韓歡慶

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

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

   關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)柜;絕緣檢測;局部放電;故障診斷;在線(xiàn)監測

0引言

   電力開(kāi)關(guān)柜作為電力系統的關(guān)鍵設備，廣泛應用于輸電配電網(wǎng)絡(luò )，承擔著(zhù)開(kāi)合、控制和保護用電設備的作用，其運行可靠性直接影響著(zhù)電力系統供電質(zhì)量及安全性能。隨著(zhù)我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，電力系統的穩定性和可靠性成為衡量城市現代化進(jìn)程和生活質(zhì)量的重要標準，其對電力開(kāi)關(guān)柜等電力設備自身的安全可靠性提出了新的挑戰。開(kāi)關(guān)柜內部絕緣結構多樣，實(shí)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(zhì)量及工藝缺陷，在長(cháng)期運行過(guò)程中絕緣性能可能發(fā)生劣化，進(jìn)而在電場(chǎng)作用下引發(fā)局部放電(PartialDischarge，PD)，局部放電的進(jìn)一步發(fā)展加劇絕緣老化，嚴重時(shí)可能導致電氣設備故障，影響電力系統的安全穩定運行。研究表明，由于絕緣問(wèn)題引發(fā)的運行故障是開(kāi)關(guān)柜事故的主要原因之一。

   目前，電力設備局部放電檢測是開(kāi)關(guān)柜絕緣狀態(tài)評估的重要手段，其為保障開(kāi)關(guān)柜安全穩定運行發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，并得到了電網(wǎng)公司的推廣。根據檢測原理與采集信號的不同，高壓開(kāi)關(guān)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(shù)的聯(lián)合檢測。隨著(zhù)國家電網(wǎng)公司“三型兩網(wǎng)"戰略的提出，電力系統朝著(zhù)自動(dòng)化與智能化方向不斷發(fā)展，通過(guò)先進(jìn)的傳感器技術(shù)、測量技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信技術(shù)對電力設備絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測評估在開(kāi)關(guān)柜故障診斷中有著(zhù)重要的意義。

   本文首先介紹了開(kāi)關(guān)柜主要的絕緣問(wèn)題及不同的局部放電類(lèi)型，其次對不同的局部放電檢測技術(shù)進(jìn)行了討論，展望了新形勢下電力開(kāi)關(guān)柜絕緣狀態(tài)檢測及故障診斷的發(fā)展方向。

1開(kāi)關(guān)柜絕緣狀態(tài)評估

   據不統計，開(kāi)關(guān)柜故障中有37．2%是由于開(kāi)關(guān)柜絕緣問(wèn)題導致的，可見(jiàn)開(kāi)關(guān)柜絕緣故障是開(kāi)關(guān)柜故障的主要原因。開(kāi)關(guān)柜在運行過(guò)程中，工作人員誤操作、開(kāi)關(guān)動(dòng)作和雷擊都會(huì )引發(fā)過(guò)大的電壓。由于制造過(guò)程、安裝過(guò)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(kāi)關(guān)柜導流系統中，當導電回路接觸部位氧化、接觸松動(dòng)、過(guò)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，出現觸頭溫度過(guò)高以及環(huán)境溫度升高都會(huì )引發(fā)絕緣的熱老化問(wèn)題。環(huán)境因素如灰塵污染、空氣濕度大也會(huì )造成絕緣介質(zhì)的化學(xué)老化，造成開(kāi)關(guān)柜故障。因此電應力、機械應力、熱老化和化學(xué)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(kāi)關(guān)柜絕緣狀態(tài)評估是及時(shí)維修、更換，預防發(fā)生絕緣故障的重要技術(shù)手段。開(kāi)關(guān)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(wèn)題的根本原因，因此本文著(zhù)重對開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測方法進(jìn)行闡述。

   絕緣故障潛伏期會(huì )產(chǎn)生放電現象，開(kāi)關(guān)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(zhì)內部的氣隙、雜質(zhì)等造成絕緣介質(zhì)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電暈放電;絕緣介質(zhì)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(guò)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(lèi)型放電示意圖如圖1所示。不同類(lèi)型的局部放電相位分析(PRPD)譜圖如圖2所示。不同放電類(lèi)型的PRPD譜圖特性明顯不同，依據放電相位和幅值的區別可作為模式識別的重要依據。

   局部放電直接和明顯的現象是導致電極間的電荷移動(dòng)。具體表現在:①放電部位帶電粒子的變化。當發(fā)生局部放電時(shí)，帶電粒子會(huì )快速地由帶電體向非帶電體遷移(如開(kāi)關(guān)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。根據麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，局部放電會(huì )產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng)，這樣交變的電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互激發(fā)，并向外傳播便形成電磁波。極短時(shí)間內的放電脈沖會(huì )產(chǎn)生較高頻率的電磁波，并向外輻射?；谏鲜鰞蓚€(gè)原理可知，局部放電的發(fā)生必然會(huì )伴隨電流和電磁波的產(chǎn)生，實(shí)際上除此之外局部放電還伴有超聲波、氣體生成物、光、熱。依據局部放電時(shí)伴隨產(chǎn)生的這些物理現象，可以將檢測手段分為電測量法和非電測量法。

   電力開(kāi)關(guān)柜絕緣狀態(tài)檢測與故障診斷按照檢測狀態(tài)分為離線(xiàn)檢測和帶電檢測。離線(xiàn)檢測具有背景干擾小的優(yōu)點(diǎn)，但由于需要停電檢修，成本高，耗時(shí)長(cháng)，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(xiàn)監測兩種。定期檢測依靠?jì)x器在電力設備運行中對巡檢時(shí)刻的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測，用于發(fā)現設備運行中潛在的故障問(wèn)題。在線(xiàn)監測一般是將監測設備的傳感器長(cháng)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(jìn)行實(shí)時(shí)監測。定期檢測和在線(xiàn)監測都具有被測設備不停電、檢測工況與運行工況一致的優(yōu)點(diǎn)。在線(xiàn)監測憑借其實(shí)時(shí)監測和分析開(kāi)關(guān)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(dòng)做出響應能力，準確度更高，成為當下?tīng)顟B(tài)檢測與故障診斷的發(fā)展趨勢。

2局部放電檢測技術(shù)

   局部放電檢測法的依據是局部放電所產(chǎn)生的各種物理現象，并通過(guò)測量各種現象所產(chǎn)生的物理量來(lái)表征局部放電的強弱。開(kāi)關(guān)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(xué)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(kāi)關(guān)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區間的局部放電電磁波信號進(jìn)行采集、分析、判斷的一種檢測方法[5]。通過(guò)UHF傳感器(也稱(chēng)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(shí)現局部放電的檢測。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(diǎn)，可以極大地提高電氣設備局部放電檢測能力，特別是隨著(zhù)在線(xiàn)監測的發(fā)展，超高頻憑借著(zhù)良好的抗力、可靠性和靈敏度有著(zhù)較高的應用價(jià)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(kāi)關(guān)柜局部放電在線(xiàn)監測有很好的前景。

2．2超聲波(AE)檢測法

   超聲波與聲波相同，是物體機械振動(dòng)的傳播形式。局部放電是一種快速的電荷釋放或遷移的過(guò)程，發(fā)生局部放電時(shí)，局部的電場(chǎng)應力、機械應力與粒子力失去平衡而產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲信號。局部放電常伴隨著(zhù)頻率高于20kHz的超聲波，超聲波信號通過(guò)不同介質(zhì)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(dòng)信號的影響。超聲傳感器安裝在開(kāi)關(guān)柜柜體外層噪聲較小，然而超聲波跨越金屬傳播時(shí)衰減很大，因此超聲信號主要通過(guò)開(kāi)關(guān)柜外殼縫隙傳出，超聲傳感器安裝在開(kāi)關(guān)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(guò)進(jìn)一步放大及信號處理后傳輸到采集系統進(jìn)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(kāi)關(guān)柜外殼縫隙處，不影響原開(kāi)關(guān)柜運行和結構，中心頻率為40kHz，已廣泛應用于電力開(kāi)關(guān)柜的局部放電在線(xiàn)監測系統中。

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(kāi)關(guān)柜局部放電檢測方法，得到了發(fā)展和關(guān)注。根據麥克斯韋理論，電磁波在空間傳播時(shí)遇到導體，會(huì )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(kāi)關(guān)柜柜體內部電磁波傳輸到開(kāi)關(guān)柜柜體內表面并在靠近放電點(diǎn)的金屬表面會(huì )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傳播，如果金屬外殼對內是連續屏蔽的，則無(wú)法在外部檢測到局部放電信號，但是實(shí)際上開(kāi)關(guān)柜的金屬外殼在絕緣襯墊、箱體連接處、終端等部位會(huì )存在不連續的縫隙，高頻脈沖電流信號可通過(guò)這些縫隙傳輸到開(kāi)關(guān)柜柜體外層，產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)電壓，此電壓信號稱(chēng)為暫態(tài)對地電壓(TEV)，在開(kāi)關(guān)柜外表面通過(guò)專(zhuān)用的耦合電容傳感器即可測得此信號，并且通過(guò)此信號判斷開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)柜的結構和安裝現場(chǎng)環(huán)境的影響，以及測試人員的現場(chǎng)試驗，發(fā)現電力開(kāi)關(guān)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(shù)和產(chǎn)品應用于全球40多個(gè)國家的電力公司和電力企業(yè)，發(fā)明了TEV開(kāi)關(guān)柜局放檢測技術(shù)，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(guān)研究雖然起步較晚，但是仍然取得了較大的進(jìn)步，目前也有同類(lèi)局部放電檢測產(chǎn)品問(wèn)世，如天津學(xué)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(lái)檢測開(kāi)關(guān)柜內的絕緣狀態(tài)，可數值顯示局放的幅值、頻率、嚴重性指數等參數，具有故障預警功能和數據儲存功能。PEV-100經(jīng)濟性、實(shí)用性、準確度和診斷能力有顯著(zhù)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(guò)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(shí)伴隨著(zhù)發(fā)熱，紅外檢測法通過(guò)紅外線(xiàn)測量?jì)x器對這些電熱能量進(jìn)行轉換以檢測局部放電區域的溫度變化，進(jìn)而實(shí)現局部放電信號檢測的目的。此外還有紫外吸收光譜技術(shù)檢測開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)柜的絕緣性能有著(zhù)較大影響，因此也作為一種預防局部放電的檢測參數?；瘜W(xué)檢測法是利用電氣設備絕緣發(fā)生局部放電時(shí)，設備的絕緣材料會(huì )發(fā)生分解破壞，產(chǎn)生部分新的生成物，通過(guò)對這些生成物的成分和濃度進(jìn)行檢測就可以評估絕緣狀態(tài)?；瘜W(xué)檢測法只能定性地對局部放電進(jìn)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(diǎn)用于運行環(huán)境參數的檢測，是一種評估電力開(kāi)關(guān)柜絕緣狀態(tài)的輔助手段。

3現存問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展展望

3．1在線(xiàn)監測技術(shù)在開(kāi)關(guān)柜中的推廣

   電力開(kāi)關(guān)柜智能在線(xiàn)監測系統大部分由采集端、通信網(wǎng)絡(luò )和監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(shí)時(shí)采集數據和分析數據為目標的監控系統。一方面在線(xiàn)監測是改善設備維護維修不及時(shí)的重要手段，為開(kāi)關(guān)柜運行故障提前預警果斷動(dòng)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據，充分利用大數據實(shí)時(shí)評估開(kāi)關(guān)柜的運行狀態(tài)、提高故障分析能力、主動(dòng)預警，輔助診斷、跟蹤故障并給出用戶(hù)建議是實(shí)現電力開(kāi)關(guān)柜管理信息化和智能化的核心競爭力。

   典型的在線(xiàn)監測設備如圖7所示，其系統主要由監測主機、傳輸中繼和后臺服務(wù)器三部分構成。這種新型電力開(kāi)關(guān)柜在線(xiàn)監測設備通過(guò)在開(kāi)關(guān)柜金屬箱體外側合理布置的傳感器獲得開(kāi)關(guān)柜實(shí)時(shí)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(shù)實(shí)現信號傳輸到后臺服務(wù)器。傳輸技術(shù)分為有線(xiàn)(如線(xiàn)纜、光纖等)和無(wú)線(xiàn)(ZigBee、藍牙、WiFi等)兩種。離線(xiàn)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(wù)器主頁(yè)界面如圖9所示。

   圖9中，服務(wù)器采集系統中可實(shí)現數據自動(dòng)處理及分析，包括在線(xiàn)監測實(shí)時(shí)數據繪制局部放電圖譜、全部設備在線(xiàn)監測橫向數據趨勢對比、單臺設備在線(xiàn)監測趨勢分析以及歷史數據查詢(xún)功能。由于局部放電信號的檢測受到多種因素影響而呈現不確定性，因此系統借助多個(gè)傳感器回傳數據進(jìn)行比較，并將試驗數據繪制成不同圖譜進(jìn)行分析，對超過(guò)警戒值的異常點(diǎn)生成預警信息。后臺服務(wù)器中可以查詢(xún)所有歷史數據，為日后故障診斷和老化評估提供大量的數據支撐。在線(xiàn)監測可有效解決通道數量受限、遠程操作困難、響應慢、工作量大、經(jīng)濟性差等問(wèn)題，大幅提高開(kāi)關(guān)柜監測系統的分析和診斷能力。

3．2物聯(lián)網(wǎng)在開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)檢測中的應用前景

   隨著(zhù)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(diǎn)話(huà)題。我國經(jīng)濟和科技實(shí)力不斷增強，各種新型傳感器層出不窮，通信技術(shù)難關(guān)不斷攻克，以及大數據與云計算的蓬勃發(fā)展，在技術(shù)上已具備打造物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境下的在線(xiàn)監測系統。

   物聯(lián)網(wǎng)在在線(xiàn)監測系統中的應用如圖10所示。在電力開(kāi)關(guān)柜檢測系統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漏判誤判的前提。電力開(kāi)關(guān)柜智能在線(xiàn)監測系統利用傳感器獲取實(shí)時(shí)數據，通過(guò)手機、平板電腦、辦公電腦等設備和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現運行維護人員和在線(xiàn)監測設備的互聯(lián)，從而達到對電力開(kāi)關(guān)柜運行狀態(tài)進(jìn)行檢測的目的，對提高電力開(kāi)關(guān)柜監測效率以及設備的安全運行具有現實(shí)意義。實(shí)現物與物、物與人的智能處理和雙向互動(dòng)能力，使多種開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)檢測傳感器接入網(wǎng)絡(luò )，形成一個(gè)以電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )為依托，連接用戶(hù)和開(kāi)關(guān)柜檢測設備的龐大物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。

4絕緣監測及絕緣故障定位產(chǎn)品

4.1絕緣監測及絕緣故障定位產(chǎn)品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監測儀

           AIM-T系列絕緣監測儀主要應用在工業(yè)場(chǎng)所IT配電系統中，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。

   其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統，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(xiàn)回路較多的IT配電系統。

4.3絕緣監測耦合儀

   絕緣監測耦合儀配合AIM-T500絕緣監測儀使用，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。

5技術(shù)參數

5.1絕緣監測儀技術(shù)參數

5.2測試信號發(fā)生器技術(shù)參數

5.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數

5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數

5.5絕緣監測耦合儀技術(shù)參數

6結語(yǔ)

          (1)電力開(kāi)關(guān)柜作為電力系統中非常重要的配電設備，其運行的可靠性對整個(gè)電力系統有著(zhù)重要意義。開(kāi)關(guān)柜的多數故障都是絕緣性故障，絕緣故障潛伏期會(huì )產(chǎn)生局部放電現象，由放電類(lèi)型和放電成因可得到不同的檢測方法。

          (2)通過(guò)分析各檢測方法的檢測原理和優(yōu)缺點(diǎn)以及各方法在實(shí)際中的應用，發(fā)現聲電聯(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(jìn)行測試對比，測試表明與傳統的手持設備相比，PEV-100手持式局部放電帶電檢測設備經(jīng)濟性、實(shí)用性、準確度和診斷能力有顯著(zhù)提高。

          (3)在線(xiàn)監測技術(shù)將成為電力開(kāi)關(guān)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(xiàn)監測系統，達到物與物、物與人的智能處理和雙向互動(dòng)的開(kāi)關(guān)柜檢測系統，為全行業(yè)的發(fā)展創(chuàng )造更大的機遇，對實(shí)現電力開(kāi)關(guān)柜智能檢測的遠程操作、快速響應、安全監控、數據分析和診斷評估具有非常重要的應用價(jià)值和前景。

參考文獻

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