高壓組合電器開關放電聲壓仿真分析

殷秀玲 宋劉洋 李陽

摘要：目前，我國的電力行業的發展迅速，針對氣體絕緣金屬封閉開關設備（gasinsulatedswitchgear，GIS）發生局放時形成復雜的聲場效應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內部聲源與中心導電桿及外部腔室產生的耦合作用進行計算，實現對GIS設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律，相較于單一氣室，聲波經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。

關鍵詞：高壓組合電器;開關放電;聲壓仿真分析

引言

1000kV氣體絕緣金屬封閉開關設備安裝是特高壓交流變電站中一種典型的戶外連續性設備安裝工況。1000kVGIS組合電器的安裝涉及的設備單元多、占地面積大、安裝周期長，而且安裝過程中受外界環境因素的影響很大，因此在安裝過程中設備安裝質量極難控制。GIS組合電器的故障多發生在新安裝投運1年內，通常情況下GIS設備第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。針對故障原因分析可以得出，源于制造廠、安裝施工、設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備出現故障的概率更大、影響更為嚴重，由此可見，特高壓GIS的安裝質量控制是確保設備投運的關鍵性因素。

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、各種應力與流體耦合系統等，擁有強大的前后處理功能，具有簡單的求解耦合系統的方法。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設備金屬筒壁的單頻率聲壓分布圖及設置點隨頻率變化的聲壓圖，分析聲波的傳播規律。根據實際采集GIS設備內部閃絡放電產生的超聲波信號頻率，設置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，且經過對比網格劃分金屬圓筒及空氣球體的效果要比使用邊界法好，所以本仿真采用網格劃分法。

1.2聲場流體離散化有限元方程

依據聲波在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內部介質、聲波及溫度等做一些理想化條件約束：①空氣和SF6絕緣介質是不會產生熱損耗的理想的氣體介質;②發生放電之前GIS氣室內部不存在聲學信號，因此媒介是不流動的;③發生放電產生振動聲波信號后，GIS氣室內的絕緣介質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的影響。基于這些理想化條件，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高壓開關柜局部放電監測技術手段

在高壓開關柜的實際運行過程中，由于開關柜內部發生的絕緣缺陷問題，會造成某一點形成過電流，從而造成該點的局部放電現象。隨著放電時長的增加，開關柜內部還會產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象信息，在物理環境變化過程中表現出來，因此通過對這部分放電信息進行監測，在一定程度上對當前運行環境下的高壓開關柜運行狀態做出判斷。監測技術主要面對的事實上應當是發生絕緣變化以及局部放電問題后開關柜自身的放電物理參量，這部分物理參量與常態參量之間差距大，因此可以通過監測的方式獲取。在應用環境中的技術條件內部，需要結合測算方式，對放電信號的具體規模、放電位置、放電影響范圍等做出精確判斷。結合監測物理量不同，目前應用于高壓開關柜狀態監測的局部放電監測技術主要為以下幾種。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，從而實現檢測范圍的拓寬，但該技術僅能夠應用在離線檢測當中，無法實現在線監測;紅外檢測法是通過紅外線技術對高壓開關裝置外部的電信號規律進行獲取，通過紅外線的反饋，實現放電覆蓋范圍的測算，但是由于紅外線穿透能力不足，無法應用在開關柜裝置內部，因此效果并不理想;化學檢測法主要通過對開關柜內部的化學現象發生規律進行分辨，是在線監測技術中檢測數據精準度最高的技術手段，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性;UHF法則是借助傳感器裝備，對高壓開關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，對于技術條件和環境條件要求較高。

3安裝質量管控措施

為適應特高壓變電站工程建設管理要求，現場通過車間式管理平臺、安裝質量管控記錄卡、安裝全過程視頻監控記錄等措施逐一進行落實。車間式管理平臺原為工業車間中制定生產任務、工序計劃、生產檢驗到產品入庫全過程監督與控制的系統。通過學習借鑒這種管理模式，在GIS安裝現場搭建管理平臺，將技術、安全、質量專職責任人的生產任務派發、巡視檢查記錄從辦公室轉移至現場的管理模式，提高管理力度，同時提供了現場作業面的監督依據。《變電站主要電氣設備安裝質量工藝關鍵環節管控記錄卡》是國家電網公司基建部2015年通知應用的，現場通過管控卡進行應用。突出關鍵即突出關鍵設備安裝環節的質量把控，突出重點即對安裝過程中發現的重點問題突出解決，突出責任即突出設備建設監理運行單位的責任劃分，突出數據即把每日記錄的環境指標數據進行詳細描述。根據安裝流程逐項明確關鍵工作內容、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據進行詳細記錄，伴隨著每項工作的完成，工作負責人實時簽字，以加強安裝過程質量管控、督促責任落實。安裝全過程視頻監控記錄是通過在安裝過程的視角部位布置高清攝像頭，24h進行監控，加大現場作業的管控力度，同時也為安裝問題查究提供依據。

結語

基于對GIS氣室工作單元結構及其內部發生局部放電產生聲源的理解，通過構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氣室工作單元結構由于發生放電而引起的聲輻射場進行了數值計算及仿真。通過分析GIS設備金屬筒壁的聲壓分布以及設置點隨頻率變化的聲壓圖，得出聲波在氣室內外及筒壁上的傳播規律，以及在傳到相鄰氣室時能量劇烈衰減和經過法蘭時能量的疊加特性，為超聲檢測GIS內部放電提供了理論基礎。從這些仿真結果可以看出，采用平均最大強度來判斷故障點這一測試方案會產生誤判。實際上有時候非閃絡放電的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，可以根據信號具有延遲的特點，將檢測方案設定為當發生閃絡時，取時間最短的節點為故障點，這樣做更加合理。

參考文獻

[1]鄭昌江，雷勇，王鵬等.重復短脈沖上升時間對變頻電機絕緣局部放電統計特性的影響[J].絕緣材料，2018，51（10）：50-56.

[2]鄭家建.高壓開關柜停電檢修試驗與帶電檢測試驗的對比初探[J].科技創新與應用，2018（29）：62-63.

[3]金天一，魏本剛，任曉明.基于混合放電模型的變壓器內部放電聯合檢測方法研究[J].電測與儀表，2018，55（18）：102-108.