浅谈开关柜绝缘状态检测与故障诊断

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安全可靠性提出了新的挑战。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。

   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。极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。定期检测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。

2局部放电检测技术

   局部放电检测法的依据是局部放电所产生的各种物理现象，并通过测量各种现象所产生的物理量来表征局部放电的强弱。开关柜绝缘状态检测的方法主要有频(UHF)检测法，暂态地电压(TEV)检测法、超声波(AE)检测法、红外检测法、化学检测法。其中频(UHF)检测法，暂态地电压(TEV)检测法、超声波(AE)检测法主要用于开关柜内局部放电检测。

2．1频(UHF)检测法

   频(UHF)检测法是指对频率介于500~1500MHz区间的局部放电电磁波信号进行采集、分析、判断的一种检测方法[5]。通过UHF传感器(也称为耦合器)接收辐射的频电磁波，传感器可以将电磁波信号转化成电压信号，从而实现局部放电的检测。UHF传感器分为内置传感器和外置传感器两种。频检测法具有检测信号频率高、外界干扰信号少等特点，可以地提高电气设备局部放电检测能力，特别是随着在线监测的发展，频凭借着良好的抗干扰能力、可靠性和灵敏度有着较高的应用价值。频检测法局部放电检测如图3所示。各国的研究均表明，频法用于高压开关柜局部放电在线监测有很好的前景。

2．2超声波(AE)检测法

   超声波与声波相同，是物体机械振动的传播形式。局部放电是一种快速的电荷释放或迁移的过程，发生局部放电时，局部的电场应力、机械应力与粒子力失去平衡而产生振动，从而产生超声信号。局部放电常伴随着频率20kHz的超声波，超声波信号通过不同介质并向四周传播。超声传感器安装在柜内，主要受环境噪声和振动信号的影响。超声传感器安装在开关柜柜体外层噪声较小，然而超声波跨越金属传播时衰减很大，因此超声信号主要通过开关柜外壳缝隙传出，超声传感器安装在开关柜缝隙处检测效果好。超声波传感器利用压电晶体作为声电转化元件将超声信号转换为电信号，并经过进一步放大及信号处理后传输到采集系统进行分析，以达到检测局部放电的目的。天津某电力设备公司研发生产的一种典型外置非接触式超声传感器如图4所示，其采用自吸附式设计，可以方便地安装于开关柜外壳缝隙处，不影响原开关柜运行和结构，中心频率为40kHz，已广泛应用于电力开关柜的局部放电在线监测系统中。

2．3地电波(TEV)检测法

   地电波(TransientEarthVoltage，TEV)理论由Dr．JohnReeves在1974年提出。TEV检测法作为一种经典的开关柜局部放电检测方法，得到了发展和关注。根据麦克斯韦理论，电磁波在空间传播时遇到导体，会使导体产生感应电流，且感应电流与激起其电磁波的频率相同。由局部放电脉冲产生的电磁波通常是几千赫兹到几十兆赫兹，因此开关柜柜体内部电磁波传输到开关柜柜体内表面并在靠近放电点的金属表面会感应出短的脉冲电流。受到“集肤效应”的影响，此脉冲电流在金属屏蔽内表面传播，如果金属外壳对内是连续屏蔽的，则无法在外部检测到局部放电信号，但是实际上开关柜的金属外壳在绝缘衬垫、箱体连接处、终端等部位会存在不连续的缝隙，高频脉冲电流信号可通过这些缝隙传输到开关柜柜体外层，产生一个暂态电压，此电压信号称为暂态对地电压(TEV)，在开关柜外表面通过的耦合电容传感器即可测得此信号，并且通过此信号判断开关柜内是否存在局部放电以及放电的强弱。超声法和TEV法检测原理如图5所示。

   考虑到开关柜的结构和安装现场环境的影响，以及测试人员的现场试验，发现电力开关柜绝缘状态局部放电检测采用声电联合检测的方法更能反映运行状态。英国仪安科技(EATechnology)公司的局部放电检测技术和产品应用于40多个国家的电力公司和电力企业，率先发明了TEV开关柜局放检测技术，生产研发的多功能手持式局部放电检测仪UltraTEVPlus+(UTP1)是局部放电日常巡检的手持式定量工具。

   在中国，相关研究虽然起步较晚，但是仍然取得了较大的进步，目前也有同类局部放电检测产品问世，如天津学子电力设备科技有限公司的PEV-100，是一种基于超声法和TEV法的手持式局部放电带电检测设备，内置非接触式超声传感器和TEV传感器来检测开关柜内的绝缘状态，可数值显示局放的幅值、频率、严重性指数等参数，具有故障预警功能和数据储存功能。PEV-100经济性、实用性、准确度和诊断能力有显著提高，手持式局部放电检测设备PEV-100如图6所示。

   图9中，服务器采集系统中可实现数据自动处理及分析，包括在线监测实时数据绘制局部放电图谱、全部设备在线监测横向数据趋势对比、单台设备在线监测趋势分析以及历史数据查询功能。由于局部放电信号的检测受到多种因素影响而呈现不确定性，因此系统借助多个传感器回传数据进行比较，并将试验数据绘制成不同图谱进行分析，对超过警戒值的异常点生成预警信息。后台服务器中可以查询所有历史数据，为日后故障诊断和老化评估提供大量的数据支撑。在线监测可有效解决通道数量受限、远程操作困难、响应慢、工作量大、经济性差等问题，大幅提高开关柜监测系统的分析和诊断能力。

4绝缘监测及绝缘故障定位产品

4.1绝缘监测及绝缘故障定位产品

AIM-T系列工业用绝缘监测仪

           AIM-T系列绝缘监测仪主要应用在工业场所IT配电系统中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款产品，均适用于纯交流、纯直流以及交直流混合的系统。

   其中AIM-T300适用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系统，AIM-T500适用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了绝缘故障定位功能。

4.2绝缘故障定位产品

   工业用绝缘故障定位产品配合AIM-T500L绝缘监测仪使用，主要包括ASG200测试信号发生器，AIL200-12绝缘故障定位仪，AKH-0.66L系列电流互感器，适用于出线回路较多的IT配电系统。

4.3绝缘监测耦合仪

   绝缘监测耦合仪配合AIM-T500绝缘监测仪使用，主要包括ACPD100，ACPD200，适用于交流电压690V，直流电压800V的IT配电系统。

5技术参数

5.1绝缘监测仪技术参数

5.2测试信号发生器技术参数

5.3绝缘故障定位仪技术参数

5.4 AKH-0.66L系列电流互感器技术参数

6结语

          (1)电力开关柜作为电力系统中非常重要的配电设备，其运行的可靠性对整个电力系统有着重要意义。开关柜的多数故障都是绝缘性故障，绝缘故障潜伏期会产生局部放电现象，由放电类型和放电成因可得到不同的检测方法。

          (2)通过分析各检测方法的检测原理和优缺点以及各方法在实际中的应用，发现声电联合检测为好的检测方法，并对两款基于声电联合检测法的带电检测设备进行测试对比，测试表明与传统的手持设备相比，PEV-100手持式局部放电带电检测设备经济性、实用性、准确度和诊断能力有显著提高。

          (3)在线监测技术将成为电力开关柜绝缘状态检测与故障诊断的发展方向。打造物联网大环境下的在线监测系统，达到物与物、物与人的智能处理和双向互动的开关柜检测系统，为全行业的发展创造更大的机遇，对实现电力开关柜智能检测的远程操作、快速响应、安全监控、数据分析和诊断评估具有非常重要的应用价值和前景。

参考文献

[1]聂一雄，徐卫东，周文文，等．12kV固体绝缘开关柜中绝缘气隙缺陷的放电特征［J］．电工技术学报，2018，33(12):2894-2902．

[2]韩涛．基于TEV的开关柜局部放电检测及模式识别方法研究［D］．天津:天津大学，2012．

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.8版

[4]安科瑞IT系统绝缘监测故障定位装置及监控系统（中英文）2022.8版