超声波技术在电力系统故障诊断中的应用

超声波技术在电力系统故障诊断中的应用

林莹莹

国网福建省电力有限公司福州供电公司 福建省福州市 350000

摘要：超声波在线监测技术可以用来发现电力电缆电场与磁场的畸变，进而为解决电缆发热，放电等问题提供技术支持。利用小波变换来检测低能量的短时瞬态变量以及因电缆局部放电而产生的尖波情况，利用数学形态学中膨胀、腐蚀的数学集合理论来检测电缆的噪声，利用结构元素在图像范围内平移，同时施加交、并等基本集合运算的方法来进行局部放电超声波检测信号的预处理，进而提取有意义的超声波局放信号，对不同的噪声进行仿真去噪处理，达到去噪效果。通过结合小波理论和数学形态学去噪理论，有效检测电力电缆局部放电的模式和类型，为问题的早发现，早处理打下了坚实的基础。

关键词：超声波技术；电力故障诊断；应用

引言

由于长期处于高温、高电压、振动、潮湿的环境中，电力变压器容易出现电的、热的、化学的以及异常状况下形成的绝缘劣化，导致电气绝缘强度降低，甚至发生故障。此外，制造或安装中潜伏的缺陷或者运行中产生的缺陷，也会引起局部放电的发生。实践表明，电力变压器局部放电是导致设备绝缘劣化，发生绝缘故障的主要原因。对局部放电的检测和评价已经成为电气设备绝缘状况监测的重要手段，尤其是在线局部放电检测可以直接反映出电气设备内部的绝缘状况，并能够及时、有效地发现其绝缘缺陷，减少不必要的设备停电造成的负荷损失和停电操作带来的安全风险。超声波检测作为目前最有效的在线局部检测技术，具有使用简便，与被测设备之间无电气连接、可以避免多种电气干扰等优点。同时，超声波检测的灵敏度不随被测物电容量而变化，因而定位精度高，通常能更加准确地指出一个复杂系统内局部放电源的位置。

1超声波局部放电检测法的特点

（１）抗电磁干扰能力强。目前采用的超声波局部放电检测法是利用超声波传感器在电力设备的外壳部分进行检测。电力设备在运行过程中存在着较强的电磁干扰，而超声波检测是非电检测方法，其检测频段可以有效躲开电磁干扰，取得更好的检测效果。（２）便于实现放电定位。确定局部放电位置既可以为设备缺陷的诊断提供有效的数据参考，也可以减少检修时间。超声波信号在传播过程中具有很强的方向性，能量集中，因此在检测过程中易于得到定向而集中的波束，从而方便进行定位。（３）适应范围广泛。超声波局部放电检测可以广泛应用于各类一次设备。根据超声波信号传播途径的不同，超声波局部放电检测可分为接触式检测和非接触式检测。接触式超声波检测主要用于检测如ＧＩＳ、变压器等设备外壳表面的超声波信号，而非接触式超声波检测可用于检测开关柜、配电线路等设备。变压器超声波局部放电技术的应用，对预防和避免变压器绝缘损坏事故提供了安全保障，对缺陷的准确定位为检修提供了依据和节约维修成本。多年来，国内外的科研机构、变压器制造厂和电力系统运行部门都致力于开展变压器超声波局部放电检测和定位技术的应用研究以及推广工作，使变压器超声波局部放电检测技术得到迅速发展和普及。

2超声波技术在电力系统故障诊断中的应用

2.1超声波检测技术在高压设备绝缘状态

监测中的应用一般情况下，超声波的产生来源有两种:一种是电力设备中高压绝缘体由于劣化而出现局部放电，进而产生了超声波。另一种是电力设备出现故障，如机器异常的振动、电站蒸气管道泄漏、发电设备材料龟裂等，也会产生超声波。在正常的情况下，通过超声波检测，就可以很精准的找出并定位设备故障的位置。包括被动的和主动的两种检测方式，两者之间的区别还是较为明显的。主动的检测方式能够有效的检测出导体和绝缘体的内部损伤和绝缘内部的空隙。而被动的检测方式主要侧重于导体和绝缘体的老化、导线的节点和表面的放电等故障的检测。主要依据的理论知识就是向出现故障的设备发射一定频率的超声波，对其反射波的强度、相位和频谱展开检测，就能够很准确的判断故障问题。过去常常使用的非接触高压绝缘状态检测法主要以红外测温仪、红外摄像仪等仪器显示的绝缘发热点为依据来判断并定位故障的位置。高压绝缘设备中出现的火花放电、电晕在有些时候可能不会产生较多的热量，而绝缘体四周的高温将极有可能掩盖了那些发热点，大大的增加了检测的难度。但有一点是非常明确、不用怀疑的，即如果绝缘体出现故障就一定产生超声波，对产生的超声波进行检测就能够很精确的找出并定位故障绝缘的位置。当前，超声波检测方法已经被广泛的应用于多个领域，如高压测量、绝缘材料放电研究、局部放电的测量和定位等。

2.2电缆故障查找

由于电力电缆一般铺设在地下，当其发生故障时，故障点很难查找，费时费力又延误送电时间，影响电力供给的连续性。目前，查找电缆故障最常用的方法有电桥法、脉冲示波器法、感应法和声测法等。电缆探测仪主要基于脉冲反射法原理，存在着不同芯线传播速度不同、故障点阻抗不同，以及电缆敷设不可能直线敷设等诸多因素，探测效果不理想。Son-Tector超声波定位仪与直流高压冲击闪络法结合进行电缆故障探测，测试效果非常显著。首先利用直流高压试验设备使电容器充电储能，当电压达到某一数值时，经过放电间隙向故障相电缆芯放电，由于故障点具有一定的故障电阻，在电容器放电过程中此故障电阻相当于一个放电间隙，在放电时将产生火花放电，引起电磁波辐射和机械的音频振动。在此同时放电电流沿无故障段进行传播，传播过程中也会产生电磁波辐射。这时利用超声波定位仪传感器探头沿着电缆走向进行探测，当到达故障点上方时放电信号非常强，并且杂乱无章，即可发现故障点。

2.3输电线路悬垂线夹磨损导线检测

高压输电线路是连接变电站、传输电力的通道，是电网的重要组成部分。目前海拉尔地区油田的输电线路架设地多为空旷的草原和丘陵地带，此区域内并无减缓风力带。海拉尔地区气候环境恶劣，季节温差大，冬季极端气温可达-48℃，夏季极端气温可达40℃，且冬、春季常出现暴风雪、沙尘暴等天气。严酷的气候环境导致线路出现导线、地线断股、断线；线路常年经受风的作用，线路联接各部件（金具）易反复摇动，造成导线、地线和金具的磨损断裂，酿成线路事故。从多年的运行情况看，线路杆、塔用于悬挂导、地线的悬垂线夹磨损比较突出，近3年共发生8起该类事故，而且有逐年增加的趋势。悬垂线夹是杆、塔连接导线的重要金具，正常巡线的情况下发现不了悬垂线夹内铝包带包裹的导线磨损情况。针对线路悬垂线夹磨损导线的问题，从2010年起采取了检修人员登杆、塔打开线夹检查磨损情况的措施，这种方法既耗费检修时间，又存在安全风险。悬垂线夹是由可锻铸铁的线夹船体、压板及U型螺栓组成，它利用两块钢板冲压挂板吊挂，挂板安装在船体两侧的挂轴上。在悬垂线夹线路中，曾出现多次因悬垂线夹磨损问题而引发的架空避雷线掉线造成的接地故障，这类故障通常都是永久性的事故，轻则造成跳闸停电，重则可能烧断导线或避雷线，给线路的修复带来了困难，严重威胁电网的安全。为准确地发现这类缺陷，利用超声波定位仪具有指向性及可在输电线路带电情况下使用的特性，在巡线中使用超声波定位仪进行探测，效果显著。

结语

针对电力变压器超声波局部放电检测及定位技术的探究十分必要，提出了一种图谱影印比对技术和多种抗干扰技术，能够有效提升变压器超声波局放检测诊断的准确度和效率。

参考文献

[1]刘忠杰，关根志，龙望成．XLPE电缆交叉互联接线时的绝缘在线监测［J］．高电压技术，2011，2(6):3－8．

[2]刘理峰，张静，李题印，等．电力电缆接头温度监测方法研究综述［J］．智能电网，2015，10(3):5－14．