浅谈开关柜绝缘状态检测与故障诊断

时间：2023-04-23

杨翠

上海安科瑞股份有限公司

摘要:电力开关柜作为电力系统的关键设备广泛应用于输电配电网络，其运行可靠性直接影响着电力系统供电质量及安全性能。开关柜绝缘状态检测与故障诊断是及时维修、更换和预防绝缘故障的重要技术手段。在阐述开关柜绝缘状态评估的基础上，指出其内典型的局部放电类型;对比分析了应用于开关柜局部放电检测方法的原理、技术特点及应用;总结了局部放电在线监测的应用现状与发展趋势，展望了在物联网环境下开关柜绝缘状态检测与故障诊断的未来方向。

关键词:开关柜;绝缘检测;局部放电;故障诊断;在线监测

0引言

电力开关柜作为电力系统的关键设备，广泛应用于输电配电网络，承担着开合、控制和保护用电设备的作用，其运行可靠性直接影响着电力系统供电质量及安全性能。随着我国经济的迅猛发展，电力系统的稳定性和可靠性成为衡量城市现代化进程和生活质量的重要标准，其对电力开关柜等电力设备自身的性提出了新的挑战。开关柜内部绝缘结构多样，实际运行环境复杂(高温、灰尘、潮湿等)，加之可能存在的生产质量及工艺缺陷，在长期运行过程中绝缘性能可能发生劣化，进而在电场作用下引发局部放电(PartialDischarge，PD)，局部放电的进一步发展加剧绝缘老化，严重时可能导致电气设备故障，影响电力系统的安全稳定运行。研究表明，由于绝缘问题引发的运行故障是开关柜事故的主要原因之一。

目前，电力设备局部放电检测是开关柜绝缘状态评估的重要手段，其为**开关柜安全稳定运行发挥了关键的作用，并得到了电网公司的推广。根据检测原理与采集信号的不同，高压开关柜局放检测主要有:**高频(UHF)局放检测，暂态地电压(TEV)局放检测，超声波(AE)局放检测及以上技术的联合。随着国家电网公司“三型两网”战略的提出，电力系统朝着自动化与智能化方向不断发展，通过先进的传感器技术、测量技术、网络技术和通信技术对电力设备绝缘状态进行检测评估在开关柜故障诊断中有着重要的意义。

本文首先介绍了开关柜主要的绝缘问题及不同的局部放电类型，其次对不同的局部放电检测技术进行了讨论，展望了新形势下电力开关柜绝缘状态检测及故障诊断的发展方向。

1开关柜绝缘状态评估

据不完全统计，开关柜故障中有37．2%是由于开关柜绝缘问题导致的，可见开关柜绝缘故障是开关柜故障的主要原因。开关柜在运行过程中，工作人员误操作、开关动作和雷击都会引发过大的电压。由于制造过程、安装过程、运行维护方面造成绝缘设备的机械损伤是引发绝缘故障的重要原因。在开关柜导流系统中，当导电回路接触部位氧化、接触松动、过载等都将导致触头接触不良、接触电阻增大，造成载流故障的发生，出现触头温度过高以及环境温度升高都会引发绝缘的热老化问题。环境因素如灰尘污染、空气湿度大也会造成绝缘介质的化学老化，造成开关柜故障。因此电应力、机械应力、热老化和化学老化的共同作用是引发绝缘材料劣化，发展成为绝缘故障的根本原因。开关柜绝缘状态评估是及时维修、更换，预防发生绝缘故障的重要技术手段。开关柜绝缘状态评估主要将局部放电、运行环境(包括气温、气压、湿度等)作为检测对象，局部放电是引发绝缘问题的根本原因，因此本文着重对开关柜局部放电检测方法进行阐述。

绝缘故障潜伏期会产生放电现象，开关柜内的局部放电主要有以下4种:由于制作工艺引入绝缘介质内部的气隙、杂质等造成绝缘介质内部缺陷引发的内部放电;由于暴露在空气中的金属表面毛刺引起的尖端电晕放电;绝缘介质表面污染物引起的沿面放电;由于结构设计缺陷、运输以及运行过程中结构缺陷造成的接触不良引起的悬浮电位放电。不同类型放电示意图如图1所示。不同类型的局部放电相位分析(PRPD)谱图如图2所示。不同放电类型的PRPD谱图特性明显不同，依据放电相位和幅值的区别可作为模式识别的重要依据。

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局部放电直接和明显的现象是导致电极间的电荷移动。具体表现在:①放电部位带电粒子的变化。当发生局部放电时，带电粒子会快速地由带电体向非带电体迁移(如开关柜柜体)，并在非带电体上产生高频电流。②辐射高频电磁波信号。根据麦克斯韦电磁场理论，局部放电会产生变化的电场，变化的电场激发磁场，这样交变的电场与磁场相互激发，并向外传播便形成电磁波。较短时间内的放电脉冲会产生较高频率的电磁波，并向外辐射。基于上述两个原理可知，局部放电的发生必然会伴随电流和电磁波的产生，实际上除此之外局部放电还伴有超声波、气体生成物、光、热。依据局部放电时伴随产生的这些物理现象，可以将检测手段分为电测量法和非电测量法。

电力开关柜绝缘状态检测与故障诊断按照检测状态分为离线检测和带电检测。离线检测具有背景干扰小的优点，但由于需要停电检修，成本高，耗时长，逐渐被带电检测取代。带电检测又可以细分为定期检测和在线监测两种。定期依靠仪器在电力设备运行中对巡检时刻的运行状态进行检测，用于发现设备运行中潜在的故障问题。在线监测一般是将监测设备的传感器长期置于被检测的设备内部或者外表面对设备的运行状态进行实时监测。定期检测和在线监测都具有被测设备不停电、检测工况与运行工况完全一致的优点。在线监测凭借其实时监测和分析开关柜目前绝缘状态的能力，包括识别故障早期征兆的预测能力，对已经发生的扰动做出响应能力，准确度更高，成为当下状态检测与故障诊断的发展趋势。

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