超聲波技術在電力系統故障診斷中的應用

項彬

摘要：在我國快速發展過程中，市場經濟在迅猛發展，社會在不斷進步，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。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。

關鍵詞：電力設備;故障探測;超聲波;定位技術;超聲波定位儀

引言

電力系統是由電能的產生、變換、傳送、分配和消費的各種設備，按照一定的需求組成的有機系統的總稱，也是大型機電系統的重要組成部分，電力系統的穩定可靠運行對機電系統的安全運行十分重要。電力系統故障診斷是電力系統設計，電力系統與機電系統保護等的重要研究內容。電力系統故障診斷中的智能化技術主要包括電力系統仿真，先進故障診斷算法，先進故障診斷設備等技術。電力系統仿真的目的是在電力系統相關環節中設置相應信息并對系統進行控制，便于測量、調節、控制、保護、調度電能以及保證用電系統的安全運行。目前針對電力系統故障診斷的算法包括遺傳進化算法、模糊自適應算法、差分進化算分、專家系統、神經網絡算法等，這些算法需要相關故障數據，數據可以通過仿真或實驗獲得。擁有了相關數據，即可通過微控制器，將這些算法及數據集成到診斷設備中。

1電力系統故障成因

電力系統主要由電源、變電所、輸電線路與用戶荷載組成，受用戶端供電節點的分布影響電源點之間通過電源的二次電能交換才可實現跨區域的電能傳輸。電力網絡主要是指輸電線路與變電所之間形成的線路架構，通過智能化設備、信息化技術的融入到電力系統信息管理體系，可令電力網絡實現精準的電力分配以及智能優化配電，保證電力供應區域用電高峰期下可維系正常運作。隨著高新技術與電力系統的深度融合，電力系統架構組成形式也逐漸趨于復雜化，盡管智能化設備的應用可有效提高整體運營質量，但同時也將增大電力網絡的運營故障。特別是近年來數據時代的發展下，令電力系統承接更多的數據信息，一旦數據結構，整體系統造成冗余性影響，將導致系統設備出現一定的故障。從故障影響深度來看，對電力系統運行產生最為嚴重的安全影響問題，即為電力線路的短路故障，引起此類故障的因素較多，例如自然環境的雷擊影響、工作人員誤操作所帶來的影響、設備系統內數據運行錯誤所帶來的影響、電力網絡內機械設備自身故障所帶來的影響，都將造成嚴重的電力供應事故，影響與電力系統相關聯的經濟產業發展。

2超聲波技術在電力系統故障診斷中的應用

2.1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，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。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。

2.2紅外熱像技術

應用于電力系統故障檢測中的技術手段和處理方法層出不窮。用紅外熱像測溫跟蹤缺陷合成絕緣子的狀況及其電氣試驗情況。通過控制容積法對帶有破損的高壓輸電線及電纜建立了物理和數學模型。模型考慮了電線和電纜芯的軸向導熱，更精確地描述了破損程度和溫度響應的關系;得到了無破損以及不同程度破損時電線以及電纜的表面溫度分布規律;提出了通過紅外熱像儀測量表面溫度分布在線檢測與診斷輸電線和電纜破損程度的方法，并針對常用電線電纜進行了具體分析和診斷。理論和實驗研究均證明了紅外在線檢測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、高功率密度設計系統的限制因素。因此，準確評估各部件性能是至關重要的。利用紅外相機測量高壓電力設備半導體元件節點處的溫度時，噴上兩種不同的涂層能夠提供相同的發射率，但氮化硼涂層較黑色噴漆涂層易從設備表面去除，且氮化硼能夠提供更精確的測量結果。等利用紅外熱成像技術實時監測電力系統故障，提出一種適用于任意情況下異常檢測的系統。即可根據熱特征確定故障類型并驅動相應的操作模式;可對組件老化和退化做出系統調度維護，是一種自動化性能較強的監測系統。并且，該系統還適用于環境惡劣、有毒物質等的檢測。

2.3電力系統仿真技術

確切地了解電力系統的靜態和動態特性等信息較困難，有必要對電力系統進行仿真研究。其仿真研究的基本過程是：根據電力系統的物理模型建立其數學模型;建立仿真模型;進行相關試驗和研究;根據仿真結果對系統進行分析。國內外關于電力系統仿真技術的研究有許多，進行了輸電線的仿真模擬研究，提高了輸電線的風災防御能力。認為故障信息包含在線路的故障信號中，為電力系統故障診斷提供了診斷數據和依據。研究了基于深度學習網絡的故障診斷方法。目前關于電力系統仿真的技術軟件有多種，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仿真。Multisim 的電路仿真功能是相對全面的，且能夠與 LabVIEW 進行無縫聯合，能夠很好地解決電子電路設計問題。MATLAB 來源于Cleve Moler 博士及其同事開發的 LINPACK 和 EISPACK 程序包，現已廣泛應用于科學研究、工程應用、系統建模與仿真等。MATLAB Simulink 以窗口和圖形方式進行物理系統建模，可用于連續時間或離散時間的動態系統建模。

結語

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。

參考文獻

[1]韓奇.電力變壓器局部放電超聲波定位方法的仿真研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2015.

[2]盧紅利.超聲波技術在電力系統中的應用[C]//高效清潔安全電力發展與和諧社會建設——吉林省電機工程學會2008年學術年會論文集.吉林：吉林省電機工程學會，2008：689.