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淺談開關柜絕緣狀態檢測與故障診斷

更新時間：2023-04-24

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要:電力開關柜作為電力系統的關鍵設備廣泛應用于輸電配電網絡，其運行可靠性直接影響著電力系統供電質量及安全性能。開關柜絕緣狀態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手段。在闡述開關柜絕緣狀態評估的基礎上，指出其內典型的局部放電類型;對比分析了應用于開關柜局部放電檢測方法的原理、技術特點及應用;總結了局部放電在線監測的應用現狀與發展趨勢，展望了在物聯網環境下開關柜絕緣狀態檢測與故障診斷的未來方向。

關鍵詞:開關柜;絕緣檢測;局部放電;故障診斷;在線監測

0 引言

電力開關柜作為電力系統的關鍵設備，廣泛應用于輸電配電網絡，承擔著開合、控制和保護用電設備的作用，其運行可靠性直接影響著電力系統供電質量及安全性能。隨著我國經濟的迅猛發展，電力系統的穩定性和可靠性成為衡量城市現代化進程和生活質量的重要標準，其對電力開關柜等電力設備自身的安全可靠性提出了新的挑戰。開關柜內部絕緣結構多樣，實際運行環境復雜(高溫、灰塵、潮濕等)，加之可能存在的生產質量及工藝缺陷，在長期運行過程中絕緣性能可能發生劣化，進而在電場作用下引發局部放電(PartialDischarge，PD)，局部放電的進一步發展加劇絕緣老化，嚴重時可能導致電氣設備故障，影響電力系統的安全穩定運行。研究表明，由于絕緣問題引發的運行故障是開關柜事故的主要原因之一。

目前，電力設備局部放電檢測是開關柜絕緣狀態評估的重要手段，其為保障開關柜安全穩定運行發揮了關鍵的作用，并得到了電網公司的推廣。根據檢測原理與采集信號的不同，高壓開關柜局放檢測主要有:超高頻(UHF)局放檢測，暫態地電壓(TEV)局放檢測，超聲波(AE)局放檢測及以上技術的聯合檢測。隨著公司“三型兩網"戰略的提出，電力系統朝著自動化與智能化方向不斷發展，通過先進的傳感器技術、測量技術、網絡技術和通信技術對電力設備絕緣狀態進行檢測評估在開關柜故障診斷中有著重要的意義。

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

1 開關柜絕緣狀態評估

據統計，開關柜故障中有37．2%是由于開關柜絕緣問題導致的，可見開關柜絕緣故障是開關柜故障的主要原因。開關柜在運行過程中，工作人員誤操作、開關動作和雷擊都會引發過大的電壓。由于制造過程、安裝過程、運行維護方面造成絕緣設備的機械損傷是引發絕緣故障的重要原因。在開關柜導流系統中，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，造成載流故障的發生，出現觸頭溫度過高以及環境溫度升高都會引發絕緣的熱老化問題。環境因素如灰塵污染、空氣濕度大也會造成絕緣介質的化學老化，造成開關柜故障。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絕緣材料劣化，發展成為絕緣故障的根本原因。開關柜絕緣狀態評估是及時維修、更換，預防發生絕緣故障的重要技術手段。開關柜絕緣狀態評估主要將局部放電、運行環境(包括氣溫、氣壓、濕度等)作為檢測對象，局部放電是引發絕緣問題的根本原因，因此本文著重對開關柜局部放電檢測方法進行闡述。

絕緣故障潛伏期會產生放電現象，開關柜內的局部放電主要有以下4種:由于制作工藝引入絕緣介質內部的氣隙、雜質等造成絕緣介質內部缺陷引發的內部放電;由于暴露在空氣中的金屬表面毛刺引起的電暈放電;絕緣介質表面污染物引起的沿面放電;由于結構設計缺陷、運輸以及運行過程中結構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，依據放電相位和幅值的區別可作為模式識別的重要依據。

局部放電直接和明顯的現象是導致電極間的電荷移動。具體表現在:

①放電部位帶電粒子的變化。當發生局部放電時，帶電粒子會快速地由帶電體向非帶電體遷移(如開關柜柜體)，并在非帶電體上產生高頻電流。

②輻射高頻電磁波信號。根據麥克斯韋電磁場理論，局部放電會產生變化的電場，變化的電場激發磁場，這樣交變的電場與磁場相互激發，并向外傳播便形成電磁波。極短時間內的放電脈沖會產生較高頻率的電磁波，并向外輻射。基于上述兩個原理可知，局部放電的發生必然會伴隨電流和電磁波的產生，實際上除此之外局部放電還伴有超聲波、氣體生成物、光、熱。依據局部放電時伴隨產生的這些物理現象，可以將檢測手段分為電測量法和非電測量法。

電力開關柜絕緣狀態檢測與故障診斷按照檢測狀態分為離線檢測和帶電檢測。離線檢測具有背景干擾小的優點，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測兩種。定期檢測依靠儀器在電力設備運行中對巡檢時刻的運行狀態進行檢測，用于發現設備運行中潛在的故障問題。在線監測一般是將監測設備的傳感器長期置于被檢測的設備內部或者外表面對設備的運行狀態進行實時監測。定期檢測和在線監測都具有被測設備不停電、檢測工況與運行工況一致的優點。在線監測憑借其實時監測和分析開關柜目前絕緣狀態的能力，包括識別故障早期征兆的預測能力，對已經發生的擾動做出響應能力，準確度更高，成為當下狀態檢測與故障診斷的發展趨勢。

2 局部放電檢測技術

局部放電檢測法的依據是局部放電所產生的各種物理現象，并通過測量各種現象所產生的物理量來表征局部放電的強弱。開關柜絕緣狀態檢測的方法主要有超高頻(UHF)檢測法，暫態地電壓(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，暫態地電壓(TEV)檢測法、超聲波(AE)檢測法主要用于開關柜內局部放電檢測。

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化成電壓信號，從而實現局部放電的檢測。UHF傳感器分為內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備局部放電檢測能力，特別是隨著在線監測的發展，超高頻憑借著良好的抗力、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柜局部放電在線監測有很好的前景。

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生振動，從而產生超聲信號。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并向四周傳播。超聲傳感器安裝在柜內，主要受環境噪聲和振動信號的影響。超聲傳感器安裝在開關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柜外殼縫隙傳出，超聲傳感器安裝在開關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化元件將超聲信號轉換為電信號，并經過進一步放大及信號處理后傳輸到采集系統進行分析，以達到檢測局部放電的目的。天津某電力設備公司研發生產的一種典型外置非接觸式超聲傳感器如圖4所示，其采用自吸附式設計，可以方便地安裝于開關柜外殼縫隙處，不影響原開關柜運行和結構，中心頻率為40kHz，已廣泛應用于電力開關柜的局部放電在線監測系統中。

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檢測法作為一種經典的開關柜局部放電檢測方法，得到了發展和關注。根據麥克斯韋理論，電磁波在空間傳播時遇到導體，會使導體產生感應電流，且感應電流與激起其電磁波的頻率相同。由局部放電脈沖產生的電磁波通常是幾千赫茲到幾十兆赫茲，因此開關柜柜體內部電磁波傳輸到開關柜柜體內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表面傳播，如果金屬外殼對內是連續屏蔽的，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的縫隙，高頻脈沖電流信號可通過這些縫隙傳輸到開關柜柜體外層，產生一個暫態電壓，此電壓信號稱為暫態對地電壓(TEV)，在開關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柜內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。

考慮到開關柜的結構和安裝現場環境的影響，以及測試人員的現場試驗，發現電力開關柜絕緣狀態局部放電檢測采用聲電聯合檢測的方法更能反映運行狀態。英國儀安科技(EATechnology)公司的局部放電檢測技術和產品應用于40多個國家的電力公司和電力企業，發明了TEV開關柜局放檢測技術，生產研發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品問世，如天津學子電力設備科技有限公司的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備，內置非接觸式超聲傳感器和TEV傳感器來檢測開關柜內的絕緣狀態，可數值顯示局放的幅值、頻率、嚴重性指數等參數，具有故障預警功能和數據儲存功能。PEV-100經濟性、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。電氣設備在發生局部放電時伴隨著發熱，紅外檢測法通過紅外線測量儀器對這些電熱能量進行轉換以檢測局部放電區域的溫度變化，進而實現局部放電信號檢測的目的。此外還有紫外吸收光譜技術檢測開關柜內部的臭氧氣體含量，并以此判斷其內部絕緣被氧化程度。環境的濕度對開關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。化學檢測法是利用電氣設備絕緣發生局部放電時，設備的絕緣材料會發生分解破壞，產生部分新的生成物，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。化學檢測法只能定性地對局部放電進行檢測，對發展緩慢的早期潛伏性電氣設備故障靈敏度較低。以上幾種檢測方法重點用于運行環境參數的檢測，是一種評估電力開關柜絕緣狀態的輔助手段。

3 現存問題和未來發展展望

3.1 在線監測技術在開關柜中的推廣

電力開關柜智能在線監測系統大部分由采集端、通信網絡和監控中心三大部分構成，是以保障電網設備安全運行、遠程控制、實時采集數據和分析數據為目標的監控系統。一方面在線監測是改善設備維護維修不及時的重要手段，為開關柜運行故障提前預警果斷動作提供有力支撐，也是電網設備安全可靠運行的前提;另一方面收集傳感器采集到的數據，充分利用大數據實時評估開關柜的運行狀態、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電力開關柜管理信息化和智能化的核心競爭力。

典型的在線監測設備如圖7所示，其系統主要由監測主機、傳輸中繼和后臺服務器三部分構成。這種新型電力開關柜在線監測設備通過在開關柜金屬箱體外側合理布置的傳感器獲得開關柜實時局部放電信號，將信號在檢測主機內處理后依托傳輸中繼運用傳輸技術實現信號傳輸到后臺服務器。傳輸技術分為有線(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的地方。互聯網下的后臺服務器主頁界面如圖9所示。

圖9中，服務器采集系統中可實現數據自動處理及分析，包括在線監測實時數據繪制局部放電圖譜、全部設備在線監測橫向數據趨勢對比、單臺設備在線監測趨勢分析以及歷史數據查詢功能。由于局部放電信號的檢測受到多種因素影響而呈現不確定性，因此系統借助多個傳感器回傳數據進行比較，并將試驗數據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。后臺服務器中可以查詢所有歷史數據，為日后故障診斷和老化評估提供大量的數據支撐。在線監測可有效解決通道數量受限、遠程操作困難、響應慢、工作量大、經濟性差等問題，大幅提高開關柜監測系統的分析和診斷能力。

3.2 物聯網在開關柜狀態檢測中的應用前景

隨著公司泛在電力物聯網的提出，物聯網在智能電網中的應用成為熱點話題。我國經濟和科技實力不斷增強，各種新型傳感器層出不窮，通信技術難關不斷攻克，以及大數據與云計算的蓬勃發展，在技術上已具備打造物聯網大環境下的在線監測系統。

物聯網在在線監測系統中的應用如圖10所示。在電力開關柜檢測系統中提高傳感器感知能力和多種傳感器聯合檢測是改善局部放電檢測系統漏判誤判的前提。電力開關柜智能在線監測系統利用傳感器獲取實時數據，通過手機、平板電腦、辦公電腦等設備和無線通信技術實現運行維護人員和在線監測設備的互聯，從而達到對電力開關柜運行狀態進行檢測的目的，對提高電力開關柜監測效率以及設備的安全運行具有現實意義。實現物與物、物與人的智能處理和雙向互動能力，使多種開關柜狀態檢測傳感器接入網絡，形成一個以電網網絡為依托，連接用戶和開關柜檢測設備的龐大物聯網網絡。

4 絕緣監測及絕緣故障定位產品

4.1 絕緣監測及絕緣故障定位產品

AIM-T系列工業用絕緣監測儀

AIM-T系列絕緣監測儀主要應用在工業場所IT配電系統中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統。

其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統，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 絕緣故障定位產品

工業用絕緣故障定位產品配合AIM-T500L絕緣監測儀使用，主要包括ASG200測試信號發生器，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。

4.3 絕緣監測耦合儀

絕緣監測耦合儀配合AIM-T500絕緣監測儀使用，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。

5 技術參數

5.1 絕緣監測儀技術參數

5.2測試信號發生器技術參數

5.3絕緣故障定位儀技術參數

5.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術參數

5.5絕緣監測耦合儀技術參數

6 結語

(1)電力開關柜作為電力系統中非常重要的配電設備，其運行的可靠性對整個電力系統有著重要意義。開關柜的多數故障都是絕緣性故障，絕緣故障潛伏期會產生局部放電現象，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缺點以及各方法在實際中的應用，發現聲電聯合檢測為好的檢測方法，并對兩款基于聲電聯合檢測法的帶電檢測設備進行測試對比，測試表明與傳統的手持設備相比，PEV-100手持式局部放電帶電檢測設備經濟性、實用性、準確度和診斷能力有顯著提高。

(3)在線監測技術將成為電力開關柜絕緣狀態檢測與故障診斷的發展方向。打造物聯網大環境下的在線監測系統，達到物與物、物與人的智能處理和雙向互動的開關柜檢測系統，為全行業的發展創造更大的機遇，對實現電力開關柜智能檢測的遠程操作、快速響應、安全監控、數據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，徐衛東，周文文，等．12kV固體絕緣開關柜中絕緣氣隙缺陷的放電特征［J］．電工技術學報，2018，33(12):2894-2902．

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[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.8版

[4]安科瑞IT系統絕緣監測故障定位裝置及監控系統（中英文）2022.8版

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