高压开关柜局部放电超声波信号传播特性

查坚卿，郭磊，邵宣，唐晓健，张诗尧

（国网上海市电力公司金山供电公司，上海 200540）

0 前言

高压开关柜广泛应用于电力系统中。作为电力系统配电网络的重要基础单元，其主要作用为接收电能和分配电能，随着电力系统的发展，入网运行的开关柜数量不断增加，成为使用极广、数量最多的开关设备，高压开关柜的安全运行对于整个电力系统的稳定至关重要。由于开关柜本身可能存在生产过程导致的缺陷，同时其运行过程中需要持续耐受电、热等多方面因素的影响，因此开关柜在长期的运行过程中会不可避免地出现一定的绝缘劣化现象。在开关柜的故障中，绝缘故障是最主要的故障，根据统计，绝缘故障所造成的开关柜事故占到了79%[1]。在出现故障前后，电气设备存在多种特征信息，如声、光、电、热、气等，基于不同的特征信息，超声波局放检测、红外热像检测、特高频局部放电检测等多种带电检测技术得以出现[2]。虽然在局部放电检测技术中，各种检测方式都有其优势，但是也都存在着其明显的局限性，因此只依靠单一的检测方式，很难保证检测结果的可靠准确性，尤其是在具体实践中，局放源精确定位问题仍不能足够准确，很多时候仅能够粗略地判断出局部放电源位于传感器的左右方向[3]。实际应用证明，声电联合检测法对常见的局部放电类型都适用，通过幅值、相位特征可判断放电类型；利用放电信号时差法可定位放电源，有助于提高局部放电的检测效率和准确性[4]。

1 开关柜超声信号传播特性

在声电联合检测定位中，通常使用时延法进行定位，延时定位就是通过在待测设备的不同位置布置多个声传感器，利用声音到达不同传感器的时差乘以波速等于传感器与距离声源坐标距离之差的原理，求得声源的三维坐标[5]。由于电磁波的速度远远大于声波的传播速度，因此以电信号接收到信号的时间作为时间基准，在本文中以TEV 信号作为基准，根据时域信号测出超声信号的相对时延，根据式（1）可计算得出放电源与传感器测量点位之间的距离：

式中：v为超声信号在介质中的传播速度；Δt为超声信号与电信号的时延。

2 开关柜局部放电声波传播有限元仿真分析

为了更加准确地定位开关柜内的局部放电，本文使用COMSOL 对超声信号在开关柜内的传播特性进行有限元仿真分析。开关柜母线室近似为一长0.7 m、宽0.6 m、高1.1 m 的立方体结构，内部有3 根铜制高压母排，外壳材料为不锈钢，空气声速设置为340 m/s。将脉冲源坐标设为(0.2,0.2,0.45)，与开关柜局部放电试验中缺陷位置对应。开关柜母线室三维模型和网格划分如图1 所示。局部放电声源为一点声源，以球面波的形式向周围传播，超声信号为振荡衰减信号，模拟声源公式为：

图1 开关柜有限元仿真模型

式中：A为信号幅值，t0为信号起始时间，τ为衰减常数，f为信号频率。

设 置 仿 真 参 数A=1，t0=0，τ=20 μs，f=40 kHz，仿真步长为0.2 μs，时间为4 ms。仿真得到0.5～3 ms 内开关柜外壳上的声压变化如图2 所示。

图2 开关柜表面声压分布

根据结果可以看出，在开关柜表面，超声信号的传播以信号源与表面的垂直点为圆心，以环形向周围扩散，随着时间增加，超声的传播范围逐渐增加，声压逐渐衰减，符合超声信号在空间中以球面波向四周扩散并衰减的特性。根据t=1 ms 时的声压分布可以看出在这一时刻表面上的超声信号为一个环形波与两个由边界产生的环形波的叠加，证明超声信号已经到达YZ平面和XZ平面上并且在此平面上产生了折反射，同理在t=2 ms 时可以看出超声信号在x=0.4 的YZ平面上产生的折反射。在超声波折反射的叠加区域可以发现其声压分布不再均匀，靠近边缘的位置由于声波的叠加而尤其明显，因此在利用融合传感器进行声电联合局部放电定位时，传感器的布置位置应当适当远离开关柜的边缘。

3 开关柜内超声信号衰减实验测量

为了研究超声信号在开关柜内的衰减过程对融合传感器超声测量的影响，在开关柜表面以信号源垂直位置为中心，每隔5 cm 设置一个测量点，测量信号源在该位置产生的最大声压。开关柜表面的测量点布置和超声信号声压与测量点横向距离的关系如图3 所示。

图3 开关柜表面超声信号衰减特性

根据结果可知，从与信号源垂直的表面开始至横向距离70 cm 处的测量点，距离越远超声信号下降速度越慢，0～70 cm 声压下降0.9 Pa，衰减程度为11.05 dB，近似呈指数下降，短距离的吸收衰减较小，主要存在的衰减形式为扩散衰减。其中超声信号随距离发生变化，尤其是在距离大于50 cm 时呈现出一定的振荡现象，此结果出现的原因为开关柜内壁对超声信号的折反射，导致在某些位置产生了反射波与初始声波的叠加或抵消。超声信号的衰减使超声传感器的检测范围较小，但是为排除外部干扰和声电联合检测定位提供了便利，应用此特点，当测量到开关柜内产生的局部放电超声信号时，可以确定局部放电产生于此气室内部。

4 结束语

本研究使用了有限元仿真工具COMSOL，以模拟开关柜内超声信号的传播。仿真结果显示，超声信号在开关柜内以球面波的形式传播，并随时间增加而扩散和衰减。在距离超声信号源较远的位置，声压下降速度较慢，但近距离存在振荡现象。这些特性对声电联合局部放电定位提供了有价值的信息，但也需要注意传感器的布置位置，避免边缘干扰。 进一步实验表明：声电联合检测法是一种有效的局部放电检测和定位方法，通过联合超声和电信号的检测，可以提高检测效率和准确性。通过仿真和实验，验证了超声信号的传播特性和衰减过程，这有助于更好地理解局部放电信号的传播和定位。

此外，可以进一步优化声电联合检测方法，提高其在开关柜局部放电检测中的应用性能，还可以探索更多的参数和信号处理方法，以提高定位的准确性和稳定性。