10kV开关柜局放检测原理及其应用

开关柜带电检测原理及其应用

三泰电力技术（南京）有限公司杨锴

摘要本文主要是基于高压开关柜局部放电这一常见的故障，讲述了局部放电

产生的原因、放电过程中产生的现象、局部放电检测的常用方法、数据分析以及一般的检测步骤。

关键词：局部放电、超声波、暂态地电压

1 引言

高压开关柜是城市配电网中重要基础设施，其运行的稳定性直接影响到城市经济的发展,人民生活水平质量的提高。因此，开关柜设备的可靠性直接决定了用户供电的可靠性。

状态检修是提高供电设备可靠性的重要技术手段。但是，开关柜不可能采取像高压变压器、GIS设备那样的在线监测技术路线，实现全面、实时的在线监测。因为：

1）高压开关柜数量众多;

2）开关柜的设备造价低;

3）监测设备的成本很高;

据不完全统计，开关柜故障特征大多表现为绝缘与载流故障上。然而绝缘与载流故障都是与放电现象密切有关的！因此对中压开关设备实施放电检测可显著减少故障概率！

2 开关柜局部放电产生机理

开关柜内部局部放电的种类很多，主要分为内部放电和表面放电两种，并以电磁波、气体等形式释放能量。

2.1内部放电[1]

2.1.1产生机理

内部放电存在主要是由于制造过程中绝缘介质内部残留气泡、杂质形成电介质的不均匀，造成气体-固体、液体与固体、固体-固体的复合绝缘。

图2-1 绝缘介质内部残留气泡

就拿介质中残留气泡来说（如图2-1），通常情况下，气隙中的场强度比介质中的高，而另一方面气体的击穿场强一般都比介质的击穿场强低。因此，在外加

电压足够高时，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之间并没有形成贯穿性的通道，只在气泡中形成局部放电。

油隙中也会发生局部放电，不过与气隙相比要在高的多的电场强度下才会发生。

在介质中极不均匀电场分布的情况下，即使在介质中不含有气隙或油隙，只要是介质中的电场分布是极不均匀的，也就可能发生局部放电。例如埋在介质中的针尖电极或电极表面上的毛刺，或其他金属屑等异物附近的电场强度要比介质中其他部位的电场强度高得多。当此处局部电场强度达到介质本征击穿场强是，则介质局部击穿而形成了局部放电。

2.1.2放电过程

图2-2绝缘介质内气隙放电空间电荷分布

在气隙发生放电时，气隙中的气体产生游离，使中性分子分离为带电的质点，在外加电场作用下，正离子沿电场方向移动，电子（或负离子）沿相反方向移动，于是这些空间电荷建立了与外施电场方向相反（如图2-2），这是气隙内的实际场强为

外E =E c ﹣内E

即气隙上的电场强度下降了内E ，于是气隙中的实际场强低于气体击穿场强，

气隙中放电暂停。在气隙中发生这样一次放电过程的时间很短，约为10-8数量级，在油隙中发生这样一次放电过程的时间比较长，可达10-6数量级。

图2-3外部电压μ、空间电荷q 、气隙电压c μ的时间变化图

图2-3很好的解释了放电过程总在工频电压周期的上升延，即0～90℃或180～270℃（以初始周期为例）。由此可见，在正弦交流电压下，局部放电时出

现在外加电压的一定相位上，当外加电压足够高时在一个周期内可能出现多次放电，每次放电有一定间隔时间。

2.2表面放电

开关柜中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上起固定作用，又在电气上起绝缘作用，其绝缘状况关系到整个开关柜的可靠运行。放电与表面的干燥、潮湿或清洁、污染以及存在凹凸处有较大关系。由于界面电场分布的影响，会产生表面放电、爬电、污闪等放电现象。

3 检测原理

局部放电过程中往往伴随有电磁波、超声波、光、臭氧、热等物理或化学现象以及相应的过程，但是我们检测时往往以电磁波和超声波为主要的检测指标。

3.1TEV应用原理及信号提取

高压电气设备发生局部放电时，放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流，在设备的金属表面上传播。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面，屏蔽连续时在设备外部很难检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位不连续，局部放电的高频信号会

由此传输到设备屏蔽外壳[2]。根据麦克斯韦电磁场理论，局部放电现象的发生产

生出变化的电场，变化的电场激起磁场，而变化的磁场又会感应出电场，这样，交表的电场与磁场相互激发并向外传播，形成了电磁波，如图3-1所示。当开关柜的内部元件对地绝缘发生局部放电时，小部分放电能量会以电磁波的形式转移到柜体的金属铠装上，因柜体接地，电磁波在开关柜外表面感应出高频电流，我们利用电容耦合测出幅值及脉冲。

3.2超声波应用原理及信号提取

局部放电前，开关柜内放电点周围的电场应力、介质应力、粒子力处于相对平衡状态。局放是一种快速的电荷释放或迁移过程，导致放电点周围的电场应力、机械应力与粒子力失去平衡状态而产生振荡变化过程。机械应力与粒子力的快速振荡导致放电点周围介质的振动现象，从而产生声波信号。采集和处理过程如图4-1。

图4-1超声信号采集和处理

4 局放数据分析

1）当发现开关室内TEV 背景值与测试值都在20dB 以下时，表示开关设

备正常，下次再次进行巡检。

2）如果开关室内TEV 背景值在10dB 以下，而某些开关柜的测试值在

20dB ～30dB ，应对该开关柜加强关注，观察以后检测幅值的变化趋势。

3） 如果开关室内TEV 背景值10dB 以下，而某些开关柜的TEV 测试值大

于30dB （相对值大于20dB ），而表明该开关柜有局部放电现象，应使用定位技术对放电点进行定位。

4） 如果开关室内TEV 测试值和背景值都在30dB 以上，且并没有发现

在某个开关柜上出现峰值，应使用定位技术来判断信号源的来源，如检测结果发现信号源来自开关柜，而不是外界的干扰信号，应使用定位技术对放电点进行定位。

5）使用超声波传感器测量时，通过耳麦能清楚的听到局放声，则说

明此开关柜内存在局部放电。

6）如果在某个开关柜的超声波测试数据幅值大于6dB 小于20dB ，说明

开关柜内存在局部放电，需要进行复测。

7

）如果在某个开关柜的超声波测试数据幅值超过20dB ，说明该开关

柜内部存在严重的局部放电，应尽快组织复测，密切关注检测幅值的变化趋势。

5 开关柜（环网柜）检测的一般步骤

5-1。