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    開關柜帶電檢測原理及其應用
    ? 發布時間:2016-6-21 ??來源:湖北德樂電力科技有限公司?? 人氣值:

    摘 要 本文主要是基于高壓開關柜局部放電這一常見的故障,講述了局部放電產生的原因、放電過程中產生的現象、局部放電檢測的常用方法、數據分析以及一般的檢測步驟。

    1 引言

    高壓開關柜是城市配電網中重要基礎設施,其運行的穩定性直接影響到城市經濟的發展,人民生活水平質量的提高。因此,開關柜設備的可靠性直接決定了用戶供電的可靠性。

    狀態檢修是提高供電設備可靠性的重要技術手段。但是,開關柜不可能采取像高壓變壓器、GIS設備那樣的在線監測技術路線,實現全面、實時的在線監測。因為:

    1)高壓開關柜數量眾多;

    2)開關柜的設備造價低;

    3)監測設備的成本很高;

    據不完全統計,開關柜故障特征大多表現為絕緣與載流故障上。然而絕緣與載流故障都是與放電現象密切有關的!因此對中壓開關設備實施放電檢測可顯著減少故障概率!

    2 開關柜局部放電產生機理

    開關柜內部局部放電的種類很多,主要分為內部放電和表面放電兩種,并以電磁波、氣體等形式釋放能量。

    2.1內部放電

    2.1.1產生機理

    內部放電存在主要是由于制造過程中絕緣介質內部殘留氣泡、雜質形成電介質的不均勻,造成氣體-固體、液體與固體、固體-固體的復合絕緣。

    圖2-1 絕緣介質內部殘留氣泡

    就拿介質中殘留氣泡來說(如圖2-1),通常情況下,氣隙中的場強度比介質中的高,而另一方面氣體的擊穿場強一般都比介質的擊穿場強低。因此,在外加電壓足夠高時,氣隙首先被擊穿,而周圍的介質仍然保持其絕緣特性,電極之間并沒有形成貫穿性的通道,只在氣泡中形成局部放電。

    油隙中也會發生局部放電,不過與氣隙相比要在高的多的電場強度下才會發生。

    在介質中極不均勻電場分布的情況下,即使在介質中不含有氣隙或油隙,只要是介質中的電場分布是極不均勻的,也就可能發生局部放電。例如埋在介質中的針尖電極或電極表面上的毛刺,或其他金屬屑等異物附近的電場強度要比介質中其他部位的電場強度高得多。當此處局部電場強度達到介質本征擊穿場強是,則介質局部擊穿而形成了局部放電。

    2.1.2放電過程

    圖2-2絕緣介質內氣隙放電空間電荷分布

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    在氣隙發生放電時,氣隙中的氣體產生游離,使中性分子分離為帶電的質點,在外加電場作用下,正離子沿電場方向移動,電子(或負離子)沿相反方向移動,于是這些空間電荷建立了與外施電場方向相反(如圖2-2),這是氣隙內的實際場強為

    Ec=E外—E內

    即氣隙上的電場強度下降了E內,于是氣隙中的實際場強低于氣體擊穿場強,氣隙中放電暫停。在氣隙中發生這樣一次放電過程的時間很短,約為10 (-8)數量級,在油隙中發生這樣一次放電過程的時間比較長,可達10 (-6)數量級。

    圖2-3外部電壓 、空間電荷q、氣隙電壓 的時間變化圖

    圖2-3很好的解釋了放電過程總在工頻電壓周期的上升延,即0~90℃或180~270℃(以初始周期為例)。由此可見,在正弦交流電壓下,局部放電時出現在外加電壓的一定相位上,當外加電壓足夠高時在一個周期內可能出現多次放電,每次放電有一定間隔時間。

    2.2表面放電

    開關柜中絕緣子、套管等固體絕緣在機械上起固定作用,又在電氣上起絕緣作用,其絕緣狀況關系到整個開關柜的可靠運行。放電與表面的干燥、潮濕或清潔、污染以及存在凹凸處有較大關系。由于界面電場分布的影響,會產生表面放電、爬電、污閃等放電現象。

    3 檢測原理

    局部放電過程中往往伴隨有電磁波、超聲波、光、臭氧、熱等物理或化學現象以及相應的過程,但是我們檢測時往往以電磁波和超聲波為主要的檢測指標。

    3.1TEV應用原理及信號提取

    高壓電氣設備發生局部放電時,放電量往往先聚集在與接地點相鄰的接地金屬部位,形成對地電流,在設備的金屬表面上傳播。對于內部放電,放電量聚集在接地屏蔽的內表面,屏蔽連續時在設備外部很難檢測到放電信號,但屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接、電纜絕緣終端等部位不連續,局部放電的高頻信號會由此傳輸到設備屏蔽外殼 。根據麥克斯韋電磁場理論,局部放電現象的發生產生出變化的電場,變化的電場激起磁場,而變化的磁場又會感應出電場,這樣,交表的電場與磁場相互激發并向外傳播,形成了電磁波,如圖3-1所示。當開關柜的內部元件對地絕緣發生局部放電時,小部分放電能量會以電磁波的形式轉移到柜體的金屬鎧裝上,因柜體接地,電磁波在開關柜外表面感應出高頻電流,我們利用電容耦合測出幅值及脈沖。

    圖3-1 TEV產生示意圖

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    3.2超聲波應用原理及信號提取

    局部放電前,開關柜內放電點周圍的電場應力、介質應力、粒子力處于相對平衡狀態。局放是一種快速的電荷釋放或遷移過程,導致放電點周圍的電場應力、機械應力與粒子力失去平衡狀態而產生振蕩變化過程。機械應力與粒子力的快速振蕩導致放電點周圍介質的振動現象,從而產生聲波信號。采集和處理過程如圖4-1。

    圖4-1超聲信號采集和處理

    4 局放數據分析

    1)當發現開關室內TEV背景值與測試值都在20dB以下時,表示開關設備正常,下次再次進行巡檢。

    2)如果開關室內TEV背景值在10dB以下,而某些開關柜的測試值在20dB~30dB,應對該開關柜加強關注,觀察以后檢測幅值的變化趨勢。

    3)如果開關室內TEV背景值10dB以下,而某些開關柜的TEV測試值大于30dB(相對值大于20dB),而表明該開關柜有局部放電現象,應使用定位技術對放電點進行定位。

    4)如果開關室內TEV測試值和背景值都在30dB以上,且并沒有發現在某個開關柜上出現峰值,應使用定位技術來判斷信號源的來源,如檢測結果發現信號源來自開關柜,而不是外界的干擾信號,應使用定位技術對放電點進行定位。

    5)使用超聲波傳感器測量時,通過耳麥能清楚的聽到局放聲,則說明此開關柜內存在局部放電。

    6)如果在某個開關柜的超聲波測試數據幅值大于6dB小于20dB,說明開關柜內存在局部放電,需要進行復測。

    7)如果在某個開關柜的超聲波測試數據幅值超過20dB,說明該開關柜內部存在嚴重的局部放電,應盡快組織復測,密切關注檢測幅值的變化趨勢。

    5 開關柜(環網柜)檢測的一般步驟

    開關柜電氣局放數據統計顯示局放故障比率為圖5-1。

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     電纜 36%
    斷路器 25%
    電壓互感器 20%
    母線 10%
    電流互感器 9%
    圖5-1局放故障比率

    所以在檢測時重點檢測開關柜前面下部以及后面部位。

    TEV檢測時:

    1)開啟儀器,選擇TEV模式。對不屬于或未連接到開關設備的金屬物體上進行背景干擾水平測量,記錄下金屬物體3次連續的dB值和計數,取中間幅值作為背景測量值。

    2)測量開關柜,在每個開關柜前、后部的上、中、下各取一個測量值,是TEV探頭與要被檢測的金屬表面垂直接觸,待讀數穩定后讀取數據。

    3)如果測到的幅值比背景干擾高出10dB,本身幅值大于20dB的,應該連續記錄三組讀數。

    4)遇到本身幅值大于30dB,絕對幅值大于20dB的,使用定位儀器進行局放源的定位。

    5)遇到環境幅值較大且不能準確定位的,要使用可以排除外界干擾的長期定位儀器進行定位。

    超聲檢測時:

    1)開啟儀器,選擇超聲模式,插入耳機并調節音量。

    2)在開關室內選擇三個位置,測量空氣當中的超聲信號并取中間幅值讀數作為背景測量值。

    3)對開關柜進行局放檢測時,應該將超聲波傳感器指向開關柜上的任何空氣間隙,調節增益,測量并記錄超聲幅值。

    參考文獻

    [1]趙智大.高電壓技術(第二版)[M].北京:中國電力出版社.

    [2]王圣.便攜式多功能局部放電檢測儀的原理及應用[J].高電壓技術.1994.20(1).

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