淺談開關柜絕緣狀態(tài)檢測與故障診斷

摘要:電力開關柜作為電力系統(tǒng)的關鍵設備廣泛應用于輸電配電網(wǎng)絡，其運行可靠性直接影響著電力系統(tǒng)供電質量及安全性能。開關柜絕緣狀態(tài)檢測與故障診斷是及時維修、更換和預防絕緣故障的重要技術手段。在闡述開關柜絕緣狀態(tài)評估的基礎上，指出其內典型的局部放電類型;對比分析了應用于開關柜局部放電檢測方法的原理、技術特點及應用;總結了局部放電在線監(jiān)測的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，展望了在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下開關柜絕緣狀態(tài)檢測與故障診斷的未來方向。

關鍵詞:開關柜;絕緣檢測;局部放電;故障診斷;在線監(jiān)測

0引言

電力開關柜作為電力系統(tǒng)的關鍵設備，廣泛應用于輸電配電網(wǎng)絡，承擔著開合、控制和保護用電設備的作用，其運行可靠性直接影響著電力系統(tǒng)供電質量及安全性能。隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性成為衡量城市現(xiàn)代化進程和生活質量的重要標準，其對電力開關柜等電力設備自身的安全可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。開關柜內部絕緣結構多樣，實際運行環(huán)境復雜(高溫、灰塵、潮濕等)，加之可能存在的生產(chǎn)質量及工藝缺陷，在長期運行過程中絕緣性能可能發(fā)生劣化，進而在電場作用下引發(fā)局部放電(PartialDischarge，PD)，局部放電的進一步發(fā)展加劇絕緣老化，嚴重時可能導致電氣設備故障，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。研究表明，由于絕緣問題引發(fā)的運行故障是開關柜事故的主要原因之一。

目前，電力設備局部放電檢測是開關柜絕緣狀態(tài)評估的重要手段，其為保障開關柜安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了關鍵的作用，并得到了電網(wǎng)公司的推廣。根據(jù)檢測原理與采集信號的不同，高壓開關柜局放檢測主要有:超高頻(UHF)局放檢測，暫態(tài)地電壓(TEV)局放檢測，超聲波(AE)局放檢測及以上技術的聯(lián)合檢測。隨著國家電網(wǎng)公司“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略的提出，電力系統(tǒng)朝著自動化與智能化方向不斷發(fā)展，通過先進的傳感器技術、測量技術、網(wǎng)絡技術和通信技術對電力設備絕緣狀態(tài)進行檢測評估在開關柜故障診斷中有著重要的意義。

本文首先介紹了開關柜主要的絕緣問題及不同的局部放電類型，其次對不同的局部放電檢測技術進行了討論，展望了新形勢下電力開關柜絕緣狀態(tài)檢測及故障診斷的發(fā)展方向。

1開關柜絕緣狀態(tài)評估

據(jù)不完全統(tǒng)計，開關柜故障中有37．2%是由于開關柜絕緣問題導致的，可見開關柜絕緣故障是開關柜故障的主要原因。開關柜在運行過程中，工作人員誤操作、開關動作和雷擊都會引發(fā)過大的電壓。由于制造過程、安裝過程、運行維護方面造成絕緣設備的機械損傷是引發(fā)絕緣故障的重要原因。在開關柜導流系統(tǒng)中，當導電回路接觸部位氧化、接觸松動、過載等都將導致觸頭接觸不良、接觸電阻增大，造成載流故障的發(fā)生，出現(xiàn)觸頭溫度過高以及環(huán)境溫度升高都會引發(fā)絕緣的熱老化問題。環(huán)境因素如灰塵污染、空氣濕度大也會造成絕緣介質的化學老化，造成開關柜故障。因此電應力、機械應力、熱老化和化學老化的共同作用是引發(fā)絕緣材料劣化，發(fā)展成為絕緣故障的根本原因。開關柜絕緣狀態(tài)評估是及時維修、更換，預防發(fā)生絕緣故障的重要技術手段。開關柜絕緣狀態(tài)評估主要將局部放電、運行環(huán)境(包括氣溫、氣壓、濕度等)作為檢測對象，局部放電是引發(fā)絕緣問題的根本原因，因此本文著重對開關柜局部放電檢測方法進行闡述。

絕緣故障潛伏期會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，開關柜內的局部放電主要有以下4種:由于制作工藝引入絕緣介質內部的氣隙、雜質等造成絕緣介質內部缺陷引發(fā)的內部放電;由于暴露在空氣中的金屬表面毛刺引起的尖端電暈放電;絕緣介質表面污染物引起的沿面放電;由于結構設計缺陷、運輸以及運行過程中結構缺陷造成的接觸不良引起的懸浮電位放電。不同類型放電示意圖如圖1所示。不同類型的局部放電相位分析(PRPD)譜圖如圖2所示。不同放電類型的PRPD譜圖特性明顯不同，依據(jù)放電相位和幅值的區(qū)別可作為模式識別的重要依據(jù)。

局部放電直接和明顯的現(xiàn)象是導致電極間的電荷移動。具體表現(xiàn)在:①放電部位帶電粒子的變化。當發(fā)生局部放電時，帶電粒子會快速地由帶電體向非帶電體遷移(如開關柜柜體)，并在非帶電體上產(chǎn)生高頻電流。②輻射高頻電磁波信號。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，局部放電會產(chǎn)生變化的電場，變化的電場激發(fā)磁場，這樣交變的電場與磁場相互激發(fā)，并向外傳播便形成電磁波。極短時間內的放電脈沖會產(chǎn)生較高頻率的電磁波，并向外輻射?；谏鲜鰞蓚€原理可知，局部放電的發(fā)生必然會伴隨電流和電磁波的產(chǎn)生，實際上除此之外局部放電還伴有超聲波、氣體生成物、光、熱。依據(jù)局部放電時伴隨產(chǎn)生的這些物理現(xiàn)象，可以將檢測手段分為電測量法和非電測量法。

電力開關柜絕緣狀態(tài)檢測與故障診斷按照檢測狀態(tài)分為離線檢測和帶電檢測。離線檢測具有背景干擾小的優(yōu)點，但由于需要停電檢修，成本高，耗時長，逐漸被帶電檢測取代。帶電檢測又可以細分為定期檢測和在線監(jiān)測兩種。定期檢測依靠儀器在電力設備運行中對巡檢時刻的運行狀態(tài)進行檢測，用于發(fā)現(xiàn)設備運行中潛在的故障問題。在線監(jiān)測一般是將監(jiān)測設備的傳感器長期置于被檢測的設備內部或者外表面對設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。定期檢測和在線監(jiān)測都具有被測設備不停電、檢測工況與運行工況完全一致的優(yōu)點。在線監(jiān)測憑借其實時監(jiān)測和分析開關柜目前絕緣狀態(tài)的能力，包括識別故障早期征兆的預測能力，對已經(jīng)發(fā)生的擾動做出響應能力，準確度更高，成為當下狀態(tài)檢測與故障診斷的發(fā)展趨勢。

2局部放電檢測技術

局部放電檢測法的依據(jù)是局部放電所產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象，并通過測量各種現(xiàn)象所產(chǎn)生的物理量來表征局部放電的強弱。開關柜絕緣狀態(tài)檢測的方法主要有超高頻(UHF)檢測法，暫態(tài)地電壓(TEV)檢測法、超聲波(AE)檢測法、紅外檢測法、化學檢測法。其中超高頻(UHF)檢測法，暫態(tài)地電壓(TEV)檢測法、超聲波(AE)檢測法主要用于開關柜內局部放電檢測。

2．1超高頻(UHF)檢測法

超高頻(UHF)檢測法是指對頻率介于500~1500MHz區(qū)間的局部放電電磁波信號進行采集、分析、判斷的一種檢測方法[5]。通過UHF傳感器(也稱為耦合器)接收輻射的超高頻電磁波，傳感器可以將電磁波信號轉化成電壓信號，從而實現(xiàn)局部放電的檢測。UHF傳感器分為內置傳感器和外置傳感器兩種。超高頻檢測法具有檢測信號頻率高、外界干擾信號少等特點，可以極大地提高電氣設備局部放電檢測能力，特別是隨著在線監(jiān)測的發(fā)展，超高頻憑借著良好的抗干擾能力、可靠性和靈敏度有著較高的應用價值。超高頻檢測法局部放電檢測如圖3所示。各國的研究均表明，超高頻法用于高壓開關柜局部放電在線監(jiān)測有很好的前景。

2．2超聲波(AE)檢測法

超聲波與聲波相同，是物體機械振動的傳播形式。局部放電是一種快速的電荷釋放或遷移的過程，發(fā)生局部放電時，局部的電場應力、機械應力與粒子力失去平衡而產(chǎn)生振動，從而產(chǎn)生超聲信號。局部放電常伴隨著頻率高于20kHz的超聲波，超聲波信號通過不同介質并向四周傳播。超聲傳感器安裝在柜內，主要受環(huán)境噪聲和振動信號的影響。超聲傳感器安裝在開關柜柜體外層噪聲較小，然而超聲波跨越金屬傳播時衰減很大，因此超聲信號主要通過開關柜外殼縫隙傳出，超聲傳感器安裝在開關柜縫隙處檢測效果好。超聲波傳感器利用壓電晶體作為聲電轉化元件將超聲信號轉換為電信號，并經(jīng)過進一步放大及信號處理后傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)進行分析，以達到檢測局部放電的目的。天津某電力設備公司研發(fā)生產(chǎn)的一種典型外置非接觸式超聲傳感器如圖4所示，其采用自吸附式設計，可以方便地安裝于開關柜外殼縫隙處，不影響原開關柜運行和結構，中心頻率為40kHz，已廣泛應用于電力開關柜的局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)中。

2．3地電波(TEV)檢測法

地電波(TransientEarthVoltage，TEV)理論由Dr．JohnReeves在1974年提出。TEV檢測法作為一種經(jīng)典的開關柜局部放電檢測方法，得到了發(fā)展和關注。根據(jù)麥克斯韋理論，電磁波在空間傳播時遇到導體，會使導體產(chǎn)生感應電流，且感應電流與激起其電磁波的頻率相同。由局部放電脈沖產(chǎn)生的電磁波通常是幾千赫茲到幾十兆赫茲，因此開關柜柜體內部電磁波傳輸?shù)介_關柜柜體內表面并在靠近放電點的金屬表面會感應出短的脈沖電流。受到“集膚效應”的影響，此脈沖電流首先在金屬屏蔽內表面?zhèn)鞑?，如果金屬外殼對內是連續(xù)屏蔽的，則無法在外部檢測到局部放電信號，但是實際上開關柜的金屬外殼在絕緣襯墊、箱體連接處、終端等部位會存在不連續(xù)的縫隙，高頻脈沖電流信號可通過這些縫隙傳輸?shù)介_關柜柜體外層，產(chǎn)生一個暫態(tài)電壓，此電壓信號稱為暫態(tài)對地電壓(TEV)，在開關柜外表面通過專用的耦合電容傳感器即可測得此信號，并且通過此信號判斷開關柜內是否存在局部放電以及放電的強弱。超聲法和TEV法檢測原理如圖5所示。

考慮到開關柜的結構和安裝現(xiàn)場環(huán)境的影響，以及測試人員的現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)電力開關柜絕緣狀態(tài)局部放電檢測采用聲電聯(lián)合檢測的方法更能反映運行狀態(tài)。英國儀安科技(EATechnology)公司的局部放電檢測技術和產(chǎn)品應用于全球40多個國家的電力公司和電力企業(yè)，率先發(fā)明了TEV開關柜局放檢測技術，生產(chǎn)研發(fā)的多功能手持式局部放電檢測儀UltraTEVPlus+(UTP1)是局部放電日常巡檢的手持式定量工具。

在中國，相關研究雖然起步較晚，但是仍然取得了較大的進步，目前也有同類局部放電檢測產(chǎn)品問世，如天津學子電力設備科技有限公司的PEV-100，是一種基于超聲法和TEV法的手持式局部放電帶電檢測設備，內置非接觸式超聲傳感器和TEV傳感器來檢測開關柜內的絕緣狀態(tài)，可數(shù)值顯示局放的幅值、頻率、嚴重性指數(shù)等參數(shù)，具有故障預警功能和數(shù)據(jù)儲存功能。PEV-100經(jīng)濟性、實用性、準確度和診斷能力有顯著提高，手持式局部放電檢測設備PEV-100如圖6所示。

2．4其他檢測方法

過熱故障的檢測以紅外測溫成熟。電氣設備在發(fā)生局部放電時伴隨著發(fā)熱，紅外檢測法通過紅外線測量儀器對這些電熱能量進行轉換以檢測局部放電區(qū)域的溫度變化，進而實現(xiàn)局部放電信號檢測的目的。此外還有紫外吸收光譜技術檢測開關柜內部的臭氧氣體含量，并以此判斷其內部絕緣被氧化程度。環(huán)境的濕度對開關柜的絕緣性能有著較大影響，因此也作為一種預防局部放電的檢測參數(shù)。化學檢測法是利用電氣設備絕緣發(fā)生局部放電時，設備的絕緣材料會發(fā)生分解破壞，產(chǎn)生部分新的生成物，通過對這些生成物的成分和濃度進行檢測就可以評估絕緣狀態(tài)?；瘜W檢測法只能定性地對局部放電進行檢測，對發(fā)展緩慢的早期潛伏性電氣設備故障靈敏度較低。以上幾種檢測方法重點用于運行環(huán)境參數(shù)的檢測，是一種評估電力開關柜絕緣狀態(tài)的輔助手段。

3現(xiàn)存問題和未來發(fā)展展望

3．1在線監(jiān)測技術在開關柜中的推廣

電力開關柜智能在線監(jiān)測系統(tǒng)大部分由采集端、通信網(wǎng)絡和監(jiān)控中心三大部分構成，是以保障電網(wǎng)設備安全運行、遠程控制、實時采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)為目標的監(jiān)控系統(tǒng)。一方面在線監(jiān)測是改善設備維護維修不及時的重要手段，為開關柜運行故障提前預警果斷動作提供有力支撐，也是電網(wǎng)設備安全可靠運行的前提;另一方面收集傳感器采集到的數(shù)據(jù)，充分利用大數(shù)據(jù)實時評估開關柜的運行狀態(tài)、提高故障分析能力、主動預警，輔助診斷、跟蹤故障并給出用戶建議是實現(xiàn)電力開關柜管理信息化和智能化的核心競爭力。

典型的在線監(jiān)測設備如圖7所示，其系統(tǒng)主要由監(jiān)測主機、傳輸中繼和后臺服務器三部分構成。這種新型電力開關柜在線監(jiān)測設備通過在開關柜金屬箱體外側合理布置的傳感器獲得開關柜實時局部放電信號，將信號在檢測主機內處理后依托傳輸中繼運用傳輸技術實現(xiàn)信號傳輸?shù)胶笈_服務器。傳輸技術分為有線(如線纜、光纖等)和無線(ZigBee、藍牙、WiFi等)兩種。離線式后臺上位機界面如圖8所示，應用于不方便連接外網(wǎng)的地方?；ヂ?lián)網(wǎng)下的后臺服務器主頁界面如圖9所示。

圖9中，服務器采集系統(tǒng)中可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理及分析，包括在線監(jiān)測實時數(shù)據(jù)繪制局部放電圖譜、全部設備在線監(jiān)測橫向數(shù)據(jù)趨勢對比、單臺設備在線監(jiān)測趨勢分析以及歷史數(shù)據(jù)查詢功能。由于局部放電信號的檢測受到多種因素影響而呈現(xiàn)不確定性，因此系統(tǒng)借助多個傳感器回傳數(shù)據(jù)進行比較，并將試驗數(shù)據(jù)繪制成不同圖譜進行分析，對超過警戒值的異常點生成預警信息。后臺服務器中可以查詢所有歷史數(shù)據(jù)，為日后故障診斷和老化評估提供大量的數(shù)據(jù)支撐。在線監(jiān)測可有效解決通道數(shù)量受限、遠程操作困難、響應慢、工作量大、經(jīng)濟性差等問題，大幅提高開關柜監(jiān)測系統(tǒng)的分析和診斷能力。

3．2物聯(lián)網(wǎng)在開關柜狀態(tài)檢測中的應用前景

隨著國家電網(wǎng)公司泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的提出，物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應用成為熱點話題。我國經(jīng)濟和科技實力不斷增強，各種新型傳感器層出不窮，通信技術難關不斷攻克，以及大數(shù)據(jù)與云計算的蓬勃發(fā)展，在技術上已具備打造物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境下的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)在在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應用如圖10所示。在電力開關柜檢測系統(tǒng)中提高傳感器感知能力和多種傳感器聯(lián)合檢測是改善局部放電檢測系統(tǒng)漏判誤判的前提。電力開關柜智能在線監(jiān)測系統(tǒng)利用傳感器獲取實時數(shù)據(jù)，通過手機、平板電腦、辦公電腦等設備和無線通信技術實現(xiàn)運行維護人員和在線監(jiān)測設備的互聯(lián)，從而達到對電力開關柜運行狀態(tài)進行檢測的目的，對提高電力開關柜監(jiān)測效率以及設備的安全運行具有現(xiàn)實意義。實現(xiàn)物與物、物與人的智能處理和雙向互動能力，使多種開關柜狀態(tài)檢測傳感器接入網(wǎng)絡，形成一個以電網(wǎng)網(wǎng)絡為依托，連接用戶和開關柜檢測設備的龐大物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡。

4絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

4.1絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測儀

AIM-T系列絕緣監(jiān)測儀主要應用在工業(yè)場所IT配電系統(tǒng)中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。

其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。

4.2絕緣故障定位產(chǎn)品

工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ASG200測試信號發(fā)生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線回路較多的IT配電系統(tǒng)。

4.3絕緣監(jiān)測耦合儀

絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統(tǒng)。

5技術參數(shù)

5.1絕緣監(jiān)測儀技術參數(shù)

5.2測試信號發(fā)生器技術參數(shù)

5.3絕緣故障定位儀技術參數(shù)

5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術參數(shù)

5.5絕緣監(jiān)測耦合儀技術參數(shù)

6結語

(1)電力開關柜作為電力系統(tǒng)中非常重要的配電設備，其運行的可靠性對整個電力系統(tǒng)有著重要意義。開關柜的多數(shù)故障都是絕緣性故障，絕緣故障潛伏期會產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，由放電類型和放電成因可得到不同的檢測方法。

(2)通過分析各檢測方法的檢測原理和優(yōu)缺點以及各方法在實際中的應用，發(fā)現(xiàn)聲電聯(lián)合檢測為好的檢測方法，并對兩款基于聲電聯(lián)合檢測法的帶電檢測設備進行測試對比，測試表明與傳統(tǒng)的手持設備相比，PEV-100手持式局部放電帶電檢測設備經(jīng)濟性、實用性、準確度和診斷能力有顯著提高。

(3)在線監(jiān)測技術將成為電力開關柜絕緣狀態(tài)檢測與故障診斷的發(fā)展方向。打造物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境下的在線監(jiān)測系統(tǒng)，達到物與物、物與人的智能處理和雙向互動的開關柜檢測系統(tǒng)，為全行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造更大的機遇，對實現(xiàn)電力開關柜智能檢測的遠程操作、快速響應、安全監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和診斷評估具有非常重要的應用價值和前景。

參考文獻

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審核編輯 黃宇