高压开关柜主要缺陷及原因分析

　　1 前言

　　本文主要对近年某省发现的开关柜局放缺陷进行分析, 得出开关柜主要绝缘故障缺陷的种类及其产生的原因, 并对不同种类缺陷的有效局放带电检测技术进行分析。

　　2 开关柜局部放电检测技术

　　高压开关柜中由于设计、制造、安装和运行维护等方面仍存在着不同程度的问题, 导致开关柜在运行时可能出现局部放电, 例如绝缘爬距及空气间隙不够, 紧固螺栓松动或锈蚀, 互感器内部气隙或裂纹、支持瓷柱质量差等, 此外污秽和潮湿也可能引起开关柜内部绝缘子、套管及母线沿面放电。

　　开关柜局部放电产生的电磁波在开关柜外表面感应出暂态地电压信号, 利用电容耦合传感器能够检测测出局放的幅值及脉冲数量。暂态地电压其主要特征为频带范围为3～100MHz, 电磁波沿开关柜表面传播, 不同制造厂家同类型的开关柜会有相同的衰减路径。由于开关柜结构封闭, 局放在柜内及各柜间的传播规律不明, 现场许多情况下暂态地电压检测结果不能判断放电信号的具体来源。

　　电气设备内部产生局部放电的过程中, 会伴随产生声发射现象, 即在局部放电发生的区域由于脉冲电流的作用瞬间受热膨胀, 形成一个近似爆破的效果, 当局放结束后表面膨胀效果消失。由于放电区域体积变化引起的介质疏密变化形成超声波, 波形特征上表现为一连串的脉冲形式。超声波以球面波的形式从局部放电点向四周传播, 针对开关柜内部产生的局部放电, 超声波在传播过程中会遇到不同的介质, 从而在柜体内部经过一系列的折反射, 最后通过柜体缝隙传播出来。针对开关柜内的局部放电超声信号可以利用非接触式超声传感器沿柜体缝隙处进行检测, 通过检测到的信号周期最大值、有效值、频率成分、信号波形等特征, 同时结合聆听耳机中超声信号的声音特征对放电信号进行综合检测判断。

　　通过特高频传感器对开关柜中局放时产生的特高频信号 (300MHz～1.5GHz) 进行检测, 获得局放信号的幅值、相位等信息。特高频信号只能从高压柜缝隙、观察窗、散热孔等非金属连续部位传出。特高频检测法由于其抗干扰能力强、PRPD/PRPS波形特征明显等特征可识别缺陷类型, 在开关柜局放带电检测中得到了广泛的应用。

　　3 开关柜内主要缺陷

　　金属铠装式开关柜由于其占地空间小、安装简单及节约用地等优点, 逐步取代了传统的敞开式开关设备。但由于开关柜内空间小, 结构紧凑, 绝缘余度低, 绝缘放电事故频繁, 严重影响到电网的安全稳定运行。开关柜内主要缺陷主要分为以下几类。

　　3.1 电缆局放问题

　　常见为电缆外绝缘放电、电缆相间放电、电缆与穿芯CT之间的放电, 如图1、图2、图3所示。

　　电缆出现放电多由于受到过往施工过程中不规范的工艺处理, 如出线电缆接入时, 电缆外套未采取保护措施, 导至靠近电缆头处外部应力管划伤, 毛刺破坏电场分布, 电缆在安装过程中随意拉拽磕碰, 造成电缆头的护套多处破损, 甚至已经造成主绝缘的损伤;电缆应力管紧贴绝缘隔板, 绝缘距离不够产生的局部放电现象, 设备产品质量不过关以及潮湿的环境等因素影响。相间放电主要由于施工过程中电缆相见搭接在一起, 长时间运行, 搭接处存在气隙, 出现绝缘气隙放电。该类信号出现主要以超声波及特高频信号为主。

　　3.2 安装、制作工艺问题

　　常见的有以下几种:静触头盒内母线尖端对触头盒内壁放电, 触头盒内部存在明显的放电痕迹。如图4所示。该类缺陷主要由于母排尖端对触头合绝缘层放电, 或母排在热缩管太长, 热缩管对绝缘层放电导致, 该类缺陷主要以超声信号为主。

　　开关柜静触头盒绝缘放电缺陷, 上部静触头盒处存在明显放电痕迹, 静触头盒表面产生大量黑色粉末, 放电产生的热量使触头盒内壁炸裂, 存在炸裂孔, 如图5所示。该类缺陷的主要原因为绝缘件产品没有屏蔽设计, 而且原材料抗老化、防污秽能力低, 局部放电量偏大, 易引起相间或对地放电, 长时间的放电极易导致绝缘材料电老化, 而绝缘性能的下降是一个不可逆的过程, 所以最终可能引发绝缘故障甚至事故, 该类缺陷以超声波信号为主。

　　开关柜穿柜套管绝缘放电缺陷, 母线对穿柜套管内壁放电, 母线及套管内壁均有放电痕迹, 在母线及套管内壁放电产生大量的黑色粉末, 或套管相间放电, 如图6、图7所示。此类缺陷主要原因为套管内壁与母线间未安装等电位线;电流互感器的等电位连接线与内壁的连接为简单的粘贴, 运行过程中粘结剂粉化逐渐松脱, 产生悬浮电位放电现象;穿心电流互感器内壁涂刷的绝缘油漆不平整, 有明显破损和毛刺, 在交变电压下产生悬浮电位放电;套管选型不当, 套管内腔直径小, 母排与内壁紧贴或形成一个小气隙, 高压母排击穿空气对绝缘件内壁放电以及套管两相距离过短产生的相间放电, 此类放电缺陷以超声及特高频信号为主。该类缺陷主要因为开关柜内部设计不合理导致, 主要为电缆、互感器与绝缘档板的放电现象, 如图8、图9所示。

　　3.3 设计缺陷

　　此类缺陷主要由于空气湿润, 且开关柜内电缆或互感器与绝缘档板的最小距离远小于DL/T404-2007规定的6cm, 绝缘板与母排距离过小, 在绝缘板结露受潮的情况下导致高压部件对绝缘板放电;这种结构设计不合理;空气距离很小, 形成小缝隙, 给局部放电形成了物理条件, 伞群周围的空气承受的电场应力较大, 特别是当空气湿度和环境污秽较大的情况下, 空气容易被电离而产生放电。此类缺陷以超声及特高频信号为主。

　　3.4 运行环境影响

　　开关柜运行环境潮湿, 柜内有凝露, 框架及导电件锈蚀导致的放电现象, 如图10、图11、图12所示。该类缺陷主要由于开关柜上部没有带通风孔的泄压盖板, 使得散热、散潮性较差, 在空气湿润、昼夜温差大的情况下使得开关柜内容易结露受潮;或是母线桥架进出口有缝隙, 雨水及潮湿气体易进入桥架及开关柜内或开关柜电缆室底板封堵不严, 电缆沟内的潮湿气体易进入柜内等潮湿原因导致。潮湿及污秽会加速绝缘件老化, 电气绝缘性能下降, 严重时会引起闪烙, 此类缺陷检测以超声信号为主。

　　3.5 绝缘内部缺陷

　　绝缘内部缺陷, 如穿芯CT内部绝缘损伤、避雷器内部缝隙等, 如图13所示。绝缘内部放电主要由于生产、制造、装配质量不合格原因导致, 该类缺陷以特高频信号、暂态地电压信号为主, 超声检测技术很难发现内部绝缘缺陷故障。