超聲波技術(shù)在電力系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

中國(guó)石油集團(tuán)電能有限公司電力技術(shù)服務(wù)公司

目前，電力設(shè)備的絕緣監(jiān)督主要是采用預(yù)防性試驗(yàn)來進(jìn)行，在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)對(duì)電力設(shè)備分布性缺陷[1]監(jiān)測(cè)效果較好，如絕緣受潮、絕緣電阻下降、介質(zhì)老化、介質(zhì)損耗增大，而對(duì)缺陷范圍比較小但危害比較大的集中缺陷[1]效果不理想，如電容器內(nèi)部串并聯(lián)部分小電容斷線、瓷質(zhì)開裂、絕緣部分受潮、絕緣內(nèi)氣泡、電纜故障點(diǎn)及路徑查找。高頻率超聲波能形成很窄的波束，此指向性特性有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障點(diǎn)，即所謂的超聲波定位技術(shù)。在電力系統(tǒng)中，超聲波定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備局部放電、發(fā)電機(jī)電暈、電氣設(shè)備斷線及電纜故障探測(cè)等多個(gè)方面，但電力系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)電場(chǎng)的電暈及背景噪音的干擾限制了超聲波定位技術(shù)在電力系統(tǒng)的發(fā)展[2]。

近幾年公司引進(jìn)了美國(guó)Son-Tector 超聲波定位儀，通過對(duì)其開發(fā)與應(yīng)用，取得了一定的成效，特別是在均壓電容器斷線、電纜故障查找等方面效果顯著。

1 均壓電容器內(nèi)部故障

110 kV 少油開關(guān)均壓電容器的作用是均勻斷路器兩端口之間的電壓，使斷路器能更有效地切除故障電流[3]。如果其內(nèi)部發(fā)生故障，如發(fā)生斷路、短路或受潮時(shí)，輕者降低斷路器滅弧性能，重者將引起斷路器以及均壓電容器爆炸等惡性事故。

當(dāng)電容發(fā)生上述故障時(shí)，一般不能通過普通的絕緣試驗(yàn)查找出來。以往的辦法就是通過傾聽設(shè)備是否有放電的“啪，啪”聲，這種方法易受環(huán)境（如噪音、風(fēng)向等因素）和人為因素的影響，準(zhǔn)確率和發(fā)現(xiàn)率不高。但是上面所述各種故障，不管何種類型，都會(huì)產(chǎn)生人耳聽不到的超聲波。超聲波定位儀檢測(cè)（圖1）到這種超聲波后，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)變成可以聽到的頻率，就可以判斷是正常聲音還是異常聲音，從而發(fā)現(xiàn)故障電容器。

圖1 超聲波定位儀檢測(cè)Fig.1 Inspection of ultrasonic positioner

2 電纜故障查找

由于電力電纜一般鋪設(shè)在地下，當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)很難查找，費(fèi)時(shí)費(fèi)力又延誤送電時(shí)間，影響電力供給的連續(xù)性。目前，查找電纜故障最常用的方法有電橋法、脈沖示波器法、感應(yīng)法和聲測(cè)法等[4]。電纜探測(cè)儀主要基于脈沖反射法原理，存在著不同芯線傳播速度不同、故障點(diǎn)阻抗不同，以及電纜敷設(shè)不可能直線敷設(shè)等諸多因素，探測(cè)效果不理想。Son-Tector 超聲波定位儀與直流高壓沖擊閃絡(luò)法（圖2）結(jié)合進(jìn)行電纜故障探測(cè)，測(cè)試效果非常顯著[5]，其測(cè)試原理如圖3 所示。

圖2 直流高壓沖擊閃絡(luò)法原理Fig.2 Principle of DC high voltage impact flashover method

首先利用直流高壓試驗(yàn)設(shè)備使電容器充電儲(chǔ)能，當(dāng)電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，經(jīng)過放電間隙向故障相電纜芯放電，由于故障點(diǎn)具有一定的故障電阻，在電容器放電過程中此故障電阻相當(dāng)于一個(gè)放電間隙，在放電時(shí)將產(chǎn)生火花放電，引起電磁波輻射和機(jī)械的音頻振動(dòng)。在此同時(shí)放電電流沿?zé)o故障段進(jìn)行傳播[6]，傳播過程中也會(huì)產(chǎn)生電磁波輻射。這時(shí)利用超聲波定位儀傳感器探頭（圖2）沿著電纜走向進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)?shù)竭_(dá)故障點(diǎn)上方時(shí)放電信號(hào)非常強(qiáng)，并且雜亂無章，即可發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。

圖3 超聲波定位儀傳感器探頭Fig.3 Sensor probe of ultrasonic positioner

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探頭處在無故障段電纜上方且探頭在電纜上方垂直于地面時(shí)收到的信號(hào)最弱，當(dāng)移動(dòng)探頭于電纜兩側(cè)某位置時(shí)信號(hào)最強(qiáng)。這一發(fā)現(xiàn)使超聲波定位儀的作用得到擴(kuò)展，不僅可以用來探測(cè)故障點(diǎn)，而且還可以用來尋跡。

利用該方法測(cè)定故障點(diǎn)時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：

（1）注意地線的連接。由于沖擊放電的大電流流過主接地網(wǎng)引起電壓升高，可能危及與電網(wǎng)相連的其他設(shè)備。因此接地時(shí)要做到：電容器的接地線應(yīng)直接和電纜的鉛包地線連接，不應(yīng)接公用接地極，試驗(yàn)變壓器高壓繞組的接地端子不直接和電容器地線連接，應(yīng)接公用接地極[7]。試驗(yàn)變壓器和調(diào)壓器外殼不接地。

（2）對(duì)于斷線故障，最好將電纜一端接地，利用對(duì)地?fù)舸┖舐曇糨^響來測(cè)試。

（3）若電纜頭或電纜的連接盒外殼與接地線接觸不良，戶內(nèi)電纜接頭處電纜與接地支架接觸不良，測(cè)試時(shí)這些處所亦有聲音，應(yīng)注意與真正故障點(diǎn)聲音相區(qū)別，防止誤判斷。

3 輸電線路懸垂線夾磨損導(dǎo)線檢測(cè)

高壓輸電線路是連接變電站、傳輸電力的通道，是電網(wǎng)的重要組成部分。目前海拉爾地區(qū)油田的輸電線路架設(shè)地多為空曠的草原和丘陵地帶，此區(qū)域內(nèi)并無減緩風(fēng)力帶。海拉爾地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，季節(jié)溫差大，冬季極端氣溫可達(dá)-48 ℃，夏季極端氣溫可達(dá)40 ℃，且冬、春季常出現(xiàn)暴風(fēng)雪、沙塵暴等天氣。嚴(yán)酷的氣候環(huán)境導(dǎo)致線路出現(xiàn)導(dǎo)線、地線斷股、斷線；線路常年經(jīng)受風(fēng)的作用，線路聯(lián)接各部件（金具）易反復(fù)搖動(dòng)，造成導(dǎo)線、地線和金具的磨損斷裂，釀成線路事故。從多年的運(yùn)行情況看，線路桿、塔用于懸掛導(dǎo)、地線的懸垂線夾磨損比較突出，近3 年共發(fā)生8 起該類事故，而且有逐年增加的趨勢(shì)。

懸垂線夾是桿、塔連接導(dǎo)線的重要金具[8]，正常巡線的情況下發(fā)現(xiàn)不了懸垂線夾內(nèi)鋁包帶包裹的導(dǎo)線磨損情況。針對(duì)線路懸垂線夾磨損導(dǎo)線的問題，從2010 年起采取了檢修人員登桿、塔打開線夾檢查磨損情況的措施，這種方法既耗費(fèi)檢修時(shí)間，又存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

懸垂線夾是由可鍛鑄鐵的線夾船體、壓板及U型螺栓組成，它利用兩塊鋼板沖壓掛板吊掛，掛板安裝在船體兩側(cè)的掛軸上。在懸垂線夾線路中，曾出現(xiàn)多次因懸垂線夾磨損問題而引發(fā)的架空避雷線掉線造成的接地故障，這類故障通常都是永久性的事故，輕則造成跳閘停電，重則可能燒斷導(dǎo)線或避雷線，給線路的修復(fù)帶來了困難，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全[9]。為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)這類缺陷，利用超聲波定位儀具有指向性及可在輸電線路帶電情況下使用的特性，在巡線中使用超聲波定位儀進(jìn)行探測(cè)，效果顯著。2018 年以來共發(fā)現(xiàn)線路懸垂線夾磨損導(dǎo)線缺陷15 項(xiàng)，有效地避免了該類缺陷的發(fā)生。

4 電力設(shè)備絕緣診斷

當(dāng)電力設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，為了將損失降到最低，擁有良好的故障檢測(cè)技術(shù)顯得尤為重要。該技術(shù)的判斷依據(jù)是，如果電力設(shè)備絕緣出現(xiàn)異常，故障部位會(huì)出現(xiàn)一種更加明顯的強(qiáng)化電暈放電現(xiàn)象。通過檢測(cè)電暈放電，可以更準(zhǔn)確地找到設(shè)備絕緣故障的位置。超聲波檢測(cè)是一種成本相對(duì)較低、效果好、原理簡(jiǎn)單的高壓設(shè)備絕緣檢測(cè)方法，它能很準(zhǔn)確地找到和定位絕緣故障的位置[10]。一般來說，它具有不與高壓設(shè)備接觸、不停電、在線監(jiān)測(cè)、安全距離內(nèi)準(zhǔn)確定位、絕緣子表面放電位置準(zhǔn)確定位、絕緣子串故障掃描定位等優(yōu)點(diǎn)。特別需要指出的是，如果能裝上信號(hào)采集器，探測(cè)范圍會(huì)更大。超聲波檢測(cè)的對(duì)象不僅可以是露天變電站，也可以是室內(nèi)設(shè)備，特別是在加裝超聲波采集器后，可以更準(zhǔn)確地定位設(shè)備絕緣故障的位置。

5 結(jié)束語

近年來公司在所轄1 000 km 架空輸電線路和電纜線路中推廣應(yīng)用超聲波診斷技術(shù)，已經(jīng)形成規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，編制了《均壓電容器超聲波診斷作業(yè)指導(dǎo)書》《電纜故障超聲波診斷作業(yè)指導(dǎo)書》《輸電線路導(dǎo)線懸垂線夾超聲波診斷作業(yè)指導(dǎo)書》等，應(yīng)用該技術(shù)以來共發(fā)現(xiàn)線路懸垂線夾磨損導(dǎo)線缺陷15 項(xiàng)，共查找高壓電纜20 條，低壓電纜10 余條，挽回經(jīng)濟(jì)損失90 余萬元，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益10 余萬元。

目前公司正開展超聲波局部放電檢測(cè)及定位技術(shù)在開關(guān)柜中的應(yīng)用研究。開關(guān)柜設(shè)備是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一，一旦開關(guān)柜發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致企業(yè)電網(wǎng)大面積停電，給生產(chǎn)造成影響，從而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。將超聲波非接觸檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到開關(guān)柜設(shè)備絕緣的檢測(cè)中，可在開關(guān)柜運(yùn)行中診斷設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜設(shè)備絕緣中的安全隱患，合理安排停電消缺處理，從而保證整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有力地保障企業(yè)生產(chǎn)不間斷。