摘要：简述10kV开关柜局部放电产生的原因，对局部放电的种类进行总结，介绍了10kV开关柜局部放电检测的方法原理及异常的处理过程 ；通过对异常10kV开关柜设备的局放检测，结合停电试验及解体检查的综合分析判断，准确检测出开关柜的故障点，为10kV开关柜的安全运行提供保障。
关键词：开关柜；局部放电；超声波；暂态对地电压；原因；分析
Discussion on Local Discharge Cause and Fault Analysis of 10kV Switch Cabinet in Operation
Huang Zhifang
(Guangdong Power Gird zhanjiang Power Bureau， Zhanjiang, 524005，China)
Abstrct：The causes of partial discharge in 10kV switchgear are briefly described, the types of partial discharge are summarized, and the principle of the method for detecting partial discharge in 10kV switchgear and the process of handling anomalies are introduced. Through the local discharge test of the abnormal 10kV switchgear equipment, combined with the comprehensive analysis of the power outage test and the disintegration inspection, the fault point of the Switchgear is accurately detected, and the safety operation of the 10kV switchgear is guaranteed.
Key Words: Switching cabinets; Partial discharge; Ultrasound; Transient Earth Voltage; Reasons; analysis
1 引言
我国变电站大量的采用了金属封闭式开关柜，开关柜承担直接向用户馈电的任务，开关柜设备的可靠性直接决定了用户供电的可靠性，影响变电站能否安全、可靠运行。电气设备在长期运行中必然存在电的、热的、化学的及异常条件下形成的绝缘劣化，导致电气强度降低，会产生局部放电现象；这些微弱的放电将产生积累效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿，降低电网的安全可靠性，造成较大的经济损失。显然，对开关柜进行局部放电检测能够有效地发现其内部早期的绝缘缺陷，以便采取措施，避免其进一步发展，是预防电气设备故障的一种好方法。因此，电力系统中开关柜的局放放电原因查找及故障分析，对提高电网运行的安全可靠性有重要意义。
由于高压开关柜数量众多、设备造价低而监测设备的成本很高，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，而局部放电带电检测为非破坏试验，不会造成绝缘损伤；因此，开关柜的局部放电检测已成为一种预防电气设备故障的不可或缺的重要技术[1-4]。
2 开关柜局部放电产生的原因
局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，它是由于设备绝缘内部存在弱点或产生过程中造成的缺陷，在高电场强度作用下重复击穿和熄灭的现象。这种放电可能出现在固体绝缘的空穴中，也可能在液体绝缘的气泡中，或不同介电特性的绝缘层间，或金属表面的边缘尖角部位。
导致开关柜局部放电产生的原因有三方面。
第一、电网运行状态的影响，电网运行中的过电压、雷电波冲击或者谐波畸变都可以导致局部放电的产生；
第二、设备本身的原因绝缘材料不均匀、内部存在空洞和杂质、导体表面存在凸出部或者绝缘强度的不足都可以导致局部放电的产生；
第三、环境因素的影响：潮湿、污秽、过热也导致局部放电的产生。
局部放电伴随这产生电磁波、噪声、超声波、氮化物、碳化物、氟化物、发热或高频脉冲电流，这些都是局部放电导致设备绝缘劣化的表现。在绝缘介质中，电场分布、绝缘电气物理性能会对局部放电的条件产生一定的影响，尽管这种放电的能力很小，短时间影响不了电气设备的绝缘强度，但已对电介质产生影响。但若电气设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电，这些微弱的放电将产生累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后大致整个绝缘击穿。
3开关柜局部放电的种类
3.1悬浮电位放电
这种局部放电的形成是由于高压设备中某个导体部件存在结构设计缺陷，或者其它原因导致接触不良断开，最终造成该部件位于高压电极与低压电极之间并根据其位置的阻抗比获得分压发生放电，针对该导体部件上对地电位称其为悬浮电位。导体具有悬浮电位时，通常其附近的场强会比较集中，而且会破坏四周绝缘介质的形成。一般在电气设备内高电位的金属部件或者处于地电位的金属部件上容易发生悬浮电位放电。
3.2气隙放电
气隙放电也叫内部放电，这种放电常见于固体绝缘介质内部。在生产加工绝缘介质时难免存在材料与工艺缺陷的问题，导致绝缘介质内部出现内部缺陷，比如掺人少量的空气或者杂质等。一旦绝缘受到高压作用，内部缺陷就有发生局部击穿或者重复性击穿的可能。通常介质自身的特性、气隙大小、缺陷的位置与形状、气隙气体的种类等会对内部放电的发生条件产生影响。
3.3沿面放电
通常在绝缘介质表面会出现沿面放电的现象。这种局部放电的形式属于特殊的气体放电现象，电力电缆、绝缘套管的端部等位置比较常见沿面放电。一旦介质内部电场的强度低于电极边缘气隙的电场强度，而且介质沿面击穿电压相对较低，沿面放电就会发生在绝缘介质的表面。通常电压波形、电场的分布、空气质量、介质的表面状态、气候条件等均会对沿面放电电压产生影响，所以沿面放电体现出不稳定的特点。
3.4电晕放电
通常在气体包围的高压导体周围会出现电晕放电，比如高压输电线路或者高压变压器等，这些高压电气设备的高压接线端子暴露在空气中，因此发生电晕放电的机率相对较大。电晕放电体现出的是典型的、极不均匀电场的特征，也是极不均匀电场下特有的自持放电形式。很多外界因素均会对电晕起始电压产生影响，比如电极的形状、外加电压、气体密度、极间距离以及空气的湿度与流动速度等等。
4开关柜局部放电检测的方法原理
根据局部放电产生的各种物理化学现象，可以有很多种测量局部放电的方法。一般分为电测法和非电测法。电测法主要利用电磁波及超声波检测技术来测定局部放电的位置及放电程度，具有灵敏度高及使用简单的特点；非电测法是利用光学、热或化学分解物的原理进行局部放电测量。日常维护工作中应用比较广泛主要有电磁测量法即地电波检测、声音测量法即超声波检测。
4.1地电波检测
在高压开关柜绝缘层中局部放电发生时，放电点产生高频电流波，并向两个方向传播；受集肤效应的影响，电流波仅集中在金属柜体内表面传播，而不会直接穿透；在金属断开或绝缘连接处，电流波转移至外表面，并以电磁波形式进入自由空间；电磁波上升沿碰到金属外表面，产生暂态对地电压(Transient Earth Voltage)。如图1地电波检测原理图
图1地电波检测原理图
由于电磁波在传播过程衰减较小，易受外界电磁干扰的影响，对脉冲的变化速度比较敏感，比较适合介质内部放电；对放电频谱较低的套管、终端、绝缘子表面放电不敏感，能够精确定位，但分辨率受检测设备精度限制。
4.2超声波检测
局部放电前，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。局部放电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。如图2。
图2 超声波检测原理图
由于超声波在传播过程衰减大，受现场机械振动的干扰；对介质类型比较敏感，适合检测空气介质放电；比较适合检测套管、终端、绝缘子的表面放电；定位精度对设备精度要求较低但受内部反射折射等现象影响。
4.3特高频检测法（UHF）
UHF法的基本原理是通过UHF传感器对电力设备局放产生的特高频信号进行检测 ，从而判断设备局部放电状况，实现绝缘状态的判断，UHF法能有效的避开干扰信号，具有较高的灵敏度和搞干扰能力，可实现局放带电检测、定位、故障类型判断等优点。如图3。
图3 特高频法的原理图
4.4综合检测技术
现阶段，地电波检测技术和和超声波检测技术北广发应用于电力系统的局部放电检测，由于两种检测技术存在局限性，单一使用时无法客观反映其真实情况，甚至出现错误的判断。应根据放电类型的特点采用不同的检测方法，二者结合，以地电波检测技术为主，超声波检测技术为辅。声－电联合测试是开关柜局部放电检测的最佳选择！
5 典型案例110kV兴X变电站10kV开关柜故障分析
5.1故障概述
2017年5月18日，按《变电管理所2017年高考保供电特巡计划》要求对110kV兴X变电站10kV运行中10kV开关柜进行超声波、特高频局放检测，在10kV甲X线开关柜、10kV华X线开关柜检测到异常特高频信号，在10kV甲X线开关柜检测到异常超声信号。经定位诊断，判断10kV六甲线开关柜前柜下部中间位置存在金属性悬浮放电。
图4 10kV甲X线开关柜-特高频测试图谱
图5 10kV华X线开关柜-特高频测试图谱
图4、图5可见特高频在10kV甲X线开关柜、10kV华X线开关柜检测到异常特高频局放信号，异常信号脉冲数较多，脉冲信号出现两簇特征，幅值较大，具有悬浮电极放电特征。
图6 10kV甲X线开关柜-超声波幅值/波形图谱
图7 10kV华X线开关柜-超声波幅值/波形图谱
图6、图7可见超声波在10kV甲X线开关柜检测到异常特高频局放信号，异常信号脉冲数较多，脉冲信号出现两簇特征，幅值较大，具有悬浮电极放电特征。图7可见在10kV华X线开关柜未检测到异常超声信号。
5.2停电检查及故障分析
经过半个月的跟踪测试，信号存在逐步加强的现象，2017年6月3日对10kV甲X线开关柜（型号KGN-10-N-P-06，2008年1月出厂）进行停电开柜检查，发现B相避雷器引线脱落，与铜排之间形成虚接，形成金属与金属之间的局部放电。缺陷位置与局放定位位置一致。如图8 10kV甲X线开关柜停电检查照片。
图8 10kV甲X线开关柜停电检查照片
经分析认为，避雷器引线脱落能是由于在装配过程 (包括现场对接)中,按照人员没有安装牢固及避雷器引线本身质量存在一定问题，运行中出现放电震动，长时间运行下引线头与引线逐渐脱落。重新更换引线后，对开关柜进行绝缘试验合格；进行耐压试验，并使用局放检测仪进行局部测试，未发现异常放电信号，耐压通过。
6总结及建议
（1）绝缘问题是10kV开关柜的主要问题所在；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10kV开关柜故障率的有效手段。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利途径。
（2）地电波、超声波及特高频检测技术各有其特点，其实用效果应从长期积累的角度去衡量。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，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。
参考文献：
[1]周泽存，沈其工，方瑜．高电压技术[M]．北京：中国电力出版社，2004：362-363.
[2]施 围，邱毓昌，张乔根．高电压工程基础[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008.
[3]陈化刚．电力设备预防性试验方法及诊断技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社，2009.
[4]田 勇，田景林．6～10 kV开关柜事故统计分析与改进意见[J]．东北电力技术，1996，(8)：5-10．
[5]任明，彭华东，陈晓清，等．采用暂态对地电压法综合检测开关柜局部放电[J]．高电压技术，2010，36（10）：2460-2466.
[6]刘云鹏，王会斌，王娟，等．高压开关柜局部放电UHF在线监测系统的研究[J]．高电压技术，2009，45（1）：15-17.
论文作者:黄志芳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：开关柜论文; 局部论文; 介质论文; 电压论文; 电场论文; 超声波论文; 信号论文; 《电力设备》2018年第33期论文;