10kV高壓開關(guān)柜是向用戶供電的最直接的設(shè)備,其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到供電質(zhì)量和供電可靠程度。但在長期運(yùn)行過程中,高壓開關(guān)柜內(nèi)的金屬件、絕緣件等由于制造中潛伏的缺陷或者運(yùn)行中產(chǎn)生的缺陷,會(huì)產(chǎn)生局部放電。實(shí)踐表明,局部放電是導(dǎo)致設(shè)備絕緣劣化,發(fā)生絕緣故障的主要原因,且近年來的許多突發(fā)事故多是由局部放電所致。
據(jù)統(tǒng)計(jì),約40%開關(guān)柜故障因絕緣和載流缺陷引起,其中因絕緣部分閃絡(luò)和插頭接觸不良占了絕大部分。因此,對開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)的有效檢測及對故障的準(zhǔn)確判斷是保證開關(guān)柜安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。
目前,對開關(guān)柜局放的測試方法主要有脈沖電流法、暫態(tài)對地電壓法(TEV)、射頻法、超聲波法、超高頻法等,本文通過對廣州電網(wǎng)110kV玉樹變電站開關(guān)柜缺陷案例的分析,綜合應(yīng)用超聲波檢測、超高頻檢測、TEV檢測、TEV局放定位等測試手段,對開關(guān)柜局放進(jìn)行故障綜合診斷,實(shí)現(xiàn)了局放類型識(shí)別及局放源定位,提高了開關(guān)柜狀態(tài)巡檢、可疑故障點(diǎn)跟蹤、故障診斷及故障點(diǎn)定位等能力,全方位地促進(jìn)了開關(guān)柜的狀態(tài)檢修工作,為開關(guān)柜局放帶電測試提供了良好的理論指導(dǎo)依據(jù)。
本次110kV玉樹變電站開關(guān)柜采用基于TEV、超聲波、超高頻手段綜合檢測。
1 TEV局放測試原理
局部放電所產(chǎn)生的電磁波在柜體(接地屏蔽)的內(nèi)表面激發(fā)脈沖電流,由于柜體屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現(xiàn)縫隙而導(dǎo)致不連續(xù)。
根據(jù)電磁屏蔽的基本原理,脈沖電流從開口處傳到外表面而不越過窄縫隙到達(dá)開口的另一端,因此脈沖電流最終會(huì)從開口、接頭、蓋板等的縫隙處傳出,然后沿著金屬柜體外表面?zhèn)鞯酱蟮兀纬梢粋€(gè)暫態(tài)對地電壓(Transient Earth Voltages,TEV)。目前TEV法檢測設(shè)備大都采用電容性探測器來檢測放電脈沖,基本原理如圖1所示
圖1 TEV的產(chǎn)生及檢測示意圖
2 TEV局放定位原理
如圖2所示,通過2只電容耦合探測器檢測放電點(diǎn)發(fā)出的電磁波瞬間脈沖所經(jīng)過的時(shí)間差來確定放電活動(dòng)的位置。其基本原理是采用比較電磁脈沖分別到達(dá)每只探測器所需要的時(shí)間。系統(tǒng)指示哪個(gè)通道先被觸發(fā),進(jìn)而表明哪只探測器離放電點(diǎn)的電氣距離較近。
脈沖是以光速或接近光速進(jìn)行傳播的,所以必須能夠分辨很小的時(shí)間差,通常為μs級。采用比較電磁脈沖抵達(dá)不同探測器的時(shí)間差異來確定放電點(diǎn)的方法在本質(zhì)上優(yōu)于采用比較信號強(qiáng)度來確定放電點(diǎn)的方法,因?yàn)殡姶挪ǖ亩啻畏瓷淇赡茉斐煞禍y量結(jié)果不正常。
圖2 TEV定位方法的基本原理
3 超聲波局放測試原理
局部放電發(fā)生后,由于電場力的作用或壓力的作用,放電部位的氣體會(huì)發(fā)生膨脹和收縮的過程,這個(gè)過程將會(huì)引起局部體積變化。這種體積的變化,在外部產(chǎn)生疏密波,即產(chǎn)生聲波。超聲波局放測試技術(shù)是指用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù),基本原理如圖1所示。
聲發(fā)射源發(fā)出的彈性波,經(jīng)介質(zhì)傳播到達(dá)被檢物體表面,引起表面的機(jī)械振動(dòng);經(jīng)聲發(fā)射傳感器將表面的瞬態(tài)位移轉(zhuǎn)換成電信號;在經(jīng)放大、處理后,形成其特性參數(shù),并被記錄與顯示;最后經(jīng)數(shù)據(jù)的解釋評定出聲發(fā)射源的特性。
圖3 聲發(fā)射檢測技術(shù)的基本原理
4 超高頻局放測試原理
當(dāng)開關(guān)柜絕緣結(jié)構(gòu)中發(fā)生局部放電時(shí),沿放電通道將會(huì)有過程極短的脈沖電流產(chǎn)生,并激發(fā)瞬態(tài)電磁波輻射,超高頻檢測技術(shù)通過傳感器接收局部放電過程中輻射的超高頻電磁波,從而實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測。
110kV玉樹站高壓室內(nèi)有缺陷開關(guān)柜布局如圖4。該高壓室共有19面開關(guān)柜,在開關(guān)柜局放帶電測試巡檢過程中,發(fā)現(xiàn)有部分開關(guān)柜存在TEV信號強(qiáng)度與相鄰開關(guān)柜有明顯差異,且伴隨有超聲信號。
圖4 玉樹站#1高壓室布局示意圖
1 超聲波測試結(jié)果及分析
使用超聲波手段對高壓室內(nèi)所有開關(guān)柜進(jìn)行超聲波信號普測,檢測結(jié)果如表1:
表1 超聲波檢測結(jié)果
對比前后兩次檢測結(jié)果可看出,該高壓室開關(guān)柜后面板上部發(fā)現(xiàn)有放電現(xiàn)象且放電現(xiàn)象有加劇的趨勢。
2 TEV測試結(jié)果及分析
使用TEV手段對高壓室內(nèi)所有高壓開關(guān)柜進(jìn)行TEV信號普測,記錄局部放電幅值(dB)和2S內(nèi)的脈沖數(shù)。其環(huán)境背景測量結(jié)果如下表2所示,TEV測試結(jié)果如下圖5所示。
表2 TEV測量環(huán)境背景值
從背景環(huán)境的測量情況來看,金屬制品上的TEV測量值明顯高于空氣中的測量值, 平均在30dB以上,初步判定其高TEV信號幅值是由開關(guān)柜內(nèi)部局放所引起的。
圖5 TEV測量結(jié)果數(shù)據(jù)圖
從以上TEV測量結(jié)果數(shù)據(jù)圖中可以看出,TEV測試值普遍較高,尤其是F1、F4、F8、F10、51AC等開關(guān)柜TEV幅值平均在50dB以上。結(jié)合超聲波測試結(jié)果,可以推測開關(guān)柜內(nèi)存在外絕緣局部放電現(xiàn)象,且局部放電幅值較高。
3 超高頻測試結(jié)果及分析
用超高頻手段對開關(guān)柜進(jìn)行局放測試,診斷結(jié)果為浮動(dòng)電極放電,其放電特征圖譜如下圖6所示。
圖6 超高頻局放測試特征圖譜
4 TEV定位結(jié)果及分析
對#1高壓室開關(guān)柜進(jìn)行局部放電定位,傳感器布置情況如圖7所示:
圖7 傳感器布置示意圖
在經(jīng)過24小時(shí)的在線監(jiān)測后,各傳感器記錄的數(shù)據(jù)如圖8所示:
圖8 測試結(jié)果數(shù)據(jù)圖
從測試數(shù)據(jù)中可知,第一排開關(guān)柜除通道2外(其測試結(jié)果<0.05),第二排開關(guān)柜除通道11外(其測試結(jié)果<0.05),其它通道都存在有局放源,其中通道1、2、11、12為天線。
圖9 通道脈沖數(shù)和天線脈沖數(shù)曲線圖
圖10 通道脈沖數(shù)和8個(gè)傳感器脈沖數(shù)曲線
從圖9、10中可以發(fā)現(xiàn)四個(gè)天線的通道脈沖總數(shù)要比所有通道脈沖總數(shù)要小,八個(gè)傳感器的通道脈沖總數(shù)與所有通道脈沖總數(shù)基本一致,除#8傳感器外其他傳感器均接受到較高的TEV脈沖信號。由此可推斷,各傳感器附近都存在不同程度的局放現(xiàn)象,且信號均來自開關(guān)柜內(nèi)部。
根據(jù)以上超聲波、超高頻、TEV綜合測試結(jié)果判斷110kV 玉樹站#1高壓室開關(guān)柜內(nèi)部存在局放現(xiàn)象,并對其開關(guān)柜和母線橋進(jìn)行開柜檢修。
1 解體結(jié)果及分析
部分穿柜套管與母線鋁制夾件存在明顯的放電痕跡,如圖11 所示。其中51PT柜的母線夾件尤其明顯,如圖12所示。放電的原因分析為:鋁制夾件一端與母線之間存在微小間隙,若夾件表面存在表面光滑度存在瑕疵,很容易在夾件局部形成較強(qiáng)的懸浮電位,進(jìn)而形成局部放電,造成鋁制夾件表面與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),經(jīng)過長期累積,遂留下了放電的痕跡。
圖11 鋁制夾件上的放電痕跡
圖12 51PT柜鋁制夾件放電痕跡
母線表面熱縮套有較多的微小破損,如圖13所示,微小破損約0.5cm2,會(huì)引起局部電場不均勻,進(jìn)而引起局放。
圖13 母線熱縮套破損
部分穿柜套管積塵嚴(yán)重,且呈現(xiàn)不均分部特性,如圖14所示。積塵懷疑與開關(guān)柜內(nèi)部部分元件接觸不良而導(dǎo)致的發(fā)熱有關(guān),發(fā)熱導(dǎo)致氣流沿固定方向流動(dòng),在內(nèi)側(cè)遇金屬柜體降溫后其中灰塵積于內(nèi)側(cè)。
圖14 穿柜套管積塵現(xiàn)象
2 處理后的局放測試結(jié)果及分析
在玉樹站#1高壓室開關(guān)柜檢修并處理缺陷運(yùn)行約40天后高壓室進(jìn)行局放復(fù)測,測試結(jié)果表明#1高壓室的全部開關(guān)柜目前無明顯局放現(xiàn)象,設(shè)備目前處于良好的運(yùn)行狀態(tài);對#1高壓室的檢修工作效果明顯,消除了局放源,避免了設(shè)備因局放而出現(xiàn)的故障。
1、通過超聲波、TEV及超高頻等各種技術(shù)手段的綜合檢測,準(zhǔn)確判斷了110kV玉樹站#1高壓室發(fā)現(xiàn)的局放現(xiàn)象,并對局放信號源進(jìn)行了定位,后經(jīng)解體檢查,驗(yàn)證了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性及有效性。缺陷處理后局放信號消除,有效避免了因局放而發(fā)生的事故。
2、超聲波、對地暫態(tài)電壓(TEV)、超高頻檢測法都適用于開關(guān)柜局放檢測,三者綜合診斷明顯提高了對開關(guān)柜狀態(tài)巡檢、可疑故障點(diǎn)跟蹤、故障診斷及定位的能力,全方位地促進(jìn)了開關(guān)柜的狀態(tài)檢修工作,為開關(guān)柜局放帶電測試提供了良好的理論指導(dǎo)依據(jù)。
本文編自《電氣技術(shù)》,標(biāo)題為“110kV玉樹站高壓開關(guān)柜局部放電綜合診斷與分析”,作者為楊柳、張顯聰 等。