高压组合电器开关放电声压仿真分析

殷秀玲 宋刘洋 李阳

摘要：目前，我国的电力行业的发展迅速，针对气体绝缘金属封闭开关设备（gasinsulatedswitchgear，GIS）发生局放时形成复杂的声场效应不便対实物分析问题，对该声场建立流固耦合分析模型，使用有限元分析法对GIS内部声源与中心导电杆及外部腔室产生的耦合作用进行计算，实现对GIS设备金属筒壁的声压分布及传播特点有效分析。通过分析得到多个气室声波传播的规律，相较于单一气室，声波经过气室间的法兰时衰减幅度较大，且有一部分被反弹叠加等。因此选用的超声波传感器必须具备高灵敏度、宽频带等特点。同时由于气室外部声压较小，为避免信号失真需对采集信号进行放大处理。该仿真为超声波传感器检测GIS局放提供了理论指导基础。

关键词：高压组合电器;开关放电;声压仿真分析

引言

1000kV气体绝缘金属封闭开关设备安装是特高压交流变电站中一种典型的户外连续性设备安装工况。1000kVGIS组合电器的安装涉及的设备单元多、占地面积大、安装周期长，而且安装过程中受外界环境因素的影响很大，因此在安装过程中设备安装质量极难控制。GIS组合电器的故障多发生在新安装投运1年内，通常情况下GIS设备第1年运行时，故障率是0.53次/间隔，第2年运行期间的故障率则下降到0.06次/间隔，随着运行时间的加长故障率趋于平稳。针对故障原因分析可以得出，源于制造厂、安装施工、设计以及其他原因造成的故障分别约占GIS总故障的26%、40%、7%、27%，而特高压GIS比普通电压等级的设备出现故障的概率更大、影响更为严重，由此可见，特高压GIS的安装质量控制是确保设备投运的关键性因素。

1GIS流固耦合仿真

1.1有限元分析

ANSYS可以模拟分析声学换能器，对土木工程的钢筋混凝土位移程度、变压器固有频率振动特性、各种应力与流体耦合系统等，拥有强大的前后处理功能，具有简单的求解耦合系统的方法。为了了解声波在GIS传播特点，更好地制定出检测超声信号的方案，本文采用ANSYS有限元仿真软件对GIS流固耦合场进行求解分析。通过建立物理模型，模拟出理想化GIS设备金属筒壁的单频率声压分布图及设置点随频率变化的声压图，分析声波的传播规律。根据实际采集GIS设备内部闪络放电产生的超声波信号频率，设置GIS流固耦合场中的放电声源频率范围在20～80kHz之间，采用有限元方法来求解声振耦合场完全满足需求，且经过对比网格劃分金属圆筒及空气球体的效果要比使用边界法好，所以本仿真采用网格划分法。

1.2声场流体离散化有限元方程

依据声波在GIS中的传播理论，为减少外界条件的干扰，保证仿真过程在标准条件下进行，在分析流固耦合场之前要对GIS内部介质、声波及温度等做一些理想化条件约束：①空气和SF6绝缘介质是不会产生热损耗的理想的气体介质;②发生放电之前GIS气室内部不存在声学信号，因此媒介是不流动的;③发生放电产生振动声波信号后，GIS气室内的绝缘介质不会与外界进行热交换，也就是在仿真过程中不考虑温度对声振耦合系统的影响。基于这些理想化条件，在流固耦合场中需要考虑声场流体方程、离散化无损耗声波方程、离散化声场吸收方程及离散化流固耦合方程。

2高压开关柜局部放电监测技术手段

在高压开关柜的实际运行过程中，由于开关柜内部发生的绝缘缺陷问题，会造成某一点形成过电流，从而造成该点的局部放电现象。随着放电时长的增加，开关柜内部还会产生一定量的电量信息以及非电量信息，这些信息一般为物理现象信息，在物理环境变化过程中表现出来，因此通过对这部分放电信息进行监测，在一定程度上对当前运行环境下的高压开关柜运行状态做出判断。监测技术主要面对的事实上应当是发生绝缘变化以及局部放电问题后开关柜自身的放电物理参量，这部分物理参量与常态参量之间差距大，因此可以通过监测的方式获取。在应用环境中的技术条件内部，需要结合测算方式，对放电信号的具体规模、放电位置、放电影响范围等做出精确判断。结合监测物理量不同，目前应用于高压开关柜状态监测的局部放电监测技术主要为以下几种。脉冲电流检测法在进行放电信号测量时，可以对部分频率极低的信号进行测算并放大，从而实现检测范围的拓宽，但该技术仅能够应用在离线检测当中，无法实现在线监测;红外检测法是通过红外线技术对高压开关装置外部的电信号规律进行获取，通过红外线的反馈，实现放电覆盖范围的测算，但是由于红外线穿透能力不足，无法应用在开关柜装置内部，因此效果并不理想;化学检测法主要通过对开关柜内部的化学现象发生规律进行分辨，是在线监测技术中检测数据精准度最高的技术手段，但是由于化学测算和分析过程还需要依赖人工，因此缺少时效性和动态性;UHF法则是借助传感器装备，对高压开关柜中的电信号进行获取，并由上位机对信号进行解读和分析，从而做出实时的精确判断。但是传感器硬件成本较高，同时安装困难、安装位置限制明显，对于技术条件和环境条件要求较高。

3安装质量管控措施

为适应特高压变电站工程建设管理要求，现场通过车间式管理平台、安装质量管控记录卡、安装全过程视频监控记录等措施逐一进行落实。车间式管理平台原为工业车间中制定生产任务、工序计划、生产检验到产品入库全过程监督与控制的系统。通过学习借鉴这种管理模式，在GIS安装现场搭建管理平台，将技术、安全、质量专职责任人的生产任务派发、巡视检查记录从办公室转移至现场的管理模式，提高管理力度，同时提供了现场作业面的监督依据。《变电站主要电气设备安装质量工艺关键环节管控记录卡》是国家电网公司基建部2015年通知应用的，现场通过管控卡进行应用。突出关键即突出关键设备安装环节的质量把控，突出重点即对安装过程中发现的重点问题突出解决，突出责任即突出设备建设监理运行单位的责任划分，突出数据即把每日记录的环境指标数据进行详细描述。根据安装流程逐项明确关键工作内容、工作的要求以及标准，在安装的进程中将每一项工作的具体进展以及实时测量的数据进行详细记录，伴随着每项工作的完成，工作负责人实时签字，以加强安装过程质量管控、督促责任落实。安装全过程视频监控记录是通过在安装过程的视角部位布置高清摄像头，24h进行监控，加大现场作业的管控力度，同时也为安装问题查究提供依据。

结语

基于对GIS气室工作单元结构及其内部发生局部放电产生声源的理解，通过构建其流固耦合物理分析模型，采用ANSYS有限元分析软件对多个GIS气室工作单元结构由于发生放电而引起的声辐射场进行了数值计算及仿真。通过分析GIS设备金属筒壁的声压分布以及设置点随频率变化的声压图，得出声波在气室内外及筒壁上的传播规律，以及在传到相邻气室时能量剧烈衰减和经过法兰时能量的叠加特性，为超声检测GIS内部放电提供了理论基础。从这些仿真结果可以看出，采用平均最大强度来判断故障点这一测试方案会产生误判。实际上有时候非闪络放电的GIS气室中某些部位的声压值较大，所以采用最大强度判断的方案是比较片面的。这也为新方案的提出提供了有力的理论基础，可以根据信号具有延迟的特点，将检测方案设定为当发生闪络时，取时间最短的节点为故障点，这样做更加合理。

参考文献

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