高壓組合電器開關(guān)放電聲壓仿真分析

殷秀玲 宋劉洋 李陽

摘要：目前，我國的電力行業(yè)的發(fā)展迅速，針對氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gasinsulatedswitchgear，GIS）發(fā)生局放時形成復雜的聲場效應(yīng)不便対實物分析問題，對該聲場建立流固耦合分析模型，使用有限元分析法對GIS內(nèi)部聲源與中心導電桿及外部腔室產(chǎn)生的耦合作用進行計算，實現(xiàn)對GIS設(shè)備金屬筒壁的聲壓分布及傳播特點有效分析。通過分析得到多個氣室聲波傳播的規(guī)律，相較于單一氣室，聲波經(jīng)過氣室間的法蘭時衰減幅度較大，且有一部分被反彈疊加等。因此選用的超聲波傳感器必須具備高靈敏度、寬頻帶等特點。同時由于氣室外部聲壓較小，為避免信號失真需對采集信號進行放大處理。該仿真為超聲波傳感器檢測GIS局放提供了理論指導基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高壓組合電器;開關(guān)放電;聲壓仿真分析

引言

1000kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備安裝是特高壓交流變電站中一種典型的戶外連續(xù)性設(shè)備安裝工況。1000kVGIS組合電器的安裝涉及的設(shè)備單元多、占地面積大、安裝周期長，而且安裝過程中受外界環(huán)境因素的影響很大，因此在安裝過程中設(shè)備安裝質(zhì)量極難控制。GIS組合電器的故障多發(fā)生在新安裝投運1年內(nèi)，通常情況下GIS設(shè)備第1年運行時，故障率是0.53次/間隔，第2年運行期間的故障率則下降到0.06次/間隔，隨著運行時間的加長故障率趨于平穩(wěn)。針對故障原因分析可以得出，源于制造廠、安裝施工、設(shè)計以及其他原因造成的故障分別約占GIS總故障的26%、40%、7%、27%，而特高壓GIS比普通電壓等級的設(shè)備出現(xiàn)故障的概率更大、影響更為嚴重，由此可見，特高壓GIS的安裝質(zhì)量控制是確保設(shè)備投運的關(guān)鍵性因素。

1GIS流固耦合仿真

1.1有限元分析

ANSYS可以模擬分析聲學換能器，對土木工程的鋼筋混凝土位移程度、變壓器固有頻率振動特性、各種應(yīng)力與流體耦合系統(tǒng)等，擁有強大的前后處理功能，具有簡單的求解耦合系統(tǒng)的方法。為了了解聲波在GIS傳播特點，更好地制定出檢測超聲信號的方案，本文采用ANSYS有限元仿真軟件對GIS流固耦合場進行求解分析。通過建立物理模型，模擬出理想化GIS設(shè)備金屬筒壁的單頻率聲壓分布圖及設(shè)置點隨頻率變化的聲壓圖，分析聲波的傳播規(guī)律。根據(jù)實際采集GIS設(shè)備內(nèi)部閃絡(luò)放電產(chǎn)生的超聲波信號頻率，設(shè)置GIS流固耦合場中的放電聲源頻率范圍在20～80kHz之間，采用有限元方法來求解聲振耦合場完全滿足需求，且經(jīng)過對比網(wǎng)格劃分金屬圓筒及空氣球體的效果要比使用邊界法好，所以本仿真采用網(wǎng)格劃分法。

1.2聲場流體離散化有限元方程

依據(jù)聲波在GIS中的傳播理論，為減少外界條件的干擾，保證仿真過程在標準條件下進行，在分析流固耦合場之前要對GIS內(nèi)部介質(zhì)、聲波及溫度等做一些理想化條件約束：①空氣和SF6絕緣介質(zhì)是不會產(chǎn)生熱損耗的理想的氣體介質(zhì);②發(fā)生放電之前GIS氣室內(nèi)部不存在聲學信號，因此媒介是不流動的;③發(fā)生放電產(chǎn)生振動聲波信號后，GIS氣室內(nèi)的絕緣介質(zhì)不會與外界進行熱交換，也就是在仿真過程中不考慮溫度對聲振耦合系統(tǒng)的影響?；谶@些理想化條件，在流固耦合場中需要考慮聲場流體方程、離散化無損耗聲波方程、離散化聲場吸收方程及離散化流固耦合方程。

2高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測技術(shù)手段

在高壓開關(guān)柜的實際運行過程中，由于開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生的絕緣缺陷問題，會造成某一點形成過電流，從而造成該點的局部放電現(xiàn)象。隨著放電時長的增加，開關(guān)柜內(nèi)部還會產(chǎn)生一定量的電量信息以及非電量信息，這些信息一般為物理現(xiàn)象信息，在物理環(huán)境變化過程中表現(xiàn)出來，因此通過對這部分放電信息進行監(jiān)測，在一定程度上對當前運行環(huán)境下的高壓開關(guān)柜運行狀態(tài)做出判斷。監(jiān)測技術(shù)主要面對的事實上應(yīng)當是發(fā)生絕緣變化以及局部放電問題后開關(guān)柜自身的放電物理參量，這部分物理參量與常態(tài)參量之間差距大，因此可以通過監(jiān)測的方式獲取。在應(yīng)用環(huán)境中的技術(shù)條件內(nèi)部，需要結(jié)合測算方式，對放電信號的具體規(guī)模、放電位置、放電影響范圍等做出精確判斷。結(jié)合監(jiān)測物理量不同，目前應(yīng)用于高壓開關(guān)柜狀態(tài)監(jiān)測的局部放電監(jiān)測技術(shù)主要為以下幾種。脈沖電流檢測法在進行放電信號測量時，可以對部分頻率極低的信號進行測算并放大，從而實現(xiàn)檢測范圍的拓寬，但該技術(shù)僅能夠應(yīng)用在離線檢測當中，無法實現(xiàn)在線監(jiān)測;紅外檢測法是通過紅外線技術(shù)對高壓開關(guān)裝置外部的電信號規(guī)律進行獲取，通過紅外線的反饋，實現(xiàn)放電覆蓋范圍的測算，但是由于紅外線穿透能力不足，無法應(yīng)用在開關(guān)柜裝置內(nèi)部，因此效果并不理想;化學檢測法主要通過對開關(guān)柜內(nèi)部的化學現(xiàn)象發(fā)生規(guī)律進行分辨，是在線監(jiān)測技術(shù)中檢測數(shù)據(jù)精準度最高的技術(shù)手段，但是由于化學測算和分析過程還需要依賴人工，因此缺少時效性和動態(tài)性;UHF法則是借助傳感器裝備，對高壓開關(guān)柜中的電信號進行獲取，并由上位機對信號進行解讀和分析，從而做出實時的精確判斷。但是傳感器硬件成本較高，同時安裝困難、安裝位置限制明顯，對于技術(shù)條件和環(huán)境條件要求較高。

3安裝質(zhì)量管控措施

為適應(yīng)特高壓變電站工程建設(shè)管理要求，現(xiàn)場通過車間式管理平臺、安裝質(zhì)量管控記錄卡、安裝全過程視頻監(jiān)控記錄等措施逐一進行落實。車間式管理平臺原為工業(yè)車間中制定生產(chǎn)任務(wù)、工序計劃、生產(chǎn)檢驗到產(chǎn)品入庫全過程監(jiān)督與控制的系統(tǒng)。通過學習借鑒這種管理模式，在GIS安裝現(xiàn)場搭建管理平臺，將技術(shù)、安全、質(zhì)量專職責任人的生產(chǎn)任務(wù)派發(fā)、巡視檢查記錄從辦公室轉(zhuǎn)移至現(xiàn)場的管理模式，提高管理力度，同時提供了現(xiàn)場作業(yè)面的監(jiān)督依據(jù)。《變電站主要電氣設(shè)備安裝質(zhì)量工藝關(guān)鍵環(huán)節(jié)管控記錄卡》是國家電網(wǎng)公司基建部2015年通知應(yīng)用的，現(xiàn)場通過管控卡進行應(yīng)用。突出關(guān)鍵即突出關(guān)鍵設(shè)備安裝環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，突出重點即對安裝過程中發(fā)現(xiàn)的重點問題突出解決，突出責任即突出設(shè)備建設(shè)監(jiān)理運行單位的責任劃分，突出數(shù)據(jù)即把每日記錄的環(huán)境指標數(shù)據(jù)進行詳細描述。根據(jù)安裝流程逐項明確關(guān)鍵工作內(nèi)容、工作的要求以及標準，在安裝的進程中將每一項工作的具體進展以及實時測量的數(shù)據(jù)進行詳細記錄，伴隨著每項工作的完成，工作負責人實時簽字，以加強安裝過程質(zhì)量管控、督促責任落實。安裝全過程視頻監(jiān)控記錄是通過在安裝過程的視角部位布置高清攝像頭，24h進行監(jiān)控，加大現(xiàn)場作業(yè)的管控力度，同時也為安裝問題查究提供依據(jù)。

結(jié)語

基于對GIS氣室工作單元結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部發(fā)生局部放電產(chǎn)生聲源的理解，通過構(gòu)建其流固耦合物理分析模型，采用ANSYS有限元分析軟件對多個GIS氣室工作單元結(jié)構(gòu)由于發(fā)生放電而引起的聲輻射場進行了數(shù)值計算及仿真。通過分析GIS設(shè)備金屬筒壁的聲壓分布以及設(shè)置點隨頻率變化的聲壓圖，得出聲波在氣室內(nèi)外及筒壁上的傳播規(guī)律，以及在傳到相鄰氣室時能量劇烈衰減和經(jīng)過法蘭時能量的疊加特性，為超聲檢測GIS內(nèi)部放電提供了理論基礎(chǔ)。從這些仿真結(jié)果可以看出，采用平均最大強度來判斷故障點這一測試方案會產(chǎn)生誤判。實際上有時候非閃絡(luò)放電的GIS氣室中某些部位的聲壓值較大，所以采用最大強度判斷的方案是比較片面的。這也為新方案的提出提供了有力的理論基礎(chǔ)，可以根據(jù)信號具有延遲的特點，將檢測方案設(shè)定為當發(fā)生閃絡(luò)時，取時間最短的節(jié)點為故障點，這樣做更加合理。

參考文獻

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