基于紫外成像技术的开关柜局部放电故障精准定位

文章编号:１００４－２８９Ｘ(２０２１)０６－００９６－０４
基于紫外成像技术的开关柜局部放电故障精准定位
李杏ꎬ陈浩
(广东电网有限责任公司湛江供电局ꎬ广东㊀湛江㊀５２４０００)
摘㊀要:采用暂态对地电压ＴＥＶ和超声波检测技术对１０ｋＶ高压开关柜隐蔽缺陷局部放电故障定位精准度不高ꎬ基于此ꎬ在故障定位诊断时还引入了紫外成像检测技术ꎬ大大提高检测定位的精准性ꎮ通过实际案例分析表明ꎬ紫外成像检测技术在开关柜故障定位诊断可以提供有价值的参考数据ꎬ高效的指导检修工作的开展ꎮ
关键词:局部放电ꎻ超声波ꎻ紫外成像ꎻ定位
中图分类号:ＴＭ５９１㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ｂ
ＰｒｅｃｉｓｅＬｏｃａｔｉｏｎｏｆＰａｒｔｉａｌＤｉｓｃｈａｒｇｓｉｎＳｗｉｔｃｈｇｅａｒＢａｓｅｄ
ｏｎＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔＩｍａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＬＩＸｉｎｇꎬＣＨＥＮＨａｏ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐａｒｔｉａｌｄｉｓｃｈａｒｇｅꎻｕｌｔｒａｓｏｕｎｄꎻｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔＩｍａｇｉｎｇꎻｌｏｃａｔｉｏｎ
１㊀引言
１０ｋＶ高压开关柜是直接面对用户的电力设备ꎬ具有是极其重要的地位ꎬ其可靠性直接关系着系统稳定性ꎮ保证开关柜安全运行的关键是对开关柜运行状态进行有效监测㊁预判和合理检修ꎮ开关柜运行一定年限后ꎬ常常会受到温度㊁湿度等因素加速老化或因表面污秽出现异常放电现象形成绝缘劣化ꎬ导致绝缘强度降低ꎬ甚至容易发生触点和母排温度升高ꎬ严重的导致高压开关柜爆炸[１－２]ꎮ目前ꎬ检测高压开关柜局部放电故障主要有ＴＥＶ㊁超声波㊁特高频等方法ꎮ这些传统检测方法能够有效的检测出局放信号ꎬ但是对于微小的隐蔽缺陷的定位准确性不高ꎬ直接影响着消缺的工作效率ꎮ因此ꎬ寻找一种既能有效发现绝缘问题而又不会增加大量重复操作的检测手段显得非常重要ꎮ
２㊀开关柜局部放电产生的原因
㊀㊀当外加电压在电气设备产生一定场强ꎬ使绝缘部分区域发生放电ꎬ但在并未形成固定放电通道的这种放电现象称为局部放电ꎮ主要分为四种:沿面放电㊁电晕放电㊁内部放电以及悬浮放电ꎮ然而ꎬ开关柜的局部放电分为两种:沿面放电和内部放电ꎬ据统计ꎬ开关柜局部放电中沿面放电百分比大[３]ꎮ㊀㊀发生在绝缘介质表面的局部放电称为沿面放电ꎮ沿面放电电压主要受电压波形㊁空气污秽程度㊁电场分布情况㊁介质表面状况和气候条件等因素的影响[４]ꎮ
㊀㊀发生在固体绝缘介质内部的局部放电称为内部放电ꎮ由于材质和工艺等缺陷ꎬ使绝缘介质内部在
生产过程中会存有少量杂质和气隙ꎬ从而形成绝缘内部缺陷ꎮ当在绝缘介质上施加高电压时ꎬ内部缺陷就可能发生局部或重复性的击穿ꎮ内部放电的发生主要受与气隙的大小㊁形状㊁位置及气隙中气体种类和介质本身特性有关条件的影响ꎮ
３㊀带电检测的方法及原理
３ １㊀ＴＥＶ检测技术
㊀㊀暂态对地电压(ＴｒａｎｓｉｅｎｔＥａｒｔｈＶｏｌｔａｇｅ)是当高压开关柜发生局部放电时ꎬ由于存在集肤效应作用ꎬ放电电量会聚集在与离放电点相近的接地金属部分ꎬ形成电磁波并向各个方向传播ꎬ在金属断开或绝缘连接处ꎬ放电产生电磁波信号通过金属箱体连接处传播到大地ꎬ同时在外壳上感应出持续的纳秒级的电压信号ꎮ如果开关柜是全部密封的ꎬ则在柜外是无法检测到放电信号[５]ꎮ
㊀㊀ＴＥＶ检测技术对高压开关柜的内部放电有较强的敏感度ꎬ但是需要专业水平较高㊁检测经验丰富的技术人员ꎬ才能有效地发现在开关柜内的缺陷ꎮ其次对背景要求高ꎬ若干扰较大时ꎬ判断是否存在有局部放电存在一定的难度ꎮ
３ ２㊀超声波检测技术
㊀㊀超声波法的特点是在现场使用时容易受周围环境设备机械振动或噪声的影响ꎮ超声波在不同材质中传播ꎬ速度和衰减程度不同ꎮ在固体中传播速度很快ꎬ衰减也更快ꎬ它很难穿透设备的金属外壳ꎬ所以要求电气设备必须存在可以用于检测的开口或裂缝ꎮ再者ꎬ超声波具有很强的方向性ꎬ传感器必须指向局放源才能有较高的灵敏度ꎮ
㊀㊀超声波是需要通过多个不同位置的超声传感器所测得的时延ꎬ利用空间几何方法计算出局部放电源的位置ꎬ实现局部放电的准确定位ꎮ
３ ３㊀紫外成像检测技术
㊀㊀高压设备放电时ꎬ会产生电晕㊁闪络或电弧ꎮ电离时ꎬ空气中的正负离子不断获得和释放能量ꎬ在释放能量的过程中ꎬ即有紫外线辐射出来ꎮ紫外成像技术就是利用太阳盲区的紫外线光(２４０ｎｍ~２８０ｎｍ)进行检测ꎮ目前ꎬ紫外成像仪可以直观的判断和定位运行中的电力设备电晕放电和表面局部放电特性及其电力设备外绝缘状态和污秽程度ꎬ不接触ꎬ可远距离观察㊁检测ꎬ为开展的输㊁变电设备状态检修提供强有力的支撑[６－７]ꎮ
４㊀典型案例
４ １㊀现场局放测试
㊀㊀某变电站１０ｋＶ高压室共有４４面开关柜ꎬ在２０１９年１２月１４日ꎬ试验人员采用ＵｌｔｒａＴＥＶＰｌｕｓ＋便携式声电波局部放电检测仪对该高压室的开关柜进行ＴＥＶ和超声波联合检测ꎬ检测结果发现莫村线Ｆ０６开关柜和上蒙线Ｆ０９开关柜ＴＥＶ幅值正常ꎬＦ０６㊁Ｆ０９开关柜处可听到放电的 嘶嘶 声ꎬ在左右相邻的Ｆ０５开关柜㊁Ｆ０７开关柜㊁Ｆ０８开关柜㊁Ｆ１０开关柜没有听到明显的放电声ꎮ随后２０２０年０１月２０日试验人员再次复测ꎬ两次检测数据如表１所示ꎮ
表１㊀Ｆ０６㊁Ｆ０９开关柜ＴＥＶ和超声检测数据
线路名称测试时间数据
ＴＥＶ模式
开关柜前
柜中柜下
开关柜后
柜上柜中柜下
超声模式
柜前柜后
上中下
莫村线Ｆ０６开关２０１９ １２ １４幅值(ｄＢ)７３７９７００１００脉冲数(个)０００００
２０２０ ０１ ２０幅值(ｄＢ)６４７１１８００１００脉冲数(个)０００００
上蒙线Ｆ０９开关２０１９ １２ １４幅值(ｄＢ)７４７７７００２００脉冲数(个)０００００
２０２０ ０１ ２０幅值(ｄＢ)５７７６５００２３０脉冲数(个)０００００
㊀㊀结合现场作业标准和两次检测数据ꎬ如表１所示ꎬ判断Ｆ０６开关柜和Ｆ０９开关柜柜后中附近的超
声值超标ꎬ设备存在明显的放电ꎬ需将其停电进行检查处理ꎮ
４ ２㊀停电检查与分析
㊀㊀考虑到长期工频电压下开关柜局部放电的积累效应㊁创伤效应ꎬ２０２０年０１月２４日ꎬＦ０６㊁Ｆ０９开关柜进行停电检查ꎬ检修人员检查两面柜中部位的设备外观ꎬ并未发现明显放电痕迹ꎮ试验人员对其设备各断口进行绝缘试验ꎬ判断断口上㊁断口下㊁断口和整组的绝缘性能ꎬ其绝缘试验数据如表２所示ꎮ
表２㊀Ｆ０６㊁Ｆ０９开关柜绝缘试验数据
线路名称相别试验项目
试验位置
断口上断口断口下整组
莫村线Ｆ０６开关Ａ绝缘电阻(ＭΩ)１０１４５２２ ５９Ｂ绝缘电阻(ＭΩ)１３５１５０２５ ６１９
Ｃ绝缘电阻(ＭΩ)７６１００６５ ２３１上蒙线Ｆ０９开关Ａ绝缘电阻(ＭΩ)１２１１６０１２０５１Ｂ绝缘电阻(ＭΩ)６ ０８３１３０１ １
Ｃ绝缘电阻(ＭΩ)５ ５１５ ５３０１ ８㊀㊀试验结果表明:Ｆ０６㊁Ｆ０９开关的断口上㊁断口㊁
断口下㊁整组的绝缘值总体都偏低ꎮ检修人员对其
设备进行酒精清抹等处理后ꎬ并分别对其进行交流
耐压试验ꎮ试验过程中ꎬ耐压装置的电流表㊁电压表
指示无明显变化ꎬ试验结果为交流耐压试验通过ꎮ从结果分析ꎬ经过常规性的绝缘试验检查ꎬ并不能准确确定局部放电的位置ꎮ
４ ３㊀基于紫外检测技术的局放定位
㊀㊀图１是某变电站１０ｋＶ部分运行图ꎬ将１０ｋＶ莫村线Ｆ０６开关㊁１０ｋＶ上蒙线Ｆ０９开关合上ꎬ断开Ｆ０６１㊁Ｆ０９１㊁Ｆ０６４㊁Ｆ０９４刀闸ꎬ断开Ｆ０６Ｂ０㊁Ｆ０９Ｂ０㊁Ｆ０６４０㊁Ｆ０９４０刀闸ꎬ分别从Ｆ０６４㊁Ｆ０９４刀闸加入ｋＶ试验电压ꎬ模拟正常运行时开关承受的电压情况
ꎮ
图１㊀某变电站１０ｋＶ部分运行图
㊀㊀根据图２可知ꎬ试验电压试验电源由自藕调压器输出后接到试验变压器ꎬ试验变压器输出ｋＶ的试验电压分别接入Ｆ０６㊁Ｆ０９开关Ａ相㊁Ｂ相㊁Ｃ相ꎬ保持足够的安全距离ꎬ采用ＣｏｒｏＣＡＭ５０４紫外成像仪对其进行检测放电量的情况ꎬ如图２~图
４ꎮ
图２㊀
模拟开关运行情况原理图图３㊀Ｆ０６开关Ａ
相紫外定位图谱图４㊀Ｆ０６开关Ｂ相紫外定位图谱
㊀㊀从紫外检测图中可以看出ꎬＦ０６开关Ａ相㊁Ｂ相真空泡下端的支撑绝缘子附件存在集中的噪点ꎬ光子计数量达到５１９㊁６９６ꎬＦ０９开关柜Ｃ相真空泡上端与绝缘护套之间存在集中的噪点光子计数达到
２５２ꎬ存在严重的放电现象
ꎮ
图５㊀Ｆ０９开关Ｃ相紫外定位图谱
４ ４㊀解体检查
㊀㊀根据紫外检测定位图谱ꎬ耐压试验结束后检修人员分别对Ｆ０６㊁Ｆ０９开关柜相关部位进行解体检查ꎮ
㊀㊀Ｆ０６开关柜:拆除Ｆ０６开关Ａ相㊁Ｂ相真空泡下端的支撑绝缘子ꎬ发现Ａ相㊁Ｂ相支撑绝缘子上面有小范围的裂纹ꎬ存在轻微的放电痕迹ꎬ并测量其绝缘
电阻值为２２ＭΩ㊁７ＭΩꎮ
㊀㊀Ｆ０９开关柜:拆开Ｆ０９开关Ｃ相真空泡上端的绝缘护套ꎬ发现Ｆ０９开关柜Ｃ相绝缘护套的内侧靠外端有少量毛刺ꎮ
㊀㊀处理方案:检修人员对Ｆ０６开关Ａ相㊁Ｂ相真空泡下端的支撑绝缘子进行更换ꎬ对Ｆ０９开关Ｃ相绝缘护套内侧毛刺进行打磨处理ꎬ并检查了另外相同位置支撑绝缘子和绝缘护套ꎬ未发现此类情况ꎬ怀疑是个别绝缘子和绝缘护套在制造时的工艺问题造成的绝缘缺陷ꎮ
㊀㊀在进行完所有检查ꎬ使用酒精对所有部件进行清抹后ꎬ再次模拟正常运行时开关承受的电压ꎬ加压至１０１３ｋＶ电压ꎬ进行超声波和紫外检测ꎬ超声数据和紫外图谱噪点量均为在正常范围内ꎬ加压至３３ｋＶ电压ꎬ进行交流耐压试验ꎬ耐压装置的电流表㊁电压表指示无明显变化ꎬ开关柜无异常声音ꎬ交流耐压试验通过ꎬ证实此两面开关柜的放电现象已消除ꎬ
说明了本次检修的方法及策略有效ꎬ找到了开关柜局放的根源并予以消除ꎮ通过解体检查ꎬ验证了此次局放定位的准确性ꎬ并及时消除了缺陷ꎬ避免设备故障的发生ꎬ保证了供电的可靠性ꎮ
５㊀结论
㊀㊀(１)紫外成像技术作为一种新型的电气设备带电检测方法ꎬ可有效检测到因缺陷或故障导致的变电站开关柜局部放电现象ꎬ适用于电气设备的绝缘状态评估ꎻ
㊀㊀(２)在开关柜局部放电故障定位诊断时应用紫外成像技术ꎬ能够成功实现微小的隐蔽缺陷精准定位ꎬ从而高效的指导检修工作的开展ꎮ
㊀㊀紫外成像技术也存在有一定的局限性ꎬ检测时需要装设专业检测窗口ꎬ且对有些内部缺陷的检测
存在不灵敏性ꎮ在工程实际中ꎬ非常有必要结合其他检测方法如超声波㊁超高频等进行联合检测才能取得较好的效果ꎮ
参考文献
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收稿日期:２０２１－０６－２３
作者简介:李杏(１９８６－)ꎬ女ꎬ湖南邵阳ꎬ工学硕士ꎬ工程师ꎬ从事高压绝缘技
术㊁电力系统运行㊁规划等ꎻ
陈浩(１９８９－)ꎬ男ꎬ湖南湘潭ꎬ工学硕士ꎬ工程师ꎬ从事继电保护㊁电力系统运行㊁规划等ꎮ。