基于超聲波法的多通道開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)局放故障定位系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

甘露,郭小凱,關(guān)勁濤,董春雷

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000； 2.廣州科嵐泰電力科技有限公司,廣東 廣州 510000)

基于超聲波法的多通道開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)局放故障定位系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

甘露1,郭小凱1,關(guān)勁濤2,董春雷2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000； 2.廣州科嵐泰電力科技有限公司,廣東 廣州 510000)

本文主要介紹多通道超聲波法的開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)局放故障定位系統(tǒng)的檢測(cè)原理及在GIS組合開關(guān)設(shè)備耐壓試驗(yàn)中的應(yīng)用。

開關(guān)設(shè)備；耐壓；局部放電；超聲

1 引言

GIS設(shè)備在制造和裝配過程中其內(nèi)部仍有可能會(huì)留下各種微小缺陷，如：固定突起、盆式絕緣子上粘附金屬粉末等，且在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中很難被發(fā)現(xiàn),一旦投運(yùn)即可發(fā)展成危險(xiǎn)的放電通道并引起放電擊穿，擊穿瞬間完成，為查找故障氣室，傳統(tǒng)方法常采用多次變換GIS接線方式并在該接線方式下進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的方法，該做法工作量大，且對(duì)其他無故障氣室的絕緣系統(tǒng)也極為不利，甚至?xí)斐蓚Γ曳烹婞c(diǎn)的定位仍舊依靠人工現(xiàn)場(chǎng)的聽力判斷，對(duì)人員現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)要求高、誤差大、耗時(shí)長，往往還要重復(fù)加壓查找故障點(diǎn)，這樣又導(dǎo)致工期延誤，又給設(shè)備帶來了其他隱患?；诔暡ǘ嗤ǖ赖拈_關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)局放故障定位系統(tǒng)通過多個(gè)超聲通道，布置在高壓開關(guān)設(shè)備上，能夠有效獲取GIS交流耐壓試驗(yàn)放電故障信號(hào)，并能準(zhǔn)確定位放電氣室。對(duì)正確評(píng)估GIS設(shè)備的絕緣狀態(tài)，確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行有著十分重要的意義。

2 系統(tǒng)組成

開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)局放故障定位系統(tǒng)由超聲傳感器、特高頻傳感器、信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)處理服務(wù)器等部件組成。系統(tǒng)采用超聲檢測(cè)方法測(cè)試GIS內(nèi)部的放電故障信號(hào)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶檢測(cè)方便，各部件之間采用無線通信，免去電源接線的麻煩，工作效率高，同時(shí)具有較高的靈敏度和信噪比，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)GIS設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)進(jìn)行有效的故障定位。

開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)放電故障定位系統(tǒng)用于開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)，通過網(wǎng)絡(luò)通信采集耐壓試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)是否有絕緣擊穿放電出現(xiàn)，并為放電故障定位提供診斷。整套系統(tǒng)多個(gè)信號(hào)調(diào)理器及采集通道，需要滿足和實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道之間數(shù)據(jù)采樣的一致性。調(diào)理器通過無線信號(hào)進(jìn)行同步，使得多個(gè)信號(hào)調(diào)理器之間可以同時(shí)觸發(fā)采樣過程，保證多傳感器通道數(shù)據(jù)采集通道的同步性，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)放電故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 檢測(cè)原理

當(dāng)電力設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時(shí)，會(huì)伴隨著爆裂狀的聲發(fā)射，同時(shí)產(chǎn)生電磁信號(hào)及超聲信號(hào)，且很快向四周介質(zhì)傳播，通過安裝在設(shè)備外壁上的特高頻傳感器和超聲波傳感器，就能對(duì)設(shè)備內(nèi)的局部放電水平進(jìn)行測(cè)量及定位。對(duì)于電力設(shè)備耐壓下產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象可以理解為更強(qiáng)的放電現(xiàn)象，瞬時(shí)所釋放的能量更強(qiáng)，但這種現(xiàn)象并不像局放一樣持續(xù)存在，而是在擊穿的瞬間該現(xiàn)象也隨之消失。但兩種現(xiàn)象定位的基本原理是相通的，主要的定位方法如下所述：

3.1 聲聲時(shí)差定位法

超聲波在傳播過程中，對(duì)于不同位置的傳感器而言，接收到放電源產(chǎn)生的超聲信號(hào)的先后時(shí)間是不一樣的，距離放電源越近的傳感器將越先接受到信號(hào)。對(duì)于兩傳感器時(shí)間差定位是采用不斷挪動(dòng)兩個(gè)傳感器的相對(duì)位置，最后使信號(hào)源位于兩傳感器之間，并觀察兩傳感器所接收信號(hào)之間的時(shí)間差，通過公式(1)計(jì)算局部放電源的位置。對(duì)于多傳感器的時(shí)間差定定位是在兩傳感器的基礎(chǔ)上增加了更多的傳感器在放電源的附近，通過各傳感器之間接收信號(hào)的先后順序分析信號(hào)位于哪兩個(gè)傳感器之間，最后仍然通過公式(1)得出放電源的位置。

圖2

設(shè)放電點(diǎn)離傳感器1距離為X，速度為v，時(shí)差t2-t1可通過示波器得出，則：

(1)

通過該公式可以得出X的位置。

3.2 聲電時(shí)差定位法

聲電時(shí)差定位法主要是利用放電時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)作為零點(diǎn)，將超聲信號(hào)與電信號(hào)之間的時(shí)間差作為判斷超聲傳感器與放電源之間遠(yuǎn)近的依據(jù)，通過不斷的移動(dòng)超聲傳感器就可以找到放電源所在位置。在具有多個(gè)超聲傳感器時(shí)，便可以電信號(hào)和各個(gè)超聲波信號(hào)之間的時(shí)間差作為故障點(diǎn)到各超聲波傳感器的時(shí)間，以等值聲速乘以傳播時(shí)間就得到故障點(diǎn)到達(dá)超聲波傳感器的距離，以此列一組時(shí)差和距離的方程求解。在使用這種方法時(shí)電信號(hào)至少1路，超聲波信號(hào)至少1路。實(shí)際檢測(cè)中可采用UHF傳感器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。在一定的條件下也可采用HFCT傳感器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。圖3所表現(xiàn)的即是超聲-特高頻時(shí)差定的示意圖。

圖3 聲電定位示意圖

3.3 幅值比較定位法

由于超聲信號(hào)隨著傳播距離的增加衰減很快，因此，可以根據(jù)各超聲傳感器檢測(cè)的幅值大小來確定局放源的位置。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2015年1月中旬對(duì)220kV拱北變電站220kVGIS間隔進(jìn)行大修，大修后于2015年2月1日進(jìn)行投運(yùn)前的耐壓試驗(yàn)，在試驗(yàn)時(shí)通過開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)擊穿故障定位系統(tǒng)檢測(cè)是否存在絕緣擊穿現(xiàn)象并定位擊穿位置，耐壓試驗(yàn)過程中發(fā)生了擊穿現(xiàn)象，以下為擊穿過程的數(shù)據(jù)分析。

4.1 第一次擊穿測(cè)試過程分析

(1)試驗(yàn)過程描述

本次斷口耐壓試驗(yàn)為珠拱甲線2201間隔A相、2#主變變高2012間隔A相斷口耐壓(帶I母)，145kV15分鐘老練過程平穩(wěn)，電壓升至307kV跳閘。

(2)傳感器布點(diǎn)位置

本文只描述了能說明擊穿點(diǎn)位置的兩個(gè)相關(guān)傳感器的放置位置，其余間隔放置傳感器的位置并未一一詳細(xì)說明。174傳感器放置在珠拱甲線2201間隔A相如圖4所在位置。177傳感器放置在I段母線上，該傳感器距離珠拱甲線2201間隔C相約1m的距離，如圖5所示位置。

圖4 傳感器布點(diǎn)圖1

圖5 傳感器布點(diǎn)圖2

(3)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

圖6 整個(gè)加壓過程數(shù)據(jù)

說明：由圖6可知在耐壓試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了有效的擊穿觸發(fā)告警信號(hào)，說明耐壓過程發(fā)生了擊穿現(xiàn)象。

圖7 將擊穿時(shí)刻的數(shù)據(jù)展開后的波形

說明：由7可知174傳感器的信號(hào)強(qiáng)于177傳感器的信號(hào)，說明擊穿放電點(diǎn)更靠近174傳感器。

圖8 將擊穿時(shí)刻的數(shù)據(jù)繼續(xù)展開后的波形

說明：將174和177傳感器擊穿時(shí)刻的數(shù)據(jù)繼續(xù)展開后的波形如圖8所示，可知174傳感器的信號(hào)超前于177傳感器的信號(hào)，利用聲聲時(shí)差定位法計(jì)算后判斷信號(hào)位于174傳感器177傳感器之間更靠近174傳感器，大概在I母絕緣子附近的位置。

4.2 第二次擊穿測(cè)試過程分析

(1)試驗(yàn)過程描述

本次斷口耐壓試驗(yàn)為220kV全間隔C相相對(duì)地耐壓試驗(yàn)(Ⅰ、Ⅱ母均帶電)，145kV15分鐘老練過程平穩(wěn)，電壓升至306kV跳閘。

(2)傳感器布點(diǎn)位置

本文只描述了能說明擊穿點(diǎn)位置的一個(gè)相關(guān)傳感器的放置位置，其余間隔放置傳感器的位置并未一一詳細(xì)說明。157傳感器放置在琴拱乙線4302間隔C相如圖9所示位置。

圖9 傳感器布點(diǎn)圖

(3)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

圖10 整個(gè)加壓過程數(shù)據(jù)

說明：由圖10可知在耐壓試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了有效的擊穿觸發(fā)告警信號(hào)，說明耐壓過程發(fā)生了擊穿現(xiàn)象。

圖11 將擊穿時(shí)刻的數(shù)據(jù)展開后的波形

說明：由圖11、圖12可知157傳感器的信號(hào)最強(qiáng)，且信號(hào)在整個(gè)采集過程一直處于飽和狀態(tài)，由于超聲信號(hào)在GIS筒壁傳播衰減較大，只有當(dāng)信號(hào)源很靠近傳感器時(shí)才會(huì)有這種波形，說明擊穿放電點(diǎn)就在157傳感器附近，在查找故障點(diǎn)時(shí)則重點(diǎn)關(guān)注其附近的盆式絕緣子或其他可疑的結(jié)構(gòu)。

圖12 將擊穿時(shí)刻的數(shù)據(jù)繼續(xù)展開后的波形

5 解體驗(yàn)證

2015.02.03～2015.02.05期間對(duì)開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)放電故障定位系統(tǒng)定位的擊穿點(diǎn)位置進(jìn)行開罐檢查后，發(fā)現(xiàn)了非常明顯的擊穿故障點(diǎn)，均為盆式絕緣子發(fā)生了貫穿性的擊穿放電，具體如下所示。

5.1 第一次擊穿點(diǎn)解體

圖13 絕緣擊穿點(diǎn)1位置照片

圖14 絕緣擊穿點(diǎn)1解體照片

5.2 第二次擊穿點(diǎn)解體

圖15 絕緣擊穿點(diǎn)2位置照片

圖16 絕緣擊穿點(diǎn)2解體照片

6 經(jīng)驗(yàn)及意義

(1)通過應(yīng)用開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)故障定位系統(tǒng)能夠真正解決GIS耐壓試驗(yàn)下絕緣擊穿故障點(diǎn)定位的問題，能夠做到有針對(duì)性的查找故障點(diǎn)，減小查找故障時(shí)間，避免盲目開罐維修，大大提高維修效率；

(2)對(duì)于GIS耐壓試驗(yàn)下?lián)舸┕收宵c(diǎn)的定位工作，應(yīng)盡量均勻布置傳感器，以減少檢測(cè)盲區(qū)，一個(gè)進(jìn)、出線間隔至少需要2～3個(gè)傳感器。

(3)由于擊穿定位系統(tǒng)所采用的是超聲波法，傳感器的靈敏度較高，因此，在做耐壓試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)盡量減少對(duì)GIS外殼及附近設(shè)備的碰觸以避免由于此類振動(dòng)引起的干擾，避免系統(tǒng)誤判。

[1] 王宇坤，汪洋.現(xiàn)場(chǎng)GIS設(shè)備串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)的實(shí)用分析[J].安徽電力，2007(12).

[2] 金立軍,張明銳,劉衛(wèi)東.GIS局部放電故障診斷試驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005(11).

[3] 張軍民,劉伸展,李環(huán).基于超聲波信號(hào)檢測(cè)的GIS擊穿放電定位方法研究[J].電工電氣(08).

Research and Application of the Fault Location System of AC Withstand Voltage Test of Multichannel Switchgear Based on Ultrasonic Method

GANLu1,GUOXiao-kai1,GUANJin-tao2,DONGChun-lei2

(1.Zhuhai Power Supply Bureau,Guangdong Grid Co.,Ltd.,Zhuhai 519000,China;2.Guagzhou Lantai Power Science Technology Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China)

The paper presents the test principle withstand voltage fault location system of switchgears for ultrasonis wave method and the application of GIS combination switchgear withstand voltage test.

switchgear;withstand voltage;partial discharge;ultrasonic sound

1004-289X(2016)05-0025-05

TM643

B

2016-05-29

甘露(1986-)，湖北人，助理工程師，主要從事電力設(shè)備技術(shù)監(jiān)督工作； 郭小凱(1986-)，河南人，工程師，主要從事電力設(shè)備高壓試驗(yàn)及絕緣技術(shù)監(jiān)督工作； 關(guān)勁濤(1980-)，廣東人，助工，長期從事電力高壓設(shè)備試驗(yàn)工作； 董春雷(1982-)，遼寧人，助工，從事電力設(shè)備局部放電等試驗(yàn)儀器開發(fā)及試驗(yàn)工作。