超聲波技術(shù)在電力系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

項(xiàng)彬

摘要：在我國快速發(fā)展過程中，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)在迅猛發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，電力設(shè)備的絕緣監(jiān)督主要是采用預(yù)防性試驗(yàn)來進(jìn)行，在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)對(duì)電力設(shè)備分布性缺陷監(jiān)測(cè)效果較好，如絕緣受潮、絕緣電阻下降、介質(zhì)老化、介質(zhì)損耗增大，而對(duì)缺陷范圍比較小但危害比較大的集中缺陷效果不理想，如電容器內(nèi)部串并聯(lián)部分小電容斷線、瓷質(zhì)開裂、絕緣部分受潮、絕緣內(nèi)氣泡、電纜故障點(diǎn)及路徑查找。高頻率超聲波能形成很窄的波束，此指向性特性有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障點(diǎn)，即所謂的超聲波定位技術(shù)。在電力系統(tǒng)中，超聲波定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備局部放電、發(fā)電機(jī)電暈、電氣設(shè)備斷線及電纜故障探測(cè)等多個(gè)方面，但電力系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)電場(chǎng)的電暈及背景噪音的干擾限制了超聲波定位技術(shù)在電力系統(tǒng)的發(fā)展。近幾年公司引進(jìn)了美國Son-Tector超聲波定位儀，通過對(duì)其開發(fā)與應(yīng)用，取得了一定的成效，特別是在均壓電容器斷線、電纜故障查找等方面效果顯著。

關(guān)鍵詞：電力設(shè)備;故障探測(cè);超聲波;定位技術(shù);超聲波定位儀

引言

電力系統(tǒng)是由電能的產(chǎn)生、變換、傳送、分配和消費(fèi)的各種設(shè)備，按照一定的需求組成的有機(jī)系統(tǒng)的總稱，也是大型機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行十分重要。電力系統(tǒng)故障診斷是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電力系統(tǒng)與機(jī)電系統(tǒng)保護(hù)等的重要研究內(nèi)容。電力系統(tǒng)故障診斷中的智能化技術(shù)主要包括電力系統(tǒng)仿真，先進(jìn)故障診斷算法，先進(jìn)故障診斷設(shè)備等技術(shù)。電力系統(tǒng)仿真的目的是在電力系統(tǒng)相關(guān)環(huán)節(jié)中設(shè)置相應(yīng)信息并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，便于測(cè)量、調(diào)節(jié)、控制、保護(hù)、調(diào)度電能以及保證用電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。目前針對(duì)電力系統(tǒng)故障診斷的算法包括遺傳進(jìn)化算法、模糊自適應(yīng)算法、差分進(jìn)化算分、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，這些算法需要相關(guān)故障數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以通過仿真或?qū)嶒?yàn)獲得。擁有了相關(guān)數(shù)據(jù)，即可通過微控制器，將這些算法及數(shù)據(jù)集成到診斷設(shè)備中。

1電力系統(tǒng)故障成因

電力系統(tǒng)主要由電源、變電所、輸電線路與用戶荷載組成，受用戶端供電節(jié)點(diǎn)的分布影響電源點(diǎn)之間通過電源的二次電能交換才可實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的電能傳輸。電力網(wǎng)絡(luò)主要是指輸電線路與變電所之間形成的線路架構(gòu)，通過智能化設(shè)備、信息化技術(shù)的融入到電力系統(tǒng)信息管理體系，可令電力網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電力分配以及智能優(yōu)化配電，保證電力供應(yīng)區(qū)域用電高峰期下可維系正常運(yùn)作。隨著高新技術(shù)與電力系統(tǒng)的深度融合，電力系統(tǒng)架構(gòu)組成形式也逐漸趨于復(fù)雜化，盡管智能化設(shè)備的應(yīng)用可有效提高整體運(yùn)營質(zhì)量，但同時(shí)也將增大電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營故障。特別是近年來數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展下，令電力系統(tǒng)承接更多的數(shù)據(jù)信息，一旦數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，整體系統(tǒng)造成冗余性影響，將導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)一定的故障。從故障影響深度來看，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生最為嚴(yán)重的安全影響問題，即為電力線路的短路故障，引起此類故障的因素較多，例如自然環(huán)境的雷擊影響、工作人員誤操作所帶來的影響、設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)運(yùn)行錯(cuò)誤所帶來的影響、電力網(wǎng)絡(luò)內(nèi)機(jī)械設(shè)備自身故障所帶來的影響，都將造成嚴(yán)重的電力供應(yīng)事故，影響與電力系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2超聲波技術(shù)在電力系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

2.1輸電線路懸垂線夾磨損導(dǎo)線檢測(cè)

高壓輸電線路是連接變電站、傳輸電力的通道，是電網(wǎng)的重要組成部分。目前海拉爾地區(qū)油田的輸電線路架設(shè)地多為空曠的草原和丘陵地帶，此區(qū)域內(nèi)并無減緩風(fēng)力帶。海拉爾地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，季節(jié)溫差大，冬季極端氣溫可達(dá)-48℃，夏季極端氣溫可達(dá)40℃，且冬、春季常出現(xiàn)暴風(fēng)雪、沙塵暴等天氣。嚴(yán)酷的氣候環(huán)境導(dǎo)致線路出現(xiàn)導(dǎo)線、地線斷股、斷線;線路常年經(jīng)受風(fēng)的作用，線路聯(lián)接各部件（金具）易反復(fù)搖動(dòng)，造成導(dǎo)線、地線和金具的磨損斷裂，釀成線路事故。從多年的運(yùn)行情況看，線路桿、塔用于懸掛導(dǎo)、地線的懸垂線夾磨損比較突出，近3年共發(fā)生8起該類事故，而且有逐年增加的趨勢(shì)。懸垂線夾是桿、塔連接導(dǎo)線的重要金具，正常巡線的情況下發(fā)現(xiàn)不了懸垂線夾內(nèi)鋁包帶包裹的導(dǎo)線磨損情況。針對(duì)線路懸垂線夾磨損導(dǎo)線的問題，從2010年起采取了檢修人員登桿、塔打開線夾檢查磨損情況的措施，這種方法既耗費(fèi)檢修時(shí)間，又存在安全風(fēng)險(xiǎn)。懸垂線夾是由可鍛鑄鐵的線夾船體、壓板及U型螺栓組成，它利用兩塊鋼板沖壓掛板吊掛，掛板安裝在船體兩側(cè)的掛軸上。在懸垂線夾線路中，曾出現(xiàn)多次因懸垂線夾磨損問題而引發(fā)的架空避雷線掉線造成的接地故障，這類故障通常都是永久性的事故，輕則造成跳閘停電，重則可能燒斷導(dǎo)線或避雷線，給線路的修復(fù)帶來了困難，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全。為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)這類缺陷，利用超聲波定位儀具有指向性及可在輸電線路帶電情況下使用的特性，在巡線中使用超聲波定位儀進(jìn)行探測(cè)，效果顯著。2018年以來共發(fā)現(xiàn)線路懸垂線夾磨損導(dǎo)線缺陷15項(xiàng)，有效地避免了該類缺陷的發(fā)生。

2.2紅外熱像技術(shù)

應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障檢測(cè)中的技術(shù)手段和處理方法層出不窮。用紅外熱像測(cè)溫跟蹤缺陷合成絕緣子的狀況及其電氣試驗(yàn)情況。通過控制容積法對(duì)帶有破損的高壓輸電線及電纜建立了物理和數(shù)學(xué)模型。模型考慮了電線和電纜芯的軸向?qū)幔_地描述了破損程度和溫度響應(yīng)的關(guān)系;得到了無破損以及不同程度破損時(shí)電線以及電纜的表面溫度分布規(guī)律;提出了通過紅外熱像儀測(cè)量表面溫度分布在線檢測(cè)與診斷輸電線和電纜破損程度的方法，并針對(duì)常用電線電纜進(jìn)行了具體分析和診斷。理論和實(shí)驗(yàn)研究均證明了紅外在線檢測(cè)電線電纜破損的可行性及定量診斷方法的有效性。等提出電子部件的熱性能是高壓、高功率密度設(shè)計(jì)系統(tǒng)的限制因素。因此，準(zhǔn)確評(píng)估各部件性能是至關(guān)重要的。利用紅外相機(jī)測(cè)量高壓電力設(shè)備半導(dǎo)體元件節(jié)點(diǎn)處的溫度時(shí)，噴上兩種不同的涂層能夠提供相同的發(fā)射率，但氮化硼涂層較黑色噴漆涂層易從設(shè)備表面去除，且氮化硼能夠提供更精確的測(cè)量結(jié)果。等利用紅外熱成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)故障，提出一種適用于任意情況下異常檢測(cè)的系統(tǒng)。即可根據(jù)熱特征確定故障類型并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的操作模式;可對(duì)組件老化和退化做出系統(tǒng)調(diào)度維護(hù)，是一種自動(dòng)化性能較強(qiáng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。并且，該系統(tǒng)還適用于環(huán)境惡劣、有毒物質(zhì)等的檢測(cè)。

2.3電力系統(tǒng)仿真技術(shù)

確切地了解電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性等信息較困難，有必要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。其仿真研究的基本過程是：根據(jù)電力系統(tǒng)的物理模型建立其數(shù)學(xué)模型;建立仿真模型;進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)和研究;根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。國內(nèi)外關(guān)于電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的研究有許多，進(jìn)行了輸電線的仿真模擬研究，提高了輸電線的風(fēng)災(zāi)防御能力。認(rèn)為故障信息包含在線路的故障信號(hào)中，為電力系統(tǒng)故障診斷提供了診斷數(shù)據(jù)和依據(jù)。研究了基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法。目前關(guān)于電力系統(tǒng)仿真的技術(shù)軟件有多種，如 MATLAB/Simulink、Multisum、ADS 等。ADS 由 美 國 Agilent公司推出，用于微波電路和通信系統(tǒng)仿真。Multisim 的電路仿真功能是相對(duì)全面的，且能夠與 LabVIEW 進(jìn)行無縫聯(lián)合，能夠很好地解決電子電路設(shè)計(jì)問題。MATLAB 來源于Cleve Moler 博士及其同事開發(fā)的 LINPACK 和 EISPACK 程序包，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工程應(yīng)用、系統(tǒng)建模與仿真等。MATLAB Simulink 以窗口和圖形方式進(jìn)行物理系統(tǒng)建模，可用于連續(xù)時(shí)間或離散時(shí)間的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模。

結(jié)語

目前公司正開展超聲波局部放電檢測(cè)及定位技術(shù)在開關(guān)柜中的應(yīng)用研究。開關(guān)柜設(shè)備是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一，一旦開關(guān)柜發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致企業(yè)電網(wǎng)大面積停電，給生產(chǎn)造成影響，從而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。將超聲波非接觸檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到開關(guān)柜設(shè)備絕緣的檢測(cè)中，可在開關(guān)柜運(yùn)行中診斷設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜設(shè)備絕緣中的安全隱患，合理安排停電消缺處理，從而保證整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有力地保障企業(yè)生產(chǎn)不間斷。

參考文獻(xiàn)

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