陳武奮，劉愛蓮，李英娜，彭慶軍，鄒立峰，李 川

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明650500;2.云南電網(wǎng)公司 博士后工作站，云南 昆明650217;3.云南電網(wǎng)公司 昆明供電局，云南 昆明650011)

0 引 言

電力設備的多數(shù)故障都是絕緣性故障，電應力作用引發(fā)絕緣材料劣化，在機械力、熱和電場的共同作用下，劣化缺陷最終發(fā)展成為絕緣性故障［1～3］。局部放電是導致開關柜絕緣老化和絕緣故障的主要原因，利用超聲波檢測方法對開關柜進行局部放電實時檢測［4～7］，可以全面掌握開關柜的實時運行狀況，并可對之后一段時間內(nèi)的絕緣狀態(tài)進行預測，同時根據(jù)其絕緣狀況采取合適的檢修和維護策略，這對保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行尤為重要［8］。2010 年，石家莊供電公司王培義等人利用超聲波法對開關柜內(nèi)部絕緣缺陷進行了長期的在線監(jiān)測［9］。2013 年，華南理工大學周玲等人利用音頻信號處理技術(shù)與模式識別分類算法，可對采集到的局部放電超聲波信號進行識別分類，從而判斷出哪些設備存在絕緣故障并進行及時的檢修［10］。

根據(jù)楚雄腰站變電站35 kV 開關柜局放監(jiān)測的工程需要，將3 只超聲波傳感器安裝在開關柜與電纜溝接口上，實現(xiàn)對35 kV 開關柜局部放電實時在線監(jiān)測與故障預警。

1 超聲波傳感器檢測局部放電原理

開關柜發(fā)生局部放電時，在放電區(qū)域中，分子間產(chǎn)生劇烈撞擊，宏觀上產(chǎn)生了聲波，頻率大于20 kHz 的稱為超聲波。典型的超聲波傳感器的中心頻率大約在40 kHz 附近，通常固定在開關柜外殼上或開關柜與電纜溝電纜之間的接頭處，利用壓電晶體作為聲電轉(zhuǎn)換元件。當開關柜內(nèi)部發(fā)生放電時，局部放電產(chǎn)生的聲波信號傳遞到開關柜表面，超聲波傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號，通過放大器放大后傳到采集系統(tǒng)。圖1 為超聲波方法檢測開關柜局部放電示意圖。其中，路徑①為超聲信號在空氣中以最短的路徑傳播到柜體內(nèi)壁，再穿過鐵皮到達傳感器;路徑②為超聲波從放電源通過空氣直接傳到傳感器位置，再穿過鐵皮進入傳感器。

圖1 超聲波方法檢測開關柜局部放電示意圖Fig 1 Diagram of switchgear partial discharge detected by ultrasonic wave method

開關柜絕緣介質(zhì)在加工的過程中，由于工藝和材料的缺陷，絕緣體內(nèi)會存在雜質(zhì)或氣隙，形成絕緣介質(zhì)中的缺陷。當外施交變高壓時，絕緣缺陷處將發(fā)生局部的、重復的擊穿。為了分析的方便，將加上高壓以后的電氣設備中的氣隙用等效電容來表示，等效電路如圖2 所示。

圖2 等效電路Fig 2 Equivalent circuit

每一次局部放電都伴有一定數(shù)量的電荷q 通過氣隙，將一次局部放電所產(chǎn)生的帶電質(zhì)點所帶的正(或負)電荷的總和，稱為真實放電量，并且真實放電量將會在介質(zhì)外部電極上產(chǎn)生一定的電壓變化ΔU，放電量Q 與電勢壓關系為

為模擬實際的局部放電情況，實驗的電容、電阻具體參數(shù)分別為:Ca=6 800 pF，Ra=2.2 MΩ，Cb=50 pF，Rb=22 MΩ，Cc=1 000 pF，Rc=2.2 MΩ。將各相關參數(shù)代入上式得

由上式可知，其超聲波信號幅值與放電量呈正比。

2 超聲波傳感器在腰站變電站35kV 開關柜的應用

220 kV 腰站變電站位于楚雄祿豐縣勤豐鎮(zhèn)羊街村北面約2 km 的山丘上，海拔高度1 923 m，占地面積2 2876 m2，于2009 年12 月25 日建成投產(chǎn)，是楚雄祿豐地區(qū)的重要變電站之一，主供電源由500 kV、平變220 kV 和腰I 回線，220 kV 和腰II 回線供電。

根據(jù)楚雄腰站變電站的工程情況和35 kV 開關柜局部放電的監(jiān)測需求，將3 只超聲波傳感器安裝開關柜和電纜溝之間的接頭處進行局部放電的實時監(jiān)控，每只超聲波傳感器通過Modbus 總線連接到各自的無線傳感器網(wǎng)絡(WSNs)基站，通過WSNs 實現(xiàn)無線自組網(wǎng)連接，網(wǎng)關設置在35 kV 高壓室內(nèi)，基站與網(wǎng)關通過2.4 GHz 無線通信協(xié)議連接。網(wǎng)關采用RJ45 以態(tài)網(wǎng)，通過主控室電纜井連接到主機，可以對現(xiàn)場35kV 開關柜的局部放電的變化情況進行實時監(jiān)測。35 kV 開關柜無線超聲波傳感器網(wǎng)絡(WUSNs)拓撲圖如圖3 所示。

圖3 35 kV 開關柜超聲波傳感器拓撲圖Fig 3 Topology of 35 kV switchgear WUSNs

根據(jù)35 kV 開關柜局部放電的監(jiān)測需求在超聲波傳感器選擇上選擇中心頻率40 kHz，采用工業(yè)級高精度超聲探頭，配合高效放大濾波電路，避開變壓器、電抗器、電機等的振動頻段，有效采集局放超聲信號，開關柜超聲波傳感器布設圖如圖3 所示，現(xiàn)場的超聲波傳感器安裝圖如圖4 所示。

圖4 超聲波傳感器現(xiàn)場安裝圖Fig 4 Field installation diagram of ultrasonic wave sensor

3 開關柜局部放電數(shù)據(jù)監(jiān)測

根據(jù)腰站變電站的實際情況選取了1#，2#，3#開關柜局部放電數(shù)值進行數(shù)據(jù)處理和分析，所選取的開關柜局部放電變化時曲圖參見圖5～圖7 所示。

圖5 1#開關柜局部放電變化時序圖Fig 5 Sequence diagram of 1#switchgear partial discharge change

圖6 2#開關柜局部放電變化時序圖Fig 6 Sequence diagram of 2#switchgear partial discharge change

圖7 3#開關柜局部放電變化時序圖Fig 7 Sequence diagram of 3#switchgear partial discharge change

1#開關柜局部放電監(jiān)測半個月內(nèi)，超聲波數(shù)值變化比較平緩，最大值為302.8 mV。

2#開關柜在4 月23 日監(jiān)測過程中出現(xiàn)一個變化較大的躍遷，這是由于在安裝傳感器的過程中，將傳輸信號的天線過于靠近超聲波傳感器，出現(xiàn)了一個干擾源，經(jīng)后期調(diào)整天線的位置后，超聲波傳感器測量值變化平緩。

3#開關柜在5 月6 日檢測過程中，傳感器測量值比較大，接近422 mV，并且有進一步增大的趨勢，應盡快組織復測，密切關注檢測幅值的變化趨勢。

4 結(jié)束語

電力設備的多數(shù)故障都是絕緣性故障，電應力作用引發(fā)絕緣材料劣化，在機械力、熱和電場的共同作用下，劣化缺陷最終發(fā)展成為絕緣性故障，對開關柜的絕緣狀況和發(fā)展趨勢進行在線檢測，就能判斷絕緣內(nèi)部是否存在局部缺陷故障。局部放電現(xiàn)象的發(fā)生會伴隨聲的物理變化過程，基于超聲波的開關柜局部放電在線檢測已被應用作為電力相關部門檢測和診斷開關柜絕緣狀況的重要手段，通過對超聲波傳感器在腰站變電站35 kV 開關柜的布設技術(shù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:超聲波傳感器數(shù)值范圍為204 ～422 mV。數(shù)據(jù)的曲線走勢一定程度上反映開關柜局部放電的變化，為進一步的電力故障預報提供了有效的支持。

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