超聲波技術在電力系統故障診斷中的應用

中國石油集團電能有限公司電力技術服務公司

目前，電力設備的絕緣監督主要是采用預防性試驗來進行，在實際工作中發現預防性試驗對電力設備分布性缺陷[1]監測效果較好，如絕緣受潮、絕緣電阻下降、介質老化、介質損耗增大，而對缺陷范圍比較小但危害比較大的集中缺陷[1]效果不理想，如電容器內部串并聯部分小電容斷線、瓷質開裂、絕緣部分受潮、絕緣內氣泡、電纜故障點及路徑查找。高頻率超聲波能形成很窄的波束，此指向性特性有助于發現設備故障點，即所謂的超聲波定位技術。在電力系統中，超聲波定位技術廣泛應用于電氣設備局部放電、發電機電暈、電氣設備斷線及電纜故障探測等多個方面，但電力系統內強電場的電暈及背景噪音的干擾限制了超聲波定位技術在電力系統的發展[2]。

近幾年公司引進了美國Son-Tector 超聲波定位儀，通過對其開發與應用，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。

1 均壓電容器內部故障

110 kV 少油開關均壓電容器的作用是均勻斷路器兩端口之間的電壓，使斷路器能更有效地切除故障電流[3]。如果其內部發生故障，如發生斷路、短路或受潮時，輕者降低斷路器滅弧性能，重者將引起斷路器以及均壓電容器爆炸等惡性事故。

當電容發生上述故障時，一般不能通過普通的絕緣試驗查找出來。以往的辦法就是通過傾聽設備是否有放電的“啪，啪”聲，這種方法易受環境（如噪音、風向等因素）和人為因素的影響，準確率和發現率不高。但是上面所述各種故障，不管何種類型，都會產生人耳聽不到的超聲波。超聲波定位儀檢測（圖1）到這種超聲波后，經過處理轉變成可以聽到的頻率，就可以判斷是正常聲音還是異常聲音，從而發現故障電容器。

圖1 超聲波定位儀檢測Fig.1 Inspection of ultrasonic positioner

2 電纜故障查找

由于電力電纜一般鋪設在地下，當其發生故障時，故障點很難查找，費時費力又延誤送電時間，影響電力供給的連續性。目前，查找電纜故障最常用的方法有電橋法、脈沖示波器法、感應法和聲測法等[4]。電纜探測儀主要基于脈沖反射法原理，存在著不同芯線傳播速度不同、故障點阻抗不同，以及電纜敷設不可能直線敷設等諸多因素，探測效果不理想。Son-Tector 超聲波定位儀與直流高壓沖擊閃絡法（圖2）結合進行電纜故障探測，測試效果非常顯著[5]，其測試原理如圖3 所示。

圖2 直流高壓沖擊閃絡法原理Fig.2 Principle of DC high voltage impact flashover method

首先利用直流高壓試驗設備使電容器充電儲能，當電壓達到某一數值時，經過放電間隙向故障相電纜芯放電，由于故障點具有一定的故障電阻，在電容器放電過程中此故障電阻相當于一個放電間隙，在放電時將產生火花放電，引起電磁波輻射和機械的音頻振動。在此同時放電電流沿無故障段進行傳播[6]，傳播過程中也會產生電磁波輻射。這時利用超聲波定位儀傳感器探頭（圖2）沿著電纜走向進行探測，當到達故障點上方時放電信號非常強，并且雜亂無章，即可發現故障點。

圖3 超聲波定位儀傳感器探頭Fig.3 Sensor probe of ultrasonic positioner

在實踐中發現，當探頭處在無故障段電纜上方且探頭在電纜上方垂直于地面時收到的信號最弱，當移動探頭于電纜兩側某位置時信號最強。這一發現使超聲波定位儀的作用得到擴展，不僅可以用來探測故障點，而且還可以用來尋跡。

利用該方法測定故障點時，要注意以下幾點：

（1）注意地線的連接。由于沖擊放電的大電流流過主接地網引起電壓升高，可能危及與電網相連的其他設備。因此接地時要做到：電容器的接地線應直接和電纜的鉛包地線連接，不應接公用接地極，試驗變壓器高壓繞組的接地端子不直接和電容器地線連接，應接公用接地極[7]。試驗變壓器和調壓器外殼不接地。

（2）對于斷線故障，最好將電纜一端接地，利用對地擊穿后聲音較響來測試。

（3）若電纜頭或電纜的連接盒外殼與接地線接觸不良，戶內電纜接頭處電纜與接地支架接觸不良，測試時這些處所亦有聲音，應注意與真正故障點聲音相區別，防止誤判斷。

3 輸電線路懸垂線夾磨損導線檢測

高壓輸電線路是連接變電站、傳輸電力的通道，是電網的重要組成部分。目前海拉爾地區油田的輸電線路架設地多為空曠的草原和丘陵地帶，此區域內并無減緩風力帶。海拉爾地區氣候環境惡劣，季節溫差大，冬季極端氣溫可達-48 ℃，夏季極端氣溫可達40 ℃，且冬、春季常出現暴風雪、沙塵暴等天氣。嚴酷的氣候環境導致線路出現導線、地線斷股、斷線；線路常年經受風的作用，線路聯接各部件（金具）易反復搖動，造成導線、地線和金具的磨損斷裂，釀成線路事故。從多年的運行情況看，線路桿、塔用于懸掛導、地線的懸垂線夾磨損比較突出，近3 年共發生8 起該類事故，而且有逐年增加的趨勢。

懸垂線夾是桿、塔連接導線的重要金具[8]，正常巡線的情況下發現不了懸垂線夾內鋁包帶包裹的導線磨損情況。針對線路懸垂線夾磨損導線的問題，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，這種方法既耗費檢修時間，又存在安全風險。

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的掛軸上。在懸垂線夾線路中，曾出現多次因懸垂線夾磨損問題而引發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，重則可能燒斷導線或避雷線，給線路的修復帶來了困難，嚴重威脅電網的安全[9]。為準確地發現這類缺陷，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行探測，效果顯著。2018 年以來共發現線路懸垂線夾磨損導線缺陷15 項，有效地避免了該類缺陷的發生。

4 電力設備絕緣診斷

當電力設備發生故障時，為了將損失降到最低，擁有良好的故障檢測技術顯得尤為重要。該技術的判斷依據是，如果電力設備絕緣出現異常，故障部位會出現一種更加明顯的強化電暈放電現象。通過檢測電暈放電，可以更準確地找到設備絕緣故障的位置。超聲波檢測是一種成本相對較低、效果好、原理簡單的高壓設備絕緣檢測方法，它能很準確地找到和定位絕緣故障的位置[10]。一般來說，它具有不與高壓設備接觸、不停電、在線監測、安全距離內準確定位、絕緣子表面放電位置準確定位、絕緣子串故障掃描定位等優點。特別需要指出的是，如果能裝上信號采集器，探測范圍會更大。超聲波檢測的對象不僅可以是露天變電站，也可以是室內設備，特別是在加裝超聲波采集器后，可以更準確地定位設備絕緣故障的位置。

5 結束語

近年來公司在所轄1 000 km 架空輸電線路和電纜線路中推廣應用超聲波診斷技術，已經形成規范標準作業流程，編制了《均壓電容器超聲波診斷作業指導書》《電纜故障超聲波診斷作業指導書》《輸電線路導線懸垂線夾超聲波診斷作業指導書》等，應用該技術以來共發現線路懸垂線夾磨損導線缺陷15 項，共查找高壓電纜20 條，低壓電纜10 余條，挽回經濟損失90 余萬元，創造經濟效益10 余萬元。

目前公司正開展超聲波局部放電檢測及定位技術在開關柜中的應用研究。開關柜設備是保證電力系統正常運行的關鍵設備之一，一旦開關柜發生故障會導致企業電網大面積停電，給生產造成影響，從而造成重大的經濟損失。將超聲波非接觸檢測技術應用到開關柜設備絕緣的檢測中，可在開關柜運行中診斷設備狀態，及時發現開關柜設備絕緣中的安全隱患，合理安排停電消缺處理，從而保證整個電力系統的正常運行，有力地保障企業生產不間斷。