摘 要 本文主要是基于高壓開關(guān)柜局部放電這一常見的故障，講述了局部放電產(chǎn)生的原因、放電過(guò)程中產(chǎn)生的現(xiàn)象、局部放電檢測(cè)的常用方法、數(shù)據(jù)分析以及一般的檢測(cè)步驟。

1 引言

高壓開關(guān)柜是城市配電網(wǎng)中重要基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響到城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民生活水平質(zhì)量的提高。因此，開關(guān)柜設(shè)備的可靠性直接決定了用戶供電的可靠性。

狀態(tài)檢修是提高供電設(shè)備可靠性的重要技術(shù)手段。但是，開關(guān)柜不可能采取像高壓變壓器、GIS設(shè)備那樣的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)全面、實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)。因?yàn)椋?/p>

1)高壓開關(guān)柜數(shù)量眾多;

2)開關(guān)柜的設(shè)備造價(jià)低;

3)監(jiān)測(cè)設(shè)備的成本很高;

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，開關(guān)柜故障特征大多表現(xiàn)為絕緣與載流故障上。然而絕緣與載流故障都是與放電現(xiàn)象密切有關(guān)的!因此對(duì)中壓開關(guān)設(shè)備實(shí)施放電檢測(cè)可顯著減少故障概率!

2 開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生機(jī)理

開關(guān)柜內(nèi)部局部放電的種類很多，主要分為內(nèi)部放電和表面放電兩種，并以電磁波、氣體等形式釋放能量。

2.1內(nèi)部放電

2.1.1產(chǎn)生機(jī)理

內(nèi)部放電存在主要是由于制造過(guò)程中絕緣介質(zhì)內(nèi)部殘留氣泡、雜質(zhì)形成電介質(zhì)的不均勻，造成氣體-固體、液體與固體、固體-固體的復(fù)合絕緣。

圖2-1 絕緣介質(zhì)內(nèi)部殘留氣泡

就拿介質(zhì)中殘留氣泡來(lái)說(shuō)(如圖2-1)，通常情況下，氣隙中的場(chǎng)強(qiáng)度比介質(zhì)中的高，而另一方面氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般都比介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低。因此，在外加電壓足夠高時(shí)，氣隙首先被擊穿，而周圍的介質(zhì)仍然保持其絕緣特性，電極之間并沒(méi)有形成貫穿性的通道，只在氣泡中形成局部放電。

油隙中也會(huì)發(fā)生局部放電，不過(guò)與氣隙相比要在高的多的電場(chǎng)強(qiáng)度下才會(huì)發(fā)生。

在介質(zhì)中極不均勻電場(chǎng)分布的情況下，即使在介質(zhì)中不含有氣隙或油隙，只要是介質(zhì)中的電場(chǎng)分布是極不均勻的，也就可能發(fā)生局部放電。例如埋在介質(zhì)中的針尖電極或電極表面上的毛刺，或其他金屬屑等異物附近的電場(chǎng)強(qiáng)度要比介質(zhì)中其他部位的電場(chǎng)強(qiáng)度高得多。當(dāng)此處局部電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到介質(zhì)本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)是，則介質(zhì)局部擊穿而形成了局部放電。

2.1.2放電過(guò)程

圖2-2絕緣介質(zhì)內(nèi)氣隙放電空間電荷分布

在氣隙發(fā)生放電時(shí)，氣隙中的氣體產(chǎn)生游離，使中性分子分離為帶電的質(zhì)點(diǎn)，在外加電場(chǎng)作用下，正離子沿電場(chǎng)方向移動(dòng)，電子(或負(fù)離子)沿相反方向移動(dòng)，于是這些空間電荷建立了與外施電場(chǎng)方向相反(如圖2-2)，這是氣隙內(nèi)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)為

Ec=E外—E內(nèi)

即氣隙上的電場(chǎng)強(qiáng)度下降了E內(nèi)，于是氣隙中的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)低于氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)，氣隙中放電暫停。在氣隙中發(fā)生這樣一次放電過(guò)程的時(shí)間很短，約為10 (-8)數(shù)量級(jí)，在油隙中發(fā)生這樣一次放電過(guò)程的時(shí)間比較長(zhǎng)，可達(dá)10 (-6)數(shù)量級(jí)。

圖2-3外部電壓 、空間電荷q、氣隙電壓 的時(shí)間變化圖

圖2-3很好的解釋了放電過(guò)程總在工頻電壓周期的上升延，即0～90℃或180～270℃(以初始周期為例)。由此可見，在正弦交流電壓下，局部放電時(shí)出現(xiàn)在外加電壓的一定相位上，當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)可能出現(xiàn)多次放電，每次放電有一定間隔時(shí)間。

2.2表面放電

開關(guān)柜中絕緣子、套管等固體絕緣在機(jī)械上起固定作用，又在電氣上起絕緣作用，其絕緣狀況關(guān)系到整個(gè)開關(guān)柜的可靠運(yùn)行。放電與表面的干燥、潮濕或清潔、污染以及存在凹凸處有較大關(guān)系。由于界面電場(chǎng)分布的影響，會(huì)產(chǎn)生表面放電、爬電、污閃等放電現(xiàn)象。

3 檢測(cè)原理

局部放電過(guò)程中往往伴隨有電磁波、超聲波、光、臭氧、熱等物理或化學(xué)現(xiàn)象以及相應(yīng)的過(guò)程，但是我們檢測(cè)時(shí)往往以電磁波和超聲波為主要的檢測(cè)指標(biāo)。

3.1TEV應(yīng)用原理及信號(hào)提取

高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，放電量往往先聚集在與接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位，形成對(duì)地電流，在設(shè)備的金屬表面上傳播。對(duì)于內(nèi)部放電，放電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，屏蔽連續(xù)時(shí)在設(shè)備外部很難檢測(cè)到放電信號(hào)，但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續(xù)，局部放電的高頻信號(hào)會(huì)由此傳輸?shù)皆O(shè)備屏蔽外殼 。根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，局部放電現(xiàn)象的發(fā)生產(chǎn)生出變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)激起磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又會(huì)感應(yīng)出電場(chǎng)，這樣，交表的電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互激發(fā)并向外傳播，形成了電磁波，如圖3-1所示。當(dāng)開關(guān)柜的內(nèi)部元件對(duì)地絕緣發(fā)生局部放電時(shí)，小部分放電能量會(huì)以電磁波的形式轉(zhuǎn)移到柜體的金屬鎧裝上，因柜體接地，電磁波在開關(guān)柜外表面感應(yīng)出高頻電流，我們利用電容耦合測(cè)出幅值及脈沖。

圖3-1 TEV產(chǎn)生示意圖

3.2超聲波應(yīng)用原理及信號(hào)提取

局部放電前，開關(guān)柜內(nèi)放電點(diǎn)周圍的電場(chǎng)應(yīng)力、介質(zhì)應(yīng)力、粒子力處于相對(duì)平衡狀態(tài)。局放是一種快速的電荷釋放或遷移過(guò)程，導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍的電場(chǎng)應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力與粒子力失去平衡狀態(tài)而產(chǎn)生振蕩變化過(guò)程。機(jī)械應(yīng)力與粒子力的快速振蕩導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍介質(zhì)的振動(dòng)現(xiàn)象，從而產(chǎn)生聲波信號(hào)。采集和處理過(guò)程如圖4-1。

圖4-1超聲信號(hào)采集和處理

4 局放數(shù)據(jù)分析

1)當(dāng)發(fā)現(xiàn)開關(guān)室內(nèi)TEV背景值與測(cè)試值都在20dB以下時(shí)，表示開關(guān)設(shè)備正常，下次再次進(jìn)行巡檢。

2)如果開關(guān)室內(nèi)TEV背景值在10dB以下，而某些開關(guān)柜的測(cè)試值在20dB～30dB，應(yīng)對(duì)該開關(guān)柜加強(qiáng)關(guān)注，觀察以后檢測(cè)幅值的變化趨勢(shì)。

3)如果開關(guān)室內(nèi)TEV背景值10dB以下，而某些開關(guān)柜的TEV測(cè)試值大于30dB(相對(duì)值大于20dB)，而表明該開關(guān)柜有局部放電現(xiàn)象，應(yīng)使用定位技術(shù)對(duì)放電點(diǎn)進(jìn)行定位。

4)如果開關(guān)室內(nèi)TEV測(cè)試值和背景值都在30dB以上，且并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在某個(gè)開關(guān)柜上出現(xiàn)峰值，應(yīng)使用定位技術(shù)來(lái)判斷信號(hào)源的來(lái)源，如檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)信號(hào)源來(lái)自開關(guān)柜，而不是外界的干擾信號(hào)，應(yīng)使用定位技術(shù)對(duì)放電點(diǎn)進(jìn)行定位。

5)使用超聲波傳感器測(cè)量時(shí)，通過(guò)耳麥能清楚的聽到局放聲，則說(shuō)明此開關(guān)柜內(nèi)存在局部放電。

6)如果在某個(gè)開關(guān)柜的超聲波測(cè)試數(shù)據(jù)幅值大于6dB小于20dB，說(shuō)明開關(guān)柜內(nèi)存在局部放電，需要進(jìn)行復(fù)測(cè)。

7)如果在某個(gè)開關(guān)柜的超聲波測(cè)試數(shù)據(jù)幅值超過(guò)20dB，說(shuō)明該開關(guān)柜內(nèi)部存在嚴(yán)重的局部放電，應(yīng)盡快組織復(fù)測(cè)，密切關(guān)注檢測(cè)幅值的變化趨勢(shì)。

5 開關(guān)柜(環(huán)網(wǎng)柜)檢測(cè)的一般步驟

開關(guān)柜電氣局放數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示局放故障比率為圖5-1。

所以在檢測(cè)時(shí)重點(diǎn)檢測(cè)開關(guān)柜前面下部以及后面部位。

TEV檢測(cè)時(shí)：

1)開啟儀器，選擇TEV模式。對(duì)不屬于或未連接到開關(guān)設(shè)備的金屬物體上進(jìn)行背景干擾水平測(cè)量，記錄下金屬物體3次連續(xù)的dB值和計(jì)數(shù)，取中間幅值作為背景測(cè)量值。

2)測(cè)量開關(guān)柜，在每個(gè)開關(guān)柜前、后部的上、中、下各取一個(gè)測(cè)量值，是TEV探頭與要被檢測(cè)的金屬表面垂直接觸，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。

3)如果測(cè)到的幅值比背景干擾高出10dB，本身幅值大于20dB的，應(yīng)該連續(xù)記錄三組讀數(shù)。

4)遇到本身幅值大于30dB，絕對(duì)幅值大于20dB的，使用定位儀器進(jìn)行局放源的定位。

5)遇到環(huán)境幅值較大且不能準(zhǔn)確定位的，要使用可以排除外界干擾的長(zhǎng)期定位儀器進(jìn)行定位。

超聲檢測(cè)時(shí)：

1)開啟儀器，選擇超聲模式，插入耳機(jī)并調(diào)節(jié)音量。

2)在開關(guān)室內(nèi)選擇三個(gè)位置，測(cè)量空氣當(dāng)中的超聲信號(hào)并取中間幅值讀數(shù)作為背景測(cè)量值。

3)對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行局放檢測(cè)時(shí)，應(yīng)該將超聲波傳感器指向開關(guān)柜上的任何空氣間隙，調(diào)節(jié)增益，測(cè)量并記錄超聲幅值。

參考文獻(xiàn)

[1]趙智大.高電壓技術(shù)(第二版)[M].北京：中國(guó)電力出版社.

[2]王圣.便攜式多功能局部放電檢測(cè)儀的原理及應(yīng)用[J].高電壓技術(shù).1994.20(1).