开关柜绝缘状态检测与故障诊断

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

马婷婷(1992—), 女，硕士研究生，研

究方向为开关柜局 部放电检测设备的 设计及工艺。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；在线监测中图分类号：TM591文献标志码：A 文章编号：2095-8188(2019)1X)71-06DOI： 10. 16628/j.cnki. 2095-8188.2019.15.011Insulation Condition Detection and Fault Diagnosis of Power SwitchgearMA Tingting1 , DU Boshu2, KONG Xiaoxiao1 , HAN Taox(1. College of Electrical Automation and Information Engineering,Tianjin University, Tianjin 300072, China ；

2. Tianjin Xuezi Electrical Equipment Technology Co. ,Ltd. , Tianjin 300480, China)Abstract: As the key equipment of power system, power switchgear is widely used in power transmission and distribution network. The insulation condition detection and fault diagnosis of switchgear are important technical

means for timely maintenance, replacement and prevention of insulation fault. The results show that the operation

failure caused by insulation problem is one of the main causes of switchgear accidents. The best detection method was proposed by analyzing the principle, advantages and disadvantages of each detection method and its application in practice. Under the existing Internet of Things environment in China, this paper pointed out the development direction of insulation condition detection and fault diagnosis of power switchgear.Key words: switchgear ； insulation testing ； partial discharge ； fault diagnosis ； on-line monitoring0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

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

(Partial Discharge, 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

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

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⑵。挑战⑴。目前，电力设备局部放电检测是开关柜绝缘

杜伯书(1973-)，男，研究员，主要从事局部放电检测技术研究与工程管理工作。 孔晓晓(1993-)，男，博士研究生，研究方向为局部放电检测设备的硬件研发。*基金项目：高压直流电缆附件绝缘老化与破坏机理及抑制方法研究(2016BZ-0004)—71 —电器与能效管理技术(2019NO. 15)• 60周年庆电彖技术特刊•综述.状态评估的重要手段,其为保障开关柜安全稳定 运行发挥了关键的作用，并得到了电网公司的推

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27】。不同类型放电示意图如图1所

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:超高频(UHF)局放检测,暂态 地电压(TEV)局放检测,超声波(AE)局放检测及 以上技术的联合检测⑶。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

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⑻。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

(b)电晕放电技术进行了讨论，最后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

(d)悬浮放电图1不同类型放电示意图2o CQP1o3

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［214-51o开关柜在运行

m2op 31o

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⑷。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

O

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

)180 270 ¢/(°)(a)内部放电360 090

1800/(° )(b)电晕放电O

3 6()4020HP 3

0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⑷。环境因素如灰尘污染、

090

180 270

0/(°)36090

180 270 0/(°)360(c)沿面放电(d)悬浮放电空气湿度大也会造成绝缘介质的化学老化，最终 造成开关柜故障。因此电应力、机械应力、热老化

图2不同类型的局部放电相位分析(PRPD)谱图和化学老化的共同作用是引发绝缘材料劣化，最 终发展成为绝缘故障的根本原因。开关柜绝缘状

局部放电最直接和最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

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

在非带电体上产生高频电流⑶。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

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

磁波。极短时间内的放电脉冲会产生较髙频率的 电磁波，并向外辐射⑵。基于上述两个原理可

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

知，局部放电的发生必然会伴随电流和电磁波的

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

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⑴。依据局部放电时伴随产生

—72 —.综述.® 60周年庆电段技术特刊电器与能效管理技术（2019NO. 15）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。 相位/(°)(a) PRPD谱图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 2 备不停电、检测工况与运行工况完全一致的优点O 2 在线监测凭借其实时监测和分析开关柜目前绝缘

1

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 O

为当下状态检测与故障诊断的发展趋势⑶o2局部放电检测技术（b） PRPS谱图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

图3超高频检测法局部放电检测理量来表征局部放电的强弱。开关柜绝缘状态检 2.2超声波（AE）检测法测的方法主要有超高频（UHF）检测法，暂态地电 超声波与声波相同，是物体机械振动的传播 压（TEV）检测法、超声波（AE）检测法、红外检测

形式。局部放电是一种快速的电荷释放或迁移的

法、化学检测法⑺9】。其中超高频（UHF）检测法, 过程，发生局部放电时，局部的电场应力、机械应 暂态地电压（TEV）检测法、超声波（AE）检测法主 力与粒子力失去平衡而产生振动,从而产生超声 要用于开关柜内局部放电检测。信号⑶。局部放电常伴随着频率高于20 kHz的

2.1超高频（UHF）检测法超声波，超声波信号通过不同介质并向四周传播。 超高频（UHF）检测法是指对频率介于500 ~

超声传感器安装在柜内，主要受环境噪声和振动 1 500 MHz区间的局部放电电磁波信号进行采 信号的影响。超声传感器安装在开关柜柜体外层

集、分析、判断的一种检测方法⑸。通过UHF传

噪声较小，然而超声波跨越金属传播时衰减很大,

感器（也称为耦合器）接收辐射的超高频电磁波, 因此超声信号主要通过开关柜外壳缝隙传出，超

传感器可以将电磁波信号转化成电压信号，从而 声传感器安装在开关柜缝隙处检测效果最佳。超 实现局部放电的检测。UHF传感器分为内置传

声波传感器利用压电晶体作为声电转化元件将超

感器和外置传感器两种。超高频检测法具有检测 声信号转换为电信号，并经过进一步放大及信号 信号频率高、外界干扰信号少等特点，可以极大地

处理后传输到采集系统进行分析，以达到检测局

提高电气设备局部放电检测能力，特别是随着在 部放电的目的[5'7-9]o天津某电力设备公司研发

线监测的发展，超髙频凭借着良好的抗干扰能力、 生产的一种典型外置非接触式超声传感器如 可靠性和灵敏度有着较高的应用价值⑼。超高 图4所示,其采用自吸附式设计，可以方便地安装

频检测法局部放电检测如图3所示。各国的研究

于开关柜外壳缝隙处，不影响原开关柜运行和结

均表明，超高频法用于高压开关柜局部放电在线 构，中心频率为40 kHz,已广泛应用于电力开关 监测有很好的前景。柜的局部放电在线监测系统中。—73 —电器与能效管理技术(2019NO. 15)令60周年庆电棗技术特刊.综述.图4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2.3地电波(TEV)检测法地电波(Transient Earth Voltage,TEV)理论由

Dr. John Reeves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,得到了极大

的发展和关注。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极短的脉 冲电流曲肉。受到“集肤效应”的影响，此脉冲电

流首先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专用的耦合 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。图5超声法和TEV法检测原理—74 —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(EA

Technology)公司的局部放电检测技术和产品应

用于全球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Ultra TEV Plus +

(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6手持式局部放电检测设备PEV-1002.4其他检测方法过热故障的检测以红外测温最为成熟。电气 设备在发生局部放电时伴随着发热，红外检测法

通过红外线测量仪器对这些电热能量进行转换以 检测局部放电区域的温度变化，进而实现局部放

电信号检测的目的3⑵。此外还有紫外吸收光

谱技术检测开关柜内部的臭氧气体含量,并以此 判断其内部绝缘被氧化程度⑼。环境的湿度对

开关柜的绝缘性能有着较大影响，因此也作为一 种预防局部放电的检测参数⑹。化学检测法是

利用电气设备绝缘发生局部放电时，设备的绝缘

材料会发生分解破坏，产生部分新的生成物,通过

•综述.• 60周年庆电翠技术特刊电器与能效管理技术（2019No. 15）对这些生成物的成分和浓度进行检测就可以评估 绝缘状态⑼。化学检测法只能定性地对局部放

电进行检测,对发展缓慢的早期潜伏性电气设备 故障灵敏度较低。以上几种检测方法重点用于运

行环境参数的检测，是一种评估电力开关柜绝缘 状态的辅助手段。3现存问题和未来发展展望3.1在线监测技术在开关柜中的推广电力开关柜智能在线监测系统大部分由采集

端、通信网络和监控中心三大部分构成，是以保障 电网设备安全运行、远程控制、实时采集数据和分

析数据为目标的监控系统。一方面在线监测是改

善设备维护维修不及时的重要手段，为开关柜运 行故障提前预警果断动作提供有力支撑,也是电 网设备安全可靠运行的前提;另一方面收集传感

图8离线式后台上位机界面器采集到的数据，充分利用大数据实时评估开关 柜的运行状态、提高故障分析能力、主动预警，辅 助诊断、跟踪故障并给出用户建议是实现电力开

关柜管理信息化和智能化的核心竞争力W] O典型的在线监测设备如图7所示，其系统主 要由监测主机、传输中继和后台服务器三部分构

成。这种新型电力开关柜在线监测设备通过在开 关柜金属箱体外侧合理布置的传感器获得开关柜 实时局部放电信号,将信号在检测主机内处理后

依托传输中继运用传输技术实现信号传输到后台 服务器。传输技术分为有线（如线缆、光纤等）和

图9互联网下的后台服务器主页界面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

无线（ZigBee、蓝牙、WiFi等）两种。离线式后台 上位机界面如图8所示，应用于不方便连接 的地方。互联网下的后台服务器主页界面如图9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。3.2物联网在开关柜状态检测中的应用前景图7典型的在线监测设备随着国家电网公司泛在电力物联网的提出，

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

物联网在智能电网中的应用成为热点话题。我国 经济和科技实力不断增强,各种新型传感器层出

电图谱、全部设备在线监测横向数据趋势对比、单不穷,通信技术难关不断攻克,以及大数据与云计

—75 —电器与能效管理技术(2019NO. 15)♦ 60周年庆电眾技术特刊.综述.算的蓬勃发展，在技术上已具备打造物联网大环 境下的在线监测系统。物联网在在线监测系统中的应用如图10所

示。在电力开关柜检测系统中提高传感器感知能 力和多种传感器联合检测是改善局部放电检测系

统漏判误判的前提。电力开关柜智能在线监测系

统利用传感器获取实时数据，通过手机、平板电 脑、办公电脑等设备和无线通信技术实现运行维 护人员和在线监测设备的互联，从而达到对电力 开关柜运行状态进行检测的目的，对提高电力开

关柜监测效率以及设备的安全运行具有现实意

义。实现物与物、物与人的智能处理和双向互动 能力，使多种开关柜状态检测传感器接入网络，最 终形成一个以电网网络为依托，连接用户和开关 柜检测设备的庞大物联网网络。:LPWANC域网图10物联网在在线监测系统中的应用4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

测为最佳检测方法,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

—76 —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• 12 kV固体绝缘开关

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(5):1-7.收稿日期：2019-07-10