殷秀玲 宋劉洋 李陽(yáng)

摘要：目前，我國(guó)的電力行業(yè)的發(fā)展迅速，針對(duì)氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（gasinsulatedswitchgear，GIS）發(fā)生局放時(shí)形成復(fù)雜的聲場(chǎng)效應(yīng)不便対實(shí)物分析問(wèn)題，對(duì)該聲場(chǎng)建立流固耦合分析模型，使用有限元分析法對(duì)GIS內(nèi)部聲源與中心導(dǎo)電桿及外部腔室產(chǎn)生的耦合作用進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備金屬筒壁的聲壓分布及傳播特點(diǎn)有效分析。通過(guò)分析得到多個(gè)氣室聲波傳播的規(guī)律，相較于單一氣室，聲波經(jīng)過(guò)氣室間的法蘭時(shí)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(diǎn)。同時(shí)由于氣室外部聲壓較小，為避免信號(hào)失真需對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行放大處理。該仿真為超聲波傳感器檢測(cè)GIS局放提供了理論指導(dǎo)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高壓組合電器;開(kāi)關(guān)放電;聲壓仿真分析

引言

1000kV氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備安裝是特高壓交流變電站中一種典型的戶外連續(xù)性設(shè)備安裝工況。1000kVGIS組合電器的安裝涉及的設(shè)備單元多、占地面積大、安裝周期長(zhǎng)，而且安裝過(guò)程中受外界環(huán)境因素的影響很大，因此在安裝過(guò)程中設(shè)備安裝質(zhì)量極難控制。GIS組合電器的故障多發(fā)生在新安裝投運(yùn)1年內(nèi)，通常情況下GIS設(shè)備第1年運(yùn)行時(shí)，故障率是0.53次/間隔，第2年運(yùn)行期間的故障率則下降到0.06次/間隔，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)故障率趨于平穩(wěn)。針對(duì)故障原因分析可以得出，源于制造廠、安裝施工、設(shè)計(jì)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(jí)的設(shè)備出現(xiàn)故障的概率更大、影響更為嚴(yán)重，由此可見(jiàn)，特高壓GIS的安裝質(zhì)量控制是確保設(shè)備投運(yùn)的關(guān)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(xué)換能器，對(duì)土木工程的鋼筋混凝土位移程度、變壓器固有頻率振動(dòng)特性、各種應(yīng)力與流體耦合系統(tǒng)等，擁有強(qiáng)大的前后處理功能，具有簡(jiǎn)單的求解耦合系統(tǒng)的方法。為了了解聲波在GIS傳播特點(diǎn)，更好地制定出檢測(cè)超聲信號(hào)的方案，本文采用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)GIS流固耦合場(chǎng)進(jìn)行求解分析。通過(guò)建立物理模型，模擬出理想化GIS設(shè)備金屬筒壁的單頻率聲壓分布圖及設(shè)置點(diǎn)隨頻率變化的聲壓圖，分析聲波的傳播規(guī)律。根據(jù)實(shí)際采集GIS設(shè)備內(nèi)部閃絡(luò)放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)頻率，設(shè)置GIS流固耦合場(chǎng)中的放電聲源頻率范圍在20～80kHz之間，采用有限元方法來(lái)求解聲振耦合場(chǎng)完全滿足需求，且經(jīng)過(guò)對(duì)比網(wǎng)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(wǎng)格劃分法。

1.2聲場(chǎng)流體離散化有限元方程

依據(jù)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(guò)程在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，在分析流固耦合場(chǎng)之前要對(duì)GIS內(nèi)部介質(zhì)、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(zhì)是不會(huì)產(chǎn)生熱損耗的理想的氣體介質(zhì);②發(fā)生放電之前GIS氣室內(nèi)部不存在聲學(xué)信號(hào)，因此媒介是不流動(dòng)的;③發(fā)生放電產(chǎn)生振動(dòng)聲波信號(hào)后，GIS氣室內(nèi)的絕緣介質(zhì)不會(huì)與外界進(jìn)行熱交換，也就是在仿真過(guò)程中不考慮溫度對(duì)聲振耦合系統(tǒng)的影響?；谶@些理想化條件，在流固耦合場(chǎng)中需要考慮聲場(chǎng)流體方程、離散化無(wú)損耗聲波方程、離散化聲場(chǎng)吸收方程及離散化流固耦合方程。

2高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電監(jiān)測(cè)技術(shù)手段

在高壓開(kāi)關(guān)柜的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生的絕緣缺陷問(wèn)題，會(huì)造成某一點(diǎn)形成過(guò)電流，從而造成該點(diǎn)的局部放電現(xiàn)象。隨著放電時(shí)長(zhǎng)的增加，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)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(xiàn)象信息，在物理環(huán)境變化過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)，因此通過(guò)對(duì)這部分放電信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在一定程度上對(duì)當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境下的高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)做出判斷。監(jiān)測(cè)技術(shù)主要面對(duì)的事實(shí)上應(yīng)當(dāng)是發(fā)生絕緣變化以及局部放電問(wèn)題后開(kāi)關(guān)柜自身的放電物理參量，這部分物理參量與常態(tài)參量之間差距大，因此可以通過(guò)監(jiān)測(cè)的方式獲取。在應(yīng)用環(huán)境中的技術(shù)條件內(nèi)部，需要結(jié)合測(cè)算方式，對(duì)放電信號(hào)的具體規(guī)模、放電位置、放電影響范圍等做出精確判斷。結(jié)合監(jiān)測(cè)物理量不同，目前應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)監(jiān)測(cè)的局部放電監(jiān)測(cè)技術(shù)主要為以下幾種。脈沖電流檢測(cè)法在進(jìn)行放電信號(hào)測(cè)量時(shí)，可以對(duì)部分頻率極低的信號(hào)進(jìn)行測(cè)算并放大，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)范圍的拓寬，但該技術(shù)僅能夠應(yīng)用在離線檢測(cè)當(dāng)中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè);紅外檢測(cè)法是通過(guò)紅外線技術(shù)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)裝置外部的電信號(hào)規(guī)律進(jìn)行獲取，通過(guò)紅外線的反饋，實(shí)現(xiàn)放電覆蓋范圍的測(cè)算，但是由于紅外線穿透能力不足，無(wú)法應(yīng)用在開(kāi)關(guān)柜裝置內(nèi)部，因此效果并不理想;化學(xué)檢測(cè)法主要通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生規(guī)律進(jìn)行分辨，是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中檢測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度最高的技術(shù)手段，但是由于化學(xué)測(cè)算和分析過(guò)程還需要依賴人工，因此缺少時(shí)效性和動(dòng)態(tài)性;UHF法則是借助傳感器裝備，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜中的電信號(hào)進(jìn)行獲取，并由上位機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解讀和分析，從而做出實(shí)時(shí)的精確判斷。但是傳感器硬件成本較高，同時(shí)安裝困難、安裝位置限制明顯，對(duì)于技術(shù)條件和環(huán)境條件要求較高。

3安裝質(zhì)量管控措施

為適應(yīng)特高壓變電站工程建設(shè)管理要求，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)車間式管理平臺(tái)、安裝質(zhì)量管控記錄卡、安裝全過(guò)程視頻監(jiān)控記錄等措施逐一進(jìn)行落實(shí)。車間式管理平臺(tái)原為工業(yè)車間中制定生產(chǎn)任務(wù)、工序計(jì)劃、生產(chǎn)檢驗(yàn)到產(chǎn)品入庫(kù)全過(guò)程監(jiān)督與控制的系統(tǒng)。通過(guò)學(xué)習(xí)借鑒這種管理模式，在GIS安裝現(xiàn)場(chǎng)搭建管理平臺(tái)，將技術(shù)、安全、質(zhì)量專職責(zé)任人的生產(chǎn)任務(wù)派發(fā)、巡視檢查記錄從辦公室轉(zhuǎn)移至現(xiàn)場(chǎng)的管理模式，提高管理力度，同時(shí)提供了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)面的監(jiān)督依據(jù)?！蹲冸娬局饕姎庠O(shè)備安裝質(zhì)量工藝關(guān)鍵環(huán)節(jié)管控記錄卡》是國(guó)家電網(wǎng)公司基建部2015年通知應(yīng)用的，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)管控卡進(jìn)行應(yīng)用。突出關(guān)鍵即突出關(guān)鍵設(shè)備安裝環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，突出重點(diǎn)即對(duì)安裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的重點(diǎn)問(wèn)題突出解決，突出責(zé)任即突出設(shè)備建設(shè)監(jiān)理運(yùn)行單位的責(zé)任劃分，突出數(shù)據(jù)即把每日記錄的環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)描述。根據(jù)安裝流程逐項(xiàng)明確關(guān)鍵工作內(nèi)容、工作的要求以及標(biāo)準(zhǔn)，在安裝的進(jìn)程中將每一項(xiàng)工作的具體進(jìn)展以及實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，伴隨著每項(xiàng)工作的完成，工作負(fù)責(zé)人實(shí)時(shí)簽字，以加強(qiáng)安裝過(guò)程質(zhì)量管控、督促責(zé)任落實(shí)。安裝全過(guò)程視頻監(jiān)控記錄是通過(guò)在安裝過(guò)程的視角部位布置高清攝像頭，24h進(jìn)行監(jiān)控，加大現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的管控力度，同時(shí)也為安裝問(wèn)題查究提供依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)GIS氣室工作單元結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部發(fā)生局部放電產(chǎn)生聲源的理解，通過(guò)構(gòu)建其流固耦合物理分析模型，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)多個(gè)GIS氣室工作單元結(jié)構(gòu)由于發(fā)生放電而引起的聲輻射場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算及仿真。通過(guò)分析GIS設(shè)備金屬筒壁的聲壓分布以及設(shè)置點(diǎn)隨頻率變化的聲壓圖，得出聲波在氣室內(nèi)外及筒壁上的傳播規(guī)律，以及在傳到相鄰氣室時(shí)能量劇烈衰減和經(jīng)過(guò)法蘭時(shí)能量的疊加特性，為超聲檢測(cè)GIS內(nèi)部放電提供了理論基礎(chǔ)。從這些仿真結(jié)果可以看出，采用平均最大強(qiáng)度來(lái)判斷故障點(diǎn)這一測(cè)試方案會(huì)產(chǎn)生誤判。實(shí)際上有時(shí)候非閃絡(luò)放電的GIS氣室中某些部位的聲壓值較大，所以采用最大強(qiáng)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(chǔ)，可以根據(jù)信號(hào)具有延遲的特點(diǎn)，將檢測(cè)方案設(shè)定為當(dāng)發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，取時(shí)間最短的節(jié)點(diǎn)為故障點(diǎn)，這樣做更加合理。

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