基于超声波法的多通道开关设备交流耐压试验局放故障定位系统的研究与应用

甘露,郭小凯,关劲涛,董春雷

(1.广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000； 2.广州科岚泰电力科技有限公司,广东 广州 510000)

基于超声波法的多通道开关设备交流耐压试验局放故障定位系统的研究与应用

甘露1,郭小凯1,关劲涛2,董春雷2

(1.广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000； 2.广州科岚泰电力科技有限公司,广东 广州 510000)

本文主要介绍多通道超声波法的开关设备交流耐压试验局放故障定位系统的检测原理及在GIS组合开关设备耐压试验中的应用。

开关设备；耐压；局部放电；超声

1 引言

GIS设备在制造和装配过程中其内部仍有可能会留下各种微小缺陷，如：固定突起、盆式绝缘子上粘附金属粉末等，且在常规实验中很难被发现,一旦投运即可发展成危险的放电通道并引起放电击穿，击穿瞬间完成，为查找故障气室，传统方法常采用多次变换GIS接线方式并在该接线方式下进行耐压试验的方法，该做法工作量大，且对其他无故障气室的绝缘系统也极为不利，甚至会造成伤害，且放电点的定位仍旧依靠人工现场的听力判断，对人员现场经验要求高、误差大、耗时长，往往还要重复加压查找故障点，这样又导致工期延误，又给设备带来了其他隐患。基于超声波多通道的开关设备交流耐压试验局放故障定位系统通过多个超声通道，布置在高压开关设备上，能够有效获取GIS交流耐压试验放电故障信号，并能准确定位放电气室。对正确评估GIS设备的绝缘状态，确保电力系统安全运行有着十分重要的意义。

2 系统组成

开关设备交流耐压试验局放故障定位系统由超声传感器、特高频传感器、信号调理器、信号处理服务器等部件组成。系统采用超声检测方法测试GIS内部的放电故障信号。该系统结构紧凑，携带检测方便，各部件之间采用无线通信，免去电源接线的麻烦，工作效率高，同时具有较高的灵敏度和信噪比，可对现场GIS设备交流耐压试验进行有效的故障定位。

开关设备交流耐压试验放电故障定位系统用于开关设备交流耐压试验，通过网络通信采集耐压试验过程中的数据，监测是否有绝缘击穿放电出现，并为放电故障定位提供诊断。整套系统多个信号调理器及采集通道，需要满足和实现多个通道之间数据采样的一致性。调理器通过无线信号进行同步，使得多个信号调理器之间可以同时触发采样过程，保证多传感器通道数据采集通道的同步性，便于对数据进行比较分析。系统结构如图1所示。

图1 开关设备交流耐压试验放电故障定位系统结构图

3 检测原理

当电力设备内部产生局部放电时，会伴随着爆裂状的声发射，同时产生电磁信号及超声信号，且很快向四周介质传播，通过安装在设备外壁上的特高频传感器和超声波传感器，就能对设备内的局部放电水平进行测量及定位。对于电力设备耐压下产生击穿现象可以理解为更强的放电现象，瞬时所释放的能量更强，但这种现象并不像局放一样持续存在，而是在击穿的瞬间该现象也随之消失。但两种现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 声声时差定位法

超声波在传播过程中，对于不同位置的传感器而言，接收到放电源产生的超声信号的先后时间是不一样的，距离放电源越近的传感器将越先接受到信号。对于两传感器时间差定位是采用不断挪动两个传感器的相对位置，最后使信号源位于两传感器之间，并观察两传感器所接收信号之间的时间差，通过公式(1)计算局部放电源的位置。对于多传感器的时间差定定位是在两传感器的基础上增加了更多的传感器在放电源的附近，通过各传感器之间接收信号的先后顺序分析信号位于哪两个传感器之间，最后仍然通过公式(1)得出放电源的位置。

图2

设放电点离传感器1距离为X，速度为v，时差t2-t1可通过示波器得出，则：

(1)

通过该公式可以得出X的位置。

3.2 声电时差定位法

声电时差定位法主要是利用放电时产生的电信号作为零点，将超声信号与电信号之间的时间差作为判断超声传感器与放电源之间远近的依据，通过不断的移动超声传感器就可以找到放电源所在位置。在具有多个超声传感器时，便可以电信号和各个超声波信号之间的时间差作为故障点到各超声波传感器的时间，以等值声速乘以传播时间就得到故障点到达超声波传感器的距离，以此列一组时差和距离的方程求解。在使用这种方法时电信号至少1路，超声波信号至少1路。实际检测中可采用UHF传感器对电信号进行检测。在一定的条件下也可采用HFCT传感器对电信号进行检测。图3所表现的即是超声-特高频时差定的示意图。

图3 声电定位示意图

3.3 幅值比较定位法

由于超声信号随着传播距离的增加衰减很快，因此，可以根据各超声传感器检测的幅值大小来确定局放源的位置。

4 现场应用

2015年1月中旬对220kV拱北变电站220kVGIS间隔进行大修，大修后于2015年2月1日进行投运前的耐压试验，在试验时通过开关设备交流耐压试验击穿故障定位系统检测是否存在绝缘击穿现象并定位击穿位置，耐压试验过程中发生了击穿现象，以下为击穿过程的数据分析。

4.1 第一次击穿测试过程分析

(1)试验过程描述

本次断口耐压试验为珠拱甲线2201间隔A相、2#主变变高2012间隔A相断口耐压(带I母)，145kV15分钟老练过程平稳，电压升至307kV跳闸。

(2)传感器布点位置

本文只描述了能说明击穿点位置的两个相关传感器的放置位置，其余间隔放置传感器的位置并未一一详细说明。174传感器放置在珠拱甲线2201间隔A相如图4所在位置。177传感器放置在I段母线上，该传感器距离珠拱甲线2201间隔C相约1m的距离，如图5所示位置。

图4 传感器布点图1

图5 传感器布点图2

(3)测试数据分析

图6 整个加压过程数据

说明：由图6可知在耐压试验过程中出现了有效的击穿触发告警信号，说明耐压过程发生了击穿现象。

图7 将击穿时刻的数据展开后的波形

说明：由7可知174传感器的信号强于177传感器的信号，说明击穿放电点更靠近174传感器。

图8 将击穿时刻的数据继续展开后的波形

说明：将174和177传感器击穿时刻的数据继续展开后的波形如图8所示，可知174传感器的信号超前于177传感器的信号，利用声声时差定位法计算后判断信号位于174传感器177传感器之间更靠近174传感器，大概在I母绝缘子附近的位置。

4.2 第二次击穿测试过程分析

(1)试验过程描述

本次断口耐压试验为220kV全间隔C相相对地耐压试验(Ⅰ、Ⅱ母均带电)，145kV15分钟老练过程平稳，电压升至306kV跳闸。

(2)传感器布点位置

本文只描述了能说明击穿点位置的一个相关传感器的放置位置，其余间隔放置传感器的位置并未一一详细说明。157传感器放置在琴拱乙线4302间隔C相如图9所示位置。

图9 传感器布点图

(3)测试数据分析

图10 整个加压过程数据

说明：由图10可知在耐压试验过程中出现了有效的击穿触发告警信号，说明耐压过程发生了击穿现象。

图11 将击穿时刻的数据展开后的波形

说明：由图11、图12可知157传感器的信号最强，且信号在整个采集过程一直处于饱和状态，由于超声信号在GIS筒壁传播衰减较大，只有当信号源很靠近传感器时才会有这种波形，说明击穿放电点就在157传感器附近，在查找故障点时则重点关注其附近的盆式绝缘子或其他可疑的结构。

图12 将击穿时刻的数据继续展开后的波形

5 解体验证

2015.02.03～2015.02.05期间对开关设备交流耐压试验放电故障定位系统定位的击穿点位置进行开罐检查后，发现了非常明显的击穿故障点，均为盆式绝缘子发生了贯穿性的击穿放电，具体如下所示。

5.1 第一次击穿点解体

图13 绝缘击穿点1位置照片

图14 绝缘击穿点1解体照片

5.2 第二次击穿点解体

图15 绝缘击穿点2位置照片

图16 绝缘击穿点2解体照片

6 经验及意义

(1)通过应用开关设备交流耐压试验故障定位系统能够真正解决GIS耐压试验下绝缘击穿故障点定位的问题，能够做到有针对性的查找故障点，减小查找故障时间，避免盲目开罐维修，大大提高维修效率；

(2)对于GIS耐压试验下击穿故障点的定位工作，应尽量均匀布置传感器，以减少检测盲区，一个进、出线间隔至少需要2～3个传感器。

(3)由于击穿定位系统所采用的是超声波法，传感器的灵敏度较高，因此，在做耐压试验时现场人员应尽量减少对GIS外壳及附近设备的碰触以避免由于此类振动引起的干扰，避免系统误判。

[1] 王宇坤，汪洋.现场GIS设备串联谐振耐压试验的实用分析[J].安徽电力，2007(12).

[2] 金立军,张明锐,刘卫东.GIS局部放电故障诊断试验研究[J].电工技术学报，2005(11).

[3] 张军民,刘伸展,李环.基于超声波信号检测的GIS击穿放电定位方法研究[J].电工电气(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，助理工程师，主要从事电力设备技术监督工作； 郭小凯(1986-)，河南人，工程师，主要从事电力设备高压试验及绝缘技术监督工作； 关劲涛(1980-)，广东人，助工，长期从事电力高压设备试验工作； 董春雷(1982-)，辽宁人，助工，从事电力设备局部放电等试验仪器开发及试验工作。