超声波技术在电力系统故障诊断中的应用

中国石油集团电能有限公司电力技术服务公司

目前，电力设备的绝缘监督主要是采用预防性试验来进行，在实际工作中发现预防性试验对电力设备分布性缺陷[1]监测效果较好，如绝缘受潮、绝缘电阻下降、介质老化、介质损耗增大，而对缺陷范围比较小但危害比较大的集中缺陷[1]效果不理想，如电容器内部串并联部分小电容断线、瓷质开裂、绝缘部分受潮、绝缘内气泡、电缆故障点及路径查找。高频率超声波能形成很窄的波束，此指向性特性有助于发现设备故障点，即所谓的超声波定位技术。在电力系统中，超声波定位技术广泛应用于电气设备局部放电、发电机电晕、电气设备断线及电缆故障探测等多个方面，但电力系统内强电场的电晕及背景噪音的干扰限制了超声波定位技术在电力系统的发展[2]。

近几年公司引进了美国Son-Tector 超声波定位仪，通过对其开发与应用，取得了一定的成效，特别是在均压电容器断线、电缆故障查找等方面效果显著。

1 均压电容器内部故障

110 kV 少油开关均压电容器的作用是均匀断路器两端口之间的电压，使断路器能更有效地切除故障电流[3]。如果其内部发生故障，如发生断路、短路或受潮时，轻者降低断路器灭弧性能，重者将引起断路器以及均压电容器爆炸等恶性事故。

当电容发生上述故障时，一般不能通过普通的绝缘试验查找出来。以往的办法就是通过倾听设备是否有放电的“啪，啪”声，这种方法易受环境（如噪音、风向等因素）和人为因素的影响，准确率和发现率不高。但是上面所述各种故障，不管何种类型，都会产生人耳听不到的超声波。超声波定位仪检测（图1）到这种超声波后，经过处理转变成可以听到的频率，就可以判断是正常声音还是异常声音，从而发现故障电容器。

图1 超声波定位仪检测Fig.1 Inspection of ultrasonic positioner

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[4]。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（图2）结合进行电缆故障探测，测试效果非常显著[5]，其测试原理如图3 所示。

图2 直流高压冲击闪络法原理Fig.2 Principle of DC high voltage impact flashover method

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[6]，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（图2）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。

图3 超声波定位仪传感器探头Fig.3 Sensor probe of ultrasonic positioner

在实践中发现，当探头处在无故障段电缆上方且探头在电缆上方垂直于地面时收到的信号最弱，当移动探头于电缆两侧某位置时信号最强。这一发现使超声波定位仪的作用得到扩展，不仅可以用来探测故障点，而且还可以用来寻迹。

利用该方法测定故障点时，要注意以下几点：

（1）注意地线的连接。由于冲击放电的大电流流过主接地网引起电压升高，可能危及与电网相连的其他设备。因此接地时要做到：电容器的接地线应直接和电缆的铅包地线连接，不应接公用接地极，试验变压器高压绕组的接地端子不直接和电容器地线连接，应接公用接地极[7]。试验变压器和调压器外壳不接地。

（2）对于断线故障，最好将电缆一端接地，利用对地击穿后声音较响来测试。

（3）若电缆头或电缆的连接盒外壳与接地线接触不良，户内电缆接头处电缆与接地支架接触不良，测试时这些处所亦有声音，应注意与真正故障点声音相区别，防止误判断。

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[8]，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[9]。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。2018 年以来共发现线路悬垂线夹磨损导线缺陷15 项，有效地避免了该类缺陷的发生。

4 电力设备绝缘诊断

当电力设备发生故障时，为了将损失降到最低，拥有良好的故障检测技术显得尤为重要。该技术的判断依据是，如果电力设备绝缘出现异常，故障部位会出现一种更加明显的强化电晕放电现象。通过检测电晕放电，可以更准确地找到设备绝缘故障的位置。超声波检测是一种成本相对较低、效果好、原理简单的高压设备绝缘检测方法，它能很准确地找到和定位绝缘故障的位置[10]。一般来说，它具有不与高压设备接触、不停电、在线监测、安全距离内准确定位、绝缘子表面放电位置准确定位、绝缘子串故障扫描定位等优点。特别需要指出的是，如果能装上信号采集器，探测范围会更大。超声波检测的对象不仅可以是露天变电站，也可以是室内设备，特别是在加装超声波采集器后，可以更准确地定位设备绝缘故障的位置。

5 结束语

近年来公司在所辖1 000 km 架空输电线路和电缆线路中推广应用超声波诊断技术，已经形成规范标准作业流程，编制了《均压电容器超声波诊断作业指导书》《电缆故障超声波诊断作业指导书》《输电线路导线悬垂线夹超声波诊断作业指导书》等，应用该技术以来共发现线路悬垂线夹磨损导线缺陷15 项，共查找高压电缆20 条，低压电缆10 余条，挽回经济损失90 余万元，创造经济效益10 余万元。

目前公司正开展超声波局部放电检测及定位技术在开关柜中的应用研究。开关柜设备是保证电力系统正常运行的关键设备之一，一旦开关柜发生故障会导致企业电网大面积停电，给生产造成影响，从而造成重大的经济损失。将超声波非接触检测技术应用到开关柜设备绝缘的检测中，可在开关柜运行中诊断设备状态，及时发现开关柜设备绝缘中的安全隐患，合理安排停电消缺处理，从而保证整个电力系统的正常运行，有力地保障企业生产不间断。