安科瑞 陳聰

摘要:電力開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)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電力系統(tǒng)供電質(zhì)量及安全性能。開關(guān)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(shù)手段。在闡述開關(guān)柜絕緣狀態(tài)評估的基礎(chǔ)上，指出其內(nèi)典型的局部放電類型;對比分析了應用于開關(guān)柜局部放電檢測方法的原理、技術(shù)特點及應用;總結(jié)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(guān)柜絕緣狀態(tài)檢測與故障診斷的未來方向。

   關(guān)鍵詞:開關(guān)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(guān)柜作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應用于輸電配電網(wǎng)絡(luò)，承擔著開合、控制和保護用電設(shè)備的作用，其運行可靠性直接影響著電力系統(tǒng)供電質(zhì)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(zhì)量的重要標準，其對電力開關(guān)柜等電力設(shè)備自身的安全可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。開關(guān)柜內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)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(zhì)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(shè)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(guān)柜事故的主要原因之一。

   目前，電力設(shè)備局部放電檢測是開關(guān)柜絕緣狀態(tài)評估的重要手段，其為保障開關(guān)柜安全穩(wěn)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(jù)檢測原理與采集信號的不同，高壓開關(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(shè)備絕緣狀態(tài)進行檢測評估在開關(guān)柜故障診斷中有著重要的意義。

   本文首先介紹了開關(guān)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(shù)進行了討論，展望了新形勢下電力開關(guān)柜絕緣狀態(tài)檢測及故障診斷的發(fā)展方向。

1開關(guān)柜絕緣狀態(tài)評估

   據(jù)統(tǒng)計，開關(guān)柜故障中有37．2%是由于開關(guān)柜絕緣問題導致的，可見開關(guān)柜絕緣故障是開關(guān)柜故障的主要原因。開關(guān)柜在運行過程中，工作人員誤操作、開關(guān)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(shè)備的機械損傷是引發(fā)絕緣故障的重要原因。在開關(guān)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(zhì)的化學老化，造成開關(guān)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(guān)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(shù)手段。開關(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)絕緣問題的根本原因，因此本文著重對開關(guān)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(guān)柜內(nèi)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(nèi)部的氣隙、雜質(zhì)等造成絕緣介質(zhì)內(nèi)部缺陷引發(fā)的內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷、運輸以及運行過程中結(jié)構(gòu)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(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(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(nèi)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(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(shè)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(shè)備運行中潛在的故障問題。在線監(jiān)測一般是將監(jiān)測設(shè)備的傳感器長期置于被檢測的設(shè)備內(nèi)部或者外表面對設(shè)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(shè)備不停電、檢測工況與運行工況一致的優(yōu)點。在線監(jiān)測憑借其實時監(jiān)測和分析開關(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(shù)

   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(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(guān)柜內(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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(shè)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(guān)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(zhì)并向四周傳播。超聲傳感器安裝在柜內(nèi)，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(guān)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(guān)柜外殼縫隙傳出，超聲傳感器安裝在開關(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(zhuǎn)化元件將超聲信號轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)計，可以方便地安裝于開關(guān)柜外殼縫隙處，不影響原開關(guān)柜運行和結(jié)構(gòu)，中心頻率為40kHz，已廣泛應用于電力開關(guān)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(guān)柜局部放電檢測方法，得到了發(fā)展和關(guān)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(guān)柜柜體內(nèi)部電磁波傳輸?shù)介_關(guān)柜柜體內(nèi)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(nèi)表面?zhèn)鞑?，如果金屬外殼對?nèi)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)柜內(nèi)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(guān)柜的結(jié)構(gòu)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(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多個國家的電力公司和電力企業(yè)，發(fā)明了TEV開關(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步，目前也有同類局部放電檢測產(chǎn)品問世，如天津?qū)W子電力設(shè)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(shè)備，內(nèi)置非接觸式超聲傳感器和TEV傳感器來檢測開關(guān)柜內(nèi)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(shù)檢測開關(guān)柜內(nèi)部的臭氧氣體含量，并以此判斷其內(nèi)部絕緣被氧化程度。環(huán)境的濕度對開關(guān)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(shè)備絕緣發(fā)生局部放電時，設(shè)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)。化學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(shè)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(guān)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(shù)在開關(guān)柜中的推廣

   電力開關(guān)柜智能在線監(jiān)測系統(tǒng)大部分由采集端、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心三大部分構(gòu)成，是以保障電網(wǎng)設(shè)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(shè)備維護維修不及時的重要手段，為開關(guān)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(shè)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(guān)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(guān)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(shè)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(wù)器三部分構(gòu)成。這種新型電力開關(guān)柜在線監(jiān)測設(shè)備通過在開關(guān)柜金屬箱體外側(cè)合理布置的傳感器獲得開關(guān)柜實時局部放電信號，將信號在檢測主機內(nèi)處理后依托傳輸中繼運用傳輸技術(shù)實現(xiàn)信號傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器。傳輸技術(shù)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。互聯(lián)網(wǎng)下的后臺服務(wù)器主頁界面如圖9所示。

   圖9中，服務(wù)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(shè)備在線監(jiān)測橫向數(shù)據(jù)趨勢對比、單臺設(shè)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(wù)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(guān)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(guān)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(shù)難關(guān)不斷攻克，以及大數(shù)據(jù)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(guān)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(guān)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(shè)備和無線通信技術(shù)實現(xiàn)運行維護人員和在線監(jiān)測設(shè)備的互聯(lián)，從而達到對電力開關(guān)柜運行狀態(tài)進行檢測的目的，對提高電力開關(guān)柜監(jiān)測效率以及設(shè)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(guān)柜狀態(tài)檢測傳感器接入網(wǎng)絡(luò)，形成一個以電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為依托，連接用戶和開關(guān)柜檢測設(shè)備的龐大物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

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(shù)參數(shù)

5.1絕緣監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)

5.2測試信號發(fā)生器技術(shù)參數(shù)

5.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)

5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)

5.5絕緣監(jiān)測耦合儀技術(shù)參數(shù)

6結(jié)語

          (1)電力開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)中非常重要的配電設(shè)備，其運行的可靠性對整個電力系統(tǒng)有著重要意義。開關(guān)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(shè)備進行測試對比，測試表明與傳統(tǒng)的手持設(shè)備相比，PEV-100手持式局部放電帶電檢測設(shè)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(shù)將成為電力開關(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(guān)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(guān)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

[1]聶一雄，徐衛(wèi)東，周文文，等．12kV固體絕緣開關(guān)柜中絕緣氣隙缺陷的放電特征［J］．電工技術(shù)學報，2018，33(12):2894-2902．

[2]韓濤．基于TEV的開關(guān)柜局部放電檢測及模式識別方法研究［D］．天津:天津大學，2012．

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊.2022.8版

[4]安科瑞IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及監(jiān)控系統(tǒng)（中英文）2022.8版