期，加强监测外，还应采用红外测温、暂态地电波局部放电检测等多少检测技术进行联合分析诊，对判定缺陷性质、快速定位缺陷部位等都具有重要意义。

参考文献：

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