高压绝缘设备运行时非接触诊断研究.pdf

392023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术高压绝缘设备运行时非接触诊断研究王熙然（中国核工业二三建设有限公司）摘要：本文介绍一种用于高压绝缘设备远程诊断的非接触式方法，以及基于电磁和声学传感器对局部放电进行登记的高压绝缘子运行状态远端诊断的双通道方法。该装置可以实现对故障高压设备的目视检测和搜索，以及一种基于光电效应的远程非接触方法，用于记录工业频率的高强度电场及其空间分布。介绍了利用该系统对开关柜高压支撑绝缘子的技术状态进行监测和诊断的方案。实验研究的结果证实了所提出的方法在工作电压下高压绝缘设备状态的非接触远端诊断的工业适用性的可能性。关键词：高电压；绝缘设备；非接触诊断；局部放电0 引言目前，在电力工业快速发展的背景下，开始面临记录工业频率的电场作为无线电频谱超低频范围的一部分的问题，这在工业条件和日常生活中变得越来越普遍。这些领域主要由电力线路、开放式开关设备、母线、各种高压设备、变压器、高压套管、保护和自动化设备、母线和开关产生。因此，有必要控制高压绝缘运行中局部过电压的发生。高压绝缘过电压控制的非接触遥控方法发展不足，需要继续朝着这个方向研究。研究目的是建立一种高压绝缘各种电场的非接触遥测方法，克服以往发展的缺点。从高压绝缘子接入电网的那一刻起，开发一种对其在运行各个阶段的运行状态进行连续非接触诊断的集成方法和相应的仪器显然是必要的。研究结果应确保通过识别电场强度增加的区域并测量这些区域的电场强度梯度，然后隔离缺陷，记录缺陷前状态发生时刻的可能性。1 方法及材料分析图 1 显示用于检测高压绝缘子（HVI）中局部放电（PDs）的非接触式移动诊断设备。该诊断装置使用电磁（EM）和超声（US）传感器和相位传感器进行基本测量。在变电站安装了诊断设备，与被监测的HVI 组保持一定距离。超声波传感器可以定位一组有缺陷的人体健康指标，而电磁传感器则利用天线来测量局部放射出的电磁场。这种非接触式诊断装置是用来检查绝缘设备的。图 1 非接触式诊断装置流程图2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 392023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 392023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49402023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术局部放电的电磁脉冲配准是利用电磁传感器（指向性天线）进行的。该电磁传感器允许检测0.5600MHz 频率范围内的脉冲。声脉冲通过声学传感器（有源抛物面天线）检测。该传感器工作在40Hz 的频率。决定频率的因素是波浪衰减、工业噪声和电磁干扰的频率依赖性。例如，声噪声在低频区（20Hz20kHz）占主导地位，上限频率受到衰减频率依赖性（f 100kHz）的限制。实验表明，在3545kHz 的范围内，以数值 2 为信噪比，在 1525m的距离检测到脉冲放大器发出的声脉冲。考虑到在该范围内（50200MHz）和 600MHz 以上的低频电磁干扰产生，2050MHz 和 400550MHz 的频带是最佳的电磁注册频率4-5。执行视觉检查和检测故障设备的方法如下：构造了一种便携式设备的设计，允许视觉识别高压设备中的缺陷。该设备包括声学传感器、电磁传感器、带有摄像机的笔记本电脑和软件。为了识别故障设备，有必要将带有摄像头的设备引导到被检查物体的区域。传感器检测故障设备发出的信号，并使用安装在笔记本电脑上的软件，将传感器发出的信号强度叠加在摄像头发出的图像上。该综合体的主要任务是从室外开关设备和变电站的工作电压下并且彼此相距一定距离的高压绝缘子的一般系统中识别有缺陷的绝缘子。根据这些条件，开发了一种可移植的装置，用于在能源设施中对故障绝缘子和其他高压设备进行可视化检测。记录高强度电场的过程是基于电光效应。电场强度增加的局部区域（反射系数的变化与电场强度成正比）是由监测电场强度的光电传感器的激光束反射系数的变化决定的，并利用光电传感器测量电场的梯度。该传感器在已校准的交流电中进行预校准。2 实验结果及分析2.1 利用麦克风阵列诊断局部放电如图 2 所示，便携式设备中具有麦克风阵列、四个声道和一个电磁通道，用于定位绝缘上产生的局部放电的超声源，同时监测环境参数。该麦克风阵列由四个共振频率为 41kHz 的压电接收器组成。整个麦克风阵列被封闭在一个金属外壳中，以尽量减少高压设备产生的感应电磁噪声。传感器信号被用来使用麦克风阵列定位声源。图 3 显示了相同 PD 的每个接收器的放大信号。图 2 便携式设备图 3 超声波接收器接收到的一个局部放电信号2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 402023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 402023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49412023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术图 4 有缺陷 a 和无缺陷 b 绝缘子两端之间的场强分布每对接收器到达时间的差异，是根据每对互相关接收器的信号麦克风阵列的结果，使得重建声辐射源的坐标成为可能以确定被检查的高压绝缘体上的缺陷位置。使用电磁传感器是必要的，以登记的电磁脉冲从一个局部放电，以确认其发生。2.2 光电传感器诊断局部放电记录高强度电场的方法是基于电光效应。电光传感器工作的物理原理是基于激光束在强度为 e 的电场中通过周期性畴结构时折射率的变化，这种效应被称为“线性电光效应”或“普克尔斯效应”。长度为 0的激光波从 PDS 反射（或透射）最大的条件如下：式中，n 为折射率和 D 是 PDS 周期。PDS 共振频率的变化与共振波长的变化相对应：式中，r 为电光系数；E为波长。因此，来自 PDS 的激光波的最大反射系数 R 随着共振波长的增加而减小。反射系数 R 的变动可表示为：因此：在实验过程中，发现几个“芯端连接”受损的有缺陷的绝缘子。有几个绝缘子处于预缺陷状态。图 4给出 LK70/35 型聚合物绝缘子 a 缺陷和 b 无缺陷样品的电场强度分布。两种样品两端附近的 E 略有增加，这可以解释没有沿整个长度均匀电场的特殊屏蔽。（1）（2）（3）（4）2.3 局部放电法的电磁和声音本文介绍开发的 HVI 状态非接触远程诊断方法。该方法通过电磁接收器提供对局部放电脉冲信号的非接触接收。此外，确定其指示并进行计算机处理，以便在相电压的每个离散间隔中确定超过缺陷发生或与参考隔离器进行比较的允许阈值的部分电荷脉冲的数量和强度的平均值。此外，还按照强度的分布确定了高压正负半周期的局部放电次数。最危险缺陷的存在和类型是通过局部放电的相位间隔的扩展和与正半周期相比高电压负半周期局部放电数量的急剧增加来观察的。在这种情况下，部分放电的单个正负脉冲的宽度和形状被另外确定，缺陷的类型和位置由差异（负脉冲宽度的增加）确定。三个诊断标志决定了绝缘子正常工作最危险的类型和位置：局部放电的相位间隔显著扩大；与正半周期相比，负高压半周期局部放电的数量急剧增加；正信号和负信号局部放电的单脉冲形状有显著差异。2.4 使用麦克风阵列确定故障隔离器的方法HVI 的 PD 发生的内部和表面缺陷。PD 是一种非平稳声波，发生在过热的气体通道中，是由局部放电电流脉冲产生的，PD 是一种电源声波。为了用声学方法诊断内部缺陷的 PD，有必要使用一个与绝缘体有声学接触的传感器，因为声波几乎完全反射发生在瓷/聚合物-空气界面。当 PD 出现在缺陷表面时，声波呈球面传播，这使得声波的非接触注册成为可能。2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 412023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 412023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49422023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术2.5 光电法使用电磁和电光传感器的组合方法在一系列LC70/35型聚合物绝缘体上进行测试。在研究过程中，作者发现了 HVI 中最常见的缺陷这些缺陷是对芯壳的损坏和对“芯端连接”接触的损坏。确定了局部放电的复杂特征，这使得检测所研究绝缘体 PD 脉冲强度和数量的相位分布差异成为可能。此外，发现一些特征具有与所考虑的缺陷相对应的分布，其形式为电瓷制成的模型样品中的裂纹或 HVI 磁芯表面的缺陷。“核心-端连接”缺陷的 PD 具有特殊的特性：辐射相位间隔的偏移，这些相位间隔的扩大，负电压半周期内放电次数和幅度的增加，以及形状的变化。在这种类型的缺陷中，接触击穿发生在气隙中。在这种情况下，由于垂直于间隙的场分量，通过从电极（阴极）发射电子，由电极、间隙和芯组成的接触击穿发生在气隙中。由于电子轰击电介质芯表面，形成密度高达 10-6-10-5C/cm 的感应带电离子场。3 结束语高压绝缘子在复杂的高压电力设备中占有特殊的地位，需要在运行过程中进行故障诊断。许多高压输参考文献12345张琦，王旌.低成本完善的智能家居 SCAD 系统 J.大数据分析，2021，11（8）：17-21.吴帅，谭泽.基于电光晶体倍增器的光学电压传感 J.高电压技术，2017，10（9）：21-22.杨鹏.基于极大似然估计的变电站超高频局部放电到达方向估计方法 J.发电工程，2017，7（19）：34-37.韩胜，王旌.基于同时检测高频、超高频和局部放电信号的电力变压器在线声发射监测系统J.大数据分析，2020，12（9）：17-28.梁旌.一种用于多实例多标签图像分类的深度多模态 J.物联网分析，2018，10（8）：11-21.（收稿日期：2023-03-09）电线路或变电站都受到强电场、光场和热场梯度、电动力学和机械学的复杂影响。所有这些都为缺陷的发生创造了条件，从而不可避免地导致复杂电力系统的各种故障甚至事故。实验研究的结果证实了所提出的方法在工作电压下对高压绝缘设备状态的非接触远端诊断的工业应用可行性。（上接第33页）参考文献123徐国政，张节容，钱家骊，等高压断路器原理和应用 M北京：清华大学出版社，2000周文，李建兵，赵峰等.高压真空断路器主轴系统优化研究 J.高压电器，2013，49（4）：60-65，70.何建华，满宏超.真空断路器在电力系统中的应用与分析 J.中小企业管理与科技（下旬刊），452011（8）：221-222.苑 舜高压断路器弹簧操动机构 M北京：机械工业出版社，2001孙栎翀，刘晓明，陈海，等.10kV 真空断路器弹簧操动机构合闸传动优化设计 J.真空科学与技术学报，2021，41（8）：745-750.（收稿日期：2023-04-08）2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 422023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 422023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49