局部放电检测在开关柜中的应用
万华化学（宁波）有限公司、上海毅榕电力技术服务有限公司的研究人员于洪乾、闫祥申等，在2015年第6期《电气技术》杂志上撰文，开关柜是配电网系统中的重要设备，在工厂供电系统中存有大量的开关柜。为提高开关柜的运行可靠性，迫切需要对电力设备运行状态进行评估，及时反映运行设备的问题，以便采取预防措施避免突发停电事故的发生。通过此我们可以将检修工作的重点从“定期检修”转移到“状态检修”。
据统计，电气设备所发生的绝缘事故大多与局部放电有关，而通过对设备进行在线局部放电检测是运行设备绝缘状态检测的有效方法。利用在线局部放电检测技术对开关柜进行绝缘检测可以及早发现开关柜内绝缘故障，及时对故障点进行维护处理，因而可以大大提高工厂配电系统的供电可靠性。供配电系统的安全运行对工业企业来说至关重要，特别是大型石化企业对供电的可靠性、连续性和安全性要求更高。工厂配电网络中的设备运行可靠性直接关系到整个工厂生产能否安全稳定，进而直接影响到企业的经济效益。
随着经济的快速发展，科技水平的不断进步，工厂对供电的需求和可靠性要求也越来越高。开关柜在工厂配电网络中广泛应用，其安全运行对供电可靠性起举足轻重的作用。因此及时发现开关柜早期绝缘缺陷，保证供电安全可靠性对整个工厂的安全高效生产和效益增长都有着十分重要的意义。
1 国内外开关柜运行维护
为保证6kV及以上高压开关柜的安全运行，减少停电事故给生产和生活带来的影响，迫切需要对电力设备运行状态进行评估，及时反映电力设备的问题，以便采取预防措施，避免突发停电事故的发生。
目前高压开关柜故障比例相对较高，现阶段国内主要是按照《电力设备预防性试验规程》的要求对配网中的开关设备按照一定的时间周期进行预防性试验。预防性试验项目主要包含绝缘电阻试验、交流耐压试验等。预防性试验基本以停电试验为主。结合石化企业现状停电试验只能安排在例行工厂大修期间开展。依据规程预防性试验周期基本在1-3年，但工厂大修检修时间安排受市场、行业形势等影响存在不确定性。这样势必会导致高压开关柜不能严格依据规程开展试验工作。
目前国内高压开关设备带电测试、在线检测开展力度不够。即使部分已经开展的企业目前存在检测周期过长、频次过少等情况，尚未建立趋势分析。预防性试验一方面需要停电增加直接和间接的经济损失，另一方面由于试验条件和运行条件不一致导致不能发现潜在的故障。因此不管是从经济角度还是从技术角度来讲都存在一定的局限性。
国外对高压开关柜进行状态检测以带电测试、在线监测和远方监控为主。正常试验项目与周期为：超声波检测、局部放电检测、红外检测，周期为3-6个月。只有在需要进行设备缺陷、故障的综合诊断时才结合开关检修机会进行停电试验。国外因其带电测试开展广泛、检测周期较短，所以能够适时发现许多潜伏的缺陷。带电检测的广泛开展同时为企业节省了大量的人力、物力，更为关键的是设备安全稳定运行有了重要保障。
2 开关柜在线局部放电检测
2.1 局部放电
局部放电是由于电气设备绝缘内部存在的弱点，在一定外施电压作用下在电气设备中形成场强后发生的局部的和重复的击穿和熄灭现象。因其在放电区域内未形成固定放电通道，所以它是一种非贯穿性的放电（如图1所示）。
图1 局部放电
随着绝缘内部局部放电的发生，将伴随着如光、热、噪音、电脉冲、介质损耗的增大和电磁波放射等现象的发生（如图2所示）。这种放电可能出现在固体绝缘的空穴中，也可能在液体绝缘的气泡中，或不同介电特性的绝缘层间，或金属表面的边缘尖角部位。所以根据放电类型，大致可分为绝缘材料内部放电、表面放电及电晕放电。当绝缘发生局部放电时绝缘会加速老化并直接导致绝缘寿命下降。
图2 绝缘内部局部放电
2.2 开关柜局部放电检测
1）电磁波技术
当电气设备发生内部放电、表面放电和电晕放电时，伴随着局部放电现象同时会产生高频的电磁波信号并从局部放电源向四周扩散。在局部放电的电气设备周围使用电磁波（EM）传感器便可检测到由局部放电产生的电磁波信号。通过后期数据处理、分析及消噪等措施便可判断出电气设备内部是否存在局部放电现象以及局部放电的类型和局部放电严重等级。
2）超声波技术
电气设备在放电过程中会产生声波。声能与放电释放的能量之间是成比例的。根据放电释放的能量与声能之间的关系，用超声波信号声压的变化代表局部放电所释放能量的变化，通过测量超声波信号的声压，便可推测出放电的强弱，这就是超声波信号检测局部放电的基本原理。
其实无论哪种检测技术均存在一定的局限性，无法将开关柜的运行状态客观、全面、真实的反映出来，同时还会出现误判的可能。由于放电类型、能量的释放形式不同两种检测方法的实用性与灵敏度也存在差异，所以在对开关柜局部放电检测过程中，要将两种检测手段综合应用，采用电-声联合检测法（即以电磁波检测为主、超声波检测为辅）来开展局部放电检测工作。
3 应用实例
下述实例中采用PD-PAC型局部放电检测装置以及电磁波（EM）检测技术手段对高压开关柜实施在线局部放电检测。
3.1 实例一
某汽车制造厂在年度检测服务中，起初在其1#主变进线电缆接地处检测到微弱的局部放电信号，后经确定排查该线路的所有设备，最终确认局部放电信号来自1#主变上游H1开关柜，在该开关柜外壳处检测到明显的电磁波信号。波形分析图谱如图3所示。
图3 H1开关柜波形分析图谱
经与现场运行人员了解该开关柜内部在该段时间存在异常振动声音，且在阴雨天气振动更为明显。结合检测到的数据波形分布特征和设备的实际使用情况，分析判断该开关柜内可能存在松动部件或金属连接间隙的现象。由于暂不能停运该线路，对该开关进行后续跟踪发现信号逐渐增大。为防止突发事故发生，在两个月后对该开关停机检修时发现该开关柜内一个穿墙套管存在异常（如图4）。诊断分析为该穿墙套管由于生产工艺落后，其上面弹簧在长时间运行下松动，引起该部位发生局部放电。
3.2 实例二
某知名大型化工企业10kV开关柜301-134柜在2014年6月16日检测中结合图谱数据波形分布特征、单位周波内产生脉冲数（24个）及局部放电量（24mV)综合分析判断该开关柜内部存在电晕放电信号，其波形分析图谱如图5所示。根据放电类型判断，该电晕放电信号可能是由于开关柜内部存在尖端或者裸露电极引起。
图5 301-134柜上部波形分析图谱
2014年6月24日运行人员在301变电所10KV配电室进行例行巡检，当途经134柜前时听到开关柜内存在“嗡嗡”异响声。打开高压柜仪表室检查时发现端子排处电流互感器二次保护电流连接端子划片脱落，造成电流互感器二次侧开路（如图6）。
电流互感器运行时二次侧不允许开路，开路运行会伴随着嗡嗡的放电声，长时间会烧毁电流互感器。二次开路侧电压会升至几千伏不等。得知该情况后运行人员立即上报，并采取安全措施将电流连接端子重新连接上，避免了后续事故的发生。经后期调查发现该柜自2013年12月施工方继电保护试验交付后未有其他检修工作，判断为继电保护试验工作结束后连接端子未及时恢复，送电检查时也未及时发现并消除该隐患。
图6 CT开路实物图片
2014年9月17日对301-134开关柜进行复检并进行数据分析，发现该柜的局部放电信号已经消失。检测结果与实际情况吻合，开关柜内的局部放电是由于电流互感器二次保护用电流连接端子脱落，电流互感器二次侧开路产生裸露电极引起的电晕放电。
通过上述两个案例介绍可见局部放电检测可以及时发现开关柜内潜在故障与起始故障，为开关柜预防性维护提供技术支撑，有效防止开关柜突发性绝缘事故的发生。
4 结论
开关柜在配电网中使用范围广且数量较大，因开关柜自身引起的故障也很多。通过开关柜在线局部放电检测手段可以实现开关柜故障早发现、早处理，防止恶性事故发生，同时可以有效减少企业非计划停产损失。
通过对开关柜等电气设备的状态检测、故障诊断、趋势预测等手段对电气设备的绝缘状况进行分析和评估，从而实现：
1）绝缘损坏可以被早期发现、及时干预，以防止破坏性放电导致绝缘劣化加剧；
2）可以减少定期检查时间；
3）设备的清扫周期可按照实际污染程度安排；
4）在安全监控下设备的整体运行时间得到延长；
5）可以避免非计划停机、停产和其他较大设备财产损失。
在线局部放电检测，作为状态检测众多手段中的一种，用作工业配网中电力设备故障预警，设备运行状态评估被证明是行之有效的检测手段。
通过工厂运行人员的日常巡检与大修预防性试验，辅助一定周期性的专业检测服务和趋势分析，采用多种手段相结合，才能真正实现设备的可靠性维护，保障设备安全稳定运行，进而达到为企业创造经济效益的最终目的。