查堅(jiān)卿，郭磊，邵宣，唐曉健，張?jiān)妶?/p>

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司金山供電公司，上海 200540）

0 前言

高壓開(kāi)關(guān)柜廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。作為電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)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(wǎng)運(yùn)行的開(kāi)關(guān)柜數(shù)量不斷增加，成為使用極廣、數(shù)量最多的開(kāi)關(guān)設(shè)備，高壓開(kāi)關(guān)柜的安全運(yùn)行對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。由于開(kāi)關(guān)柜本身可能存在生產(chǎn)過(guò)程導(dǎo)致的缺陷，同時(shí)其運(yùn)行過(guò)程中需要持續(xù)耐受電、熱等多方面因素的影響，因此開(kāi)關(guān)柜在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)一定的絕緣劣化現(xiàn)象。在開(kāi)關(guān)柜的故障中，絕緣故障是最主要的故障，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，絕緣故障所造成的開(kāi)關(guān)柜事故占到了79%[1]。在出現(xiàn)故障前后，電氣設(shè)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(cè)、紅外熱像檢測(cè)、特高頻局部放電檢測(cè)等多種帶電檢測(cè)技術(shù)得以出現(xiàn)[2]。雖然在局部放電檢測(cè)技術(shù)中，各種檢測(cè)方式都有其優(yōu)勢(shì)，但是也都存在著其明顯的局限性，因此只依靠單一的檢測(cè)方式，很難保證檢測(cè)結(jié)果的可靠準(zhǔn)確性，尤其是在具體實(shí)踐中，局放源精確定位問(wèn)題仍不能足夠準(zhǔn)確，很多時(shí)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(shí)際應(yīng)用證明，聲電聯(lián)合檢測(cè)法對(duì)常見(jiàn)的局部放電類型都適用，通過(guò)幅值、相位特征可判斷放電類型；利用放電信號(hào)時(shí)差法可定位放電源，有助于提高局部放電的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性[4]。

1 開(kāi)關(guān)柜超聲信號(hào)傳播特性

在聲電聯(lián)合檢測(cè)定位中，通常使用時(shí)延法進(jìn)行定位，延時(shí)定位就是通過(guò)在待測(cè)設(shè)備的不同位置布置多個(gè)聲傳感器，利用聲音到達(dá)不同傳感器的時(shí)差乘以波速等于傳感器與距離聲源坐標(biāo)距離之差的原理，求得聲源的三維坐標(biāo)[5]。由于電磁波的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲波的傳播速度，因此以電信號(hào)接收到信號(hào)的時(shí)間作為時(shí)間基準(zhǔn)，在本文中以TEV 信號(hào)作為基準(zhǔn)，根據(jù)時(shí)域信號(hào)測(cè)出超聲信號(hào)的相對(duì)時(shí)延，根據(jù)式（1）可計(jì)算得出放電源與傳感器測(cè)量點(diǎn)位之間的距離：

式中：v為超聲信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度；Δt為超聲信號(hào)與電信號(hào)的時(shí)延。

2 開(kāi)關(guān)柜局部放電聲波傳播有限元仿真分析

為了更加準(zhǔn)確地定位開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的局部放電，本文使用COMSOL 對(duì)超聲信號(hào)在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的傳播特性進(jìn)行有限元仿真分析。開(kāi)關(guān)柜母線室近似為一長(zhǎng)0.7 m、寬0.6 m、高1.1 m 的立方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有3 根銅制高壓母排，外殼材料為不銹鋼，空氣聲速設(shè)置為340 m/s。將脈沖源坐標(biāo)設(shè)為(0.2,0.2,0.45)，與開(kāi)關(guān)柜局部放電試驗(yàn)中缺陷位置對(duì)應(yīng)。開(kāi)關(guān)柜母線室三維模型和網(wǎng)格劃分如圖1 所示。局部放電聲源為一點(diǎn)聲源，以球面波的形式向周圍傳播，超聲信號(hào)為振蕩衰減信號(hào)，模擬聲源公式為：

圖1 開(kāi)關(guān)柜有限元仿真模型

式中：A為信號(hào)幅值，t0為信號(hào)起始時(shí)間，τ為衰減常數(shù)，f為信號(hào)頻率。

設(shè) 置 仿 真 參 數(shù)A=1，t0=0，τ=20 μs，f=40 kHz，仿真步長(zhǎng)為0.2 μs，時(shí)間為4 ms。仿真得到0.5～3 ms 內(nèi)開(kāi)關(guān)柜外殼上的聲壓變化如圖2 所示。

圖2 開(kāi)關(guān)柜表面聲壓分布

根據(jù)結(jié)果可以看出，在開(kāi)關(guān)柜表面，超聲信號(hào)的傳播以信號(hào)源與表面的垂直點(diǎn)為圓心，以環(huán)形向周圍擴(kuò)散，隨著時(shí)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(hào)在空間中以球面波向四周擴(kuò)散并衰減的特性。根據(jù)t=1 ms 時(shí)的聲壓分布可以看出在這一時(shí)刻表面上的超聲信號(hào)為一個(gè)環(huán)形波與兩個(gè)由邊界產(chǎn)生的環(huán)形波的疊加，證明超聲信號(hào)已經(jīng)到達(dá)YZ平面和XZ平面上并且在此平面上產(chǎn)生了折反射，同理在t=2 ms 時(shí)可以看出超聲信號(hào)在x=0.4 的YZ平面上產(chǎn)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(jìn)行聲電聯(lián)合局部放電定位時(shí)，傳感器的布置位置應(yīng)當(dāng)適當(dāng)遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)柜的邊緣。

3 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)超聲信號(hào)衰減實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為了研究超聲信號(hào)在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的衰減過(guò)程對(duì)融合傳感器超聲測(cè)量的影響，在開(kāi)關(guān)柜表面以信號(hào)源垂直位置為中心，每隔5 cm 設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量信號(hào)源在該位置產(chǎn)生的最大聲壓。開(kāi)關(guān)柜表面的測(cè)量點(diǎn)布置和超聲信號(hào)聲壓與測(cè)量點(diǎn)橫向距離的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 開(kāi)關(guān)柜表面超聲信號(hào)衰減特性

根據(jù)結(jié)果可知，從與信號(hào)源垂直的表面開(kāi)始至橫向距離70 cm 處的測(cè)量點(diǎn)，距離越遠(yuǎn)超聲信號(hào)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(kuò)散衰減。其中超聲信號(hào)隨距離發(fā)生變化，尤其是在距離大于50 cm 時(shí)呈現(xiàn)出一定的振蕩現(xiàn)象，此結(jié)果出現(xiàn)的原因?yàn)殚_(kāi)關(guān)柜內(nèi)壁對(duì)超聲信號(hào)的折反射，導(dǎo)致在某些位置產(chǎn)生了反射波與初始聲波的疊加或抵消。超聲信號(hào)的衰減使超聲傳感器的檢測(cè)范圍較小，但是為排除外部干擾和聲電聯(lián)合檢測(cè)定位提供了便利，應(yīng)用此特點(diǎn)，當(dāng)測(cè)量到開(kāi)關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生的局部放電超聲信號(hào)時(shí)，可以確定局部放電產(chǎn)生于此氣室內(nèi)部。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究使用了有限元仿真工具COMSOL，以模擬開(kāi)關(guān)柜內(nèi)超聲信號(hào)的傳播。仿真結(jié)果顯示，超聲信號(hào)在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)以球面波的形式傳播，并隨時(shí)間增加而擴(kuò)散和衰減。在距離超聲信號(hào)源較遠(yuǎn)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(duì)聲電聯(lián)合局部放電定位提供了有價(jià)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(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明：聲電聯(lián)合檢測(cè)法是一種有效的局部放電檢測(cè)和定位方法，通過(guò)聯(lián)合超聲和電信號(hào)的檢測(cè)，可以提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲信號(hào)的傳播特性和衰減過(guò)程，這有助于更好地理解局部放電信號(hào)的傳播和定位。

此外，可以進(jìn)一步優(yōu)化聲電聯(lián)合檢測(cè)方法，提高其在開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)中的應(yīng)用性能，還可以探索更多的參數(shù)和信號(hào)處理方法，以提高定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。