基于超聲波法的多通道開關設備交流耐壓試驗局放故障定位系統的研究與應用

甘露,郭小凱,關勁濤,董春雷

(1.廣東電網有限責任公司珠海供電局，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設備交流耐壓試驗局放故障定位系統的研究與應用

甘露1,郭小凱1,關勁濤2,董春雷2

(1.廣東電網有限責任公司珠海供電局，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設備交流耐壓試驗局放故障定位系統的檢測原理及在GIS組合開關設備耐壓試驗中的應用。

開關設備；耐壓；局部放電；超聲

1 引言

GIS設備在制造和裝配過程中其內部仍有可能會留下各種微小缺陷，如：固定突起、盆式絕緣子上粘附金屬粉末等，且在常規實驗中很難被發現,一旦投運即可發展成危險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，傳統方法常采用多次變換GIS接線方式并在該接線方式下進行耐壓試驗的方法，該做法工作量大，且對其他無故障氣室的絕緣系統也極為不利，甚至會造成傷害，且放電點的定位仍舊依靠人工現場的聽力判斷，對人員現場經驗要求高、誤差大、耗時長，往往還要重復加壓查找故障點，這樣又導致工期延誤，又給設備帶來了其他隱患。基于超聲波多通道的開關設備交流耐壓試驗局放故障定位系統通過多個超聲通道，布置在高壓開關設備上，能夠有效獲取GIS交流耐壓試驗放電故障信號，并能準確定位放電氣室。對正確評估GIS設備的絕緣狀態，確保電力系統安全運行有著十分重要的意義。

2 系統組成

開關設備交流耐壓試驗局放故障定位系統由超聲傳感器、特高頻傳感器、信號調理器、信號處理服務器等部件組成。系統采用超聲檢測方法測試GIS內部的放電故障信號。該系統結構緊湊，攜帶檢測方便，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，同時具有較高的靈敏度和信噪比，可對現場GIS設備交流耐壓試驗進行有效的故障定位。

開關設備交流耐壓試驗放電故障定位系統用于開關設備交流耐壓試驗，通過網絡通信采集耐壓試驗過程中的數據，監測是否有絕緣擊穿放電出現，并為放電故障定位提供診斷。整套系統多個信號調理器及采集通道，需要滿足和實現多個通道之間數據采樣的一致性。調理器通過無線信號進行同步，使得多個信號調理器之間可以同時觸發采樣過程，保證多傳感器通道數據采集通道的同步性，便于對數據進行比較分析。系統結構如圖1所示。

圖1 開關設備交流耐壓試驗放電故障定位系統結構圖

3 檢測原理

當電力設備內部產生局部放電時，會伴隨著爆裂狀的聲發射，同時產生電磁信號及超聲信號，且很快向四周介質傳播，通過安裝在設備外壁上的特高頻傳感器和超聲波傳感器，就能對設備內的局部放電水平進行測量及定位。對于電力設備耐壓下產生擊穿現象可以理解為更強的放電現象，瞬時所釋放的能量更強，但這種現象并不像局放一樣持續存在，而是在擊穿的瞬間該現象也隨之消失。但兩種現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 聲聲時差定位法

超聲波在傳播過程中，對于不同位置的傳感器而言，接收到放電源產生的超聲信號的先后時間是不一樣的，距離放電源越近的傳感器將越先接受到信號。對于兩傳感器時間差定位是采用不斷挪動兩個傳感器的相對位置，最后使信號源位于兩傳感器之間，并觀察兩傳感器所接收信號之間的時間差，通過公式(1)計算局部放電源的位置。對于多傳感器的時間差定定位是在兩傳感器的基礎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的先后順序分析信號位于哪兩個傳感器之間，最后仍然通過公式(1)得出放電源的位置。

圖2

設放電點離傳感器1距離為X，速度為v，時差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 聲電時差定位法

聲電時差定位法主要是利用放電時產生的電信號作為零點，將超聲信號與電信號之間的時間差作為判斷超聲傳感器與放電源之間遠近的依據，通過不斷的移動超聲傳感器就可以找到放電源所在位置。在具有多個超聲傳感器時，便可以電信號和各個超聲波信號之間的時間差作為故障點到各超聲波傳感器的時間，以等值聲速乘以傳播時間就得到故障點到達超聲波傳感器的距離，以此列一組時差和距離的方程求解。在使用這種方法時電信號至少1路，超聲波信號至少1路。實際檢測中可采用UHF傳感器對電信號進行檢測。在一定的條件下也可采用HFCT傳感器對電信號進行檢測。圖3所表現的即是超聲-特高頻時差定的示意圖。

圖3 聲電定位示意圖

3.3 幅值比較定位法

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

4 現場應用

2015年1月中旬對220kV拱北變電站220kVGIS間隔進行大修，大修后于2015年2月1日進行投運前的耐壓試驗，在試驗時通過開關設備交流耐壓試驗擊穿故障定位系統檢測是否存在絕緣擊穿現象并定位擊穿位置，耐壓試驗過程中發生了擊穿現象，以下為擊穿過程的數據分析。

4.1 第一次擊穿測試過程分析

(1)試驗過程描述

本次斷口耐壓試驗為珠拱甲線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，電壓升至307kV跳閘。

(2)傳感器布點位置

本文只描述了能說明擊穿點位置的兩個相關傳感器的放置位置，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 傳感器布點圖1

圖5 傳感器布點圖2

(3)測試數據分析

圖6 整個加壓過程數據

說明：由圖6可知在耐壓試驗過程中出現了有效的擊穿觸發告警信號，說明耐壓過程發生了擊穿現象。

圖7 將擊穿時刻的數據展開后的波形

說明：由7可知174傳感器的信號強于177傳感器的信號，說明擊穿放電點更靠近174傳感器。

圖8 將擊穿時刻的數據繼續展開后的波形

說明：將174和177傳感器擊穿時刻的數據繼續展開后的波形如圖8所示，可知174傳感器的信號超前于177傳感器的信號，利用聲聲時差定位法計算后判斷信號位于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 第二次擊穿測試過程分析

(1)試驗過程描述

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

(2)傳感器布點位置

本文只描述了能說明擊穿點位置的一個相關傳感器的放置位置，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 傳感器布點圖

(3)測試數據分析

圖10 整個加壓過程數據

說明：由圖10可知在耐壓試驗過程中出現了有效的擊穿觸發告警信號，說明耐壓過程發生了擊穿現象。

圖11 將擊穿時刻的數據展開后的波形

說明：由圖11、圖12可知157傳感器的信號最強，且信號在整個采集過程一直處于飽和狀態，由于超聲信號在GIS筒壁傳播衰減較大，只有當信號源很靠近傳感器時才會有這種波形，說明擊穿放電點就在157傳感器附近，在查找故障點時則重點關注其附近的盆式絕緣子或其他可疑的結構。

圖12 將擊穿時刻的數據繼續展開后的波形

5 解體驗證

2015.02.03～2015.02.05期間對開關設備交流耐壓試驗放電故障定位系統定位的擊穿點位置進行開罐檢查后，發現了非常明顯的擊穿故障點，均為盆式絕緣子發生了貫穿性的擊穿放電，具體如下所示。

5.1 第一次擊穿點解體

圖13 絕緣擊穿點1位置照片

圖14 絕緣擊穿點1解體照片

5.2 第二次擊穿點解體

圖15 絕緣擊穿點2位置照片

圖16 絕緣擊穿點2解體照片

6 經驗及意義

(1)通過應用開關設備交流耐壓試驗故障定位系統能夠真正解決GIS耐壓試驗下絕緣擊穿故障點定位的問題，能夠做到有針對性的查找故障點，減小查找故障時間，避免盲目開罐維修，大大提高維修效率；

(2)對于GIS耐壓試驗下擊穿故障點的定位工作，應盡量均勻布置傳感器，以減少檢測盲區，一個進、出線間隔至少需要2～3個傳感器。

(3)由于擊穿定位系統所采用的是超聲波法，傳感器的靈敏度較高，因此，在做耐壓試驗時現場人員應盡量減少對GIS外殼及附近設備的碰觸以避免由于此類振動引起的干擾，避免系統誤判。

[1] 王宇坤，汪洋.現場GIS設備串聯諧振耐壓試驗的實用分析[J].安徽電力，2007(12).

[2] 金立軍,張明銳,劉衛東.GIS局部放電故障診斷試驗研究[J].電工技術學報，2005(11).

[3] 張軍民,劉伸展,李環.基于超聲波信號檢測的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，主要從事電力設備技術監督工作； 郭小凱(1986-)，河南人，工程師，主要從事電力設備高壓試驗及絕緣技術監督工作； 關勁濤(1980-)，廣東人，助工，長期從事電力高壓設備試驗工作； 董春雷(1982-)，遼寧人，助工，從事電力設備局部放電等試驗儀器開發及試驗工作。