高壓開關柜局部放電超聲波信號傳播特性

查堅卿，郭磊，邵宣，唐曉健，張詩堯

（國網上海市電力公司金山供電公司，上海 200540）

0 前言

高壓開關柜廣泛應用于電力系統(tǒng)中。作為電力系統(tǒng)配電網絡的重要基礎單元，其主要作用為接收電能和分配電能，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，入網運行的開關柜數(shù)量不斷增加，成為使用極廣、數(shù)量最多的開關設備，高壓開關柜的安全運行對于整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定至關重要。由于開關柜本身可能存在生產過程導致的缺陷，同時其運行過程中需要持續(xù)耐受電、熱等多方面因素的影響，因此開關柜在長期的運行過程中會不可避免地出現(xiàn)一定的絕緣劣化現(xiàn)象。在開關柜的故障中，絕緣故障是最主要的故障，根據(jù)統(tǒng)計，絕緣故障所造成的開關柜事故占到了79%[1]。在出現(xiàn)故障前后，電氣設備存在多種特征信息，如聲、光、電、熱、氣等，基于不同的特征信息，超聲波局放檢測、紅外熱像檢測、特高頻局部放電檢測等多種帶電檢測技術得以出現(xiàn)[2]。雖然在局部放電檢測技術中，各種檢測方式都有其優(yōu)勢，但是也都存在著其明顯的局限性，因此只依靠單一的檢測方式，很難保證檢測結果的可靠準確性，尤其是在具體實踐中，局放源精確定位問題仍不能足夠準確，很多時候僅能夠粗略地判斷出局部放電源位于傳感器的左右方向[3]。實際應用證明，聲電聯(lián)合檢測法對常見的局部放電類型都適用，通過幅值、相位特征可判斷放電類型；利用放電信號時差法可定位放電源，有助于提高局部放電的檢測效率和準確性[4]。

1 開關柜超聲信號傳播特性

在聲電聯(lián)合檢測定位中，通常使用時延法進行定位，延時定位就是通過在待測設備的不同位置布置多個聲傳感器，利用聲音到達不同傳感器的時差乘以波速等于傳感器與距離聲源坐標距離之差的原理，求得聲源的三維坐標[5]。由于電磁波的速度遠遠大于聲波的傳播速度，因此以電信號接收到信號的時間作為時間基準，在本文中以TEV 信號作為基準，根據(jù)時域信號測出超聲信號的相對時延，根據(jù)式（1）可計算得出放電源與傳感器測量點位之間的距離：

式中：v為超聲信號在介質中的傳播速度；Δt為超聲信號與電信號的時延。

2 開關柜局部放電聲波傳播有限元仿真分析

為了更加準確地定位開關柜內的局部放電，本文使用COMSOL 對超聲信號在開關柜內的傳播特性進行有限元仿真分析。開關柜母線室近似為一長0.7 m、寬0.6 m、高1.1 m 的立方體結構，內部有3 根銅制高壓母排，外殼材料為不銹鋼，空氣聲速設置為340 m/s。將脈沖源坐標設為(0.2,0.2,0.45)，與開關柜局部放電試驗中缺陷位置對應。開關柜母線室三維模型和網格劃分如圖1 所示。局部放電聲源為一點聲源，以球面波的形式向周圍傳播，超聲信號為振蕩衰減信號，模擬聲源公式為：

圖1 開關柜有限元仿真模型

式中：A為信號幅值，t0為信號起始時間，τ為衰減常數(shù)，f為信號頻率。

設 置 仿 真 參 數(shù)A=1，t0=0，τ=20 μs，f=40 kHz，仿真步長為0.2 μs，時間為4 ms。仿真得到0.5～3 ms 內開關柜外殼上的聲壓變化如圖2 所示。

圖2 開關柜表面聲壓分布

根據(jù)結果可以看出，在開關柜表面，超聲信號的傳播以信號源與表面的垂直點為圓心，以環(huán)形向周圍擴散，隨著時間增加，超聲的傳播范圍逐漸增加，聲壓逐漸衰減，符合超聲信號在空間中以球面波向四周擴散并衰減的特性。根據(jù)t=1 ms 時的聲壓分布可以看出在這一時刻表面上的超聲信號為一個環(huán)形波與兩個由邊界產生的環(huán)形波的疊加，證明超聲信號已經到達YZ平面和XZ平面上并且在此平面上產生了折反射，同理在t=2 ms 時可以看出超聲信號在x=0.4 的YZ平面上產生的折反射。在超聲波折反射的疊加區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)其聲壓分布不再均勻，靠近邊緣的位置由于聲波的疊加而尤其明顯，因此在利用融合傳感器進行聲電聯(lián)合局部放電定位時，傳感器的布置位置應當適當遠離開關柜的邊緣。

3 開關柜內超聲信號衰減實驗測量

為了研究超聲信號在開關柜內的衰減過程對融合傳感器超聲測量的影響，在開關柜表面以信號源垂直位置為中心，每隔5 cm 設置一個測量點，測量信號源在該位置產生的最大聲壓。開關柜表面的測量點布置和超聲信號聲壓與測量點橫向距離的關系如圖3 所示。

圖3 開關柜表面超聲信號衰減特性

根據(jù)結果可知，從與信號源垂直的表面開始至橫向距離70 cm 處的測量點，距離越遠超聲信號下降速度越慢，0～70 cm 聲壓下降0.9 Pa，衰減程度為11.05 dB，近似呈指數(shù)下降，短距離的吸收衰減較小，主要存在的衰減形式為擴散衰減。其中超聲信號隨距離發(fā)生變化，尤其是在距離大于50 cm 時呈現(xiàn)出一定的振蕩現(xiàn)象，此結果出現(xiàn)的原因為開關柜內壁對超聲信號的折反射，導致在某些位置產生了反射波與初始聲波的疊加或抵消。超聲信號的衰減使超聲傳感器的檢測范圍較小，但是為排除外部干擾和聲電聯(lián)合檢測定位提供了便利，應用此特點，當測量到開關柜內產生的局部放電超聲信號時，可以確定局部放電產生于此氣室內部。

4 結束語

本研究使用了有限元仿真工具COMSOL，以模擬開關柜內超聲信號的傳播。仿真結果顯示，超聲信號在開關柜內以球面波的形式傳播，并隨時間增加而擴散和衰減。在距離超聲信號源較遠的位置，聲壓下降速度較慢，但近距離存在振蕩現(xiàn)象。這些特性對聲電聯(lián)合局部放電定位提供了有價值的信息，但也需要注意傳感器的布置位置，避免邊緣干擾。 進一步實驗表明：聲電聯(lián)合檢測法是一種有效的局部放電檢測和定位方法，通過聯(lián)合超聲和電信號的檢測，可以提高檢測效率和準確性。通過仿真和實驗，驗證了超聲信號的傳播特性和衰減過程，這有助于更好地理解局部放電信號的傳播和定位。

此外，可以進一步優(yōu)化聲電聯(lián)合檢測方法，提高其在開關柜局部放電檢測中的應用性能，還可以探索更多的參數(shù)和信號處理方法，以提高定位的準確性和穩(wěn)定性。