声学成像仪在局部放电严重程度评估中的探索与应用 | 迅声「洞见」

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导 语 INTRODUCTION

局部放电(PD)现象在电力系统中普遍存在,是电力设备绝缘劣化的重要指标,其早期检测与评估对于预防电力设备故障、保障电力系统安全运行具有重要意义。

随着技术的发展,声学成像仪因其非侵入性、高灵敏度等优点在局部放电检测领域得到广泛应用,通过捕捉放电过程中产生的声波信号,实现对局部放电的可视化检测和成像分析。

本文详细介绍了局部放电的基本概念、声学成像技术在局放检测中的应用现状与局限性,并探讨了基于声学数据驱动的局部放电严重程度评估方法。

一、局部放电的定义和危害

1.1 局部放电的定义

局部放电是指在绝缘介质中由于局部电场强度超过介质的击穿强度而发生的放电现象,一般是由于绝缘体内部或绝缘表面局部电场特别集中而引起的部分桥接电气放电。局部放电对电力设备影响较大,研究表明,高压(hv)和中压(mv)设备中超过85%的破坏性故障与局部放电有关。

1.2局部放电的危害

局部放电故障主要发生在开关柜、GIS、输电线路、绝缘子等电力主设备且过程中伴随着爆裂状的声信号发射产生声波/超声波能量。局放会导致绝缘老化、劣化,严重会造成绝缘击穿,引发大面积停电和安全事故。具体可能产生的危害如下:

1)绝缘性能下降

局部放电会产生带电粒子,这些粒子会使绝缘介质的性能逐渐劣化,导致绝缘体的击穿电压降低,从而影响电气设备的可靠性和稳定性。

2)电力设备损坏

局部放电会导致绝缘体性能下降,使得设备内部的电流和电压分布不均匀,可能会导致设备过热或者过电压,从而加速设备老化,甚至引发火灾等安全事故。

3)运行效率下降

局部放电可能会导致设备的运行效率下降,因为局部放电会导致设备的能量损失增加,例如电能的损失。

4)产生有害物质

局部放电会产生受激分子或二次产物,这些物质可能对电气设备产生有害的化学作用,进一步影响设备的性能和使用寿命。

5)导致火灾爆炸

在某些情况下,局部放电可能会导致电气设备中的绝缘体过热,从而引发火灾和爆炸。因为局部放电会产生热量,而且产生的气体可能也会导致火灾和爆炸。

二、声学成像仪在局放检测中的应用现状和局限性

目前的配网系统缺乏高效、科学、成熟的局部放电检测手段,日常需要投入大量人力进行高强度巡检,实际操作中长期存在设备维护困难、数据分析繁琐、人力成本高、人工效率低下、检测结果不准确、人身安全风险等问题,严重阻碍和制约了电力企业的管理和发展。

《国家电网公司变电运维管理规定(试行)》中指出,变电站巡视应重点检查设备有无电晕、放电,接头有无过热现象;《国家电网超声波局部放电检测细则》也规定,在进行检测时,要保证人员、仪器与设备带电部位保持足够安全距离;宜具备检测图谱显示功能;宜具备放电类型识别功能或给出各类局部放电发生的可能性。

手持式声学成像仪作为一款基于声学阵列被动检测成像技术的远距离、智能化巡检仪器,能够实时捕捉电力设备中的局部放电信号,以声场云图方式直观显示故障位置,可用于检测配电系统中的各类问题,包括配电柜、隔离开关、绝缘子、变压器、断路器等各节点设备零件异常故障。

该仪器具备非接触、高灵敏度、实时检测、AI智能分析等优点,极大提升了电力设备日常巡检效率和准确度,在解放人力的同时,有效发现设备早期缺陷,提高设备运行的安全性和可靠性,帮助企业降本增效,实现智慧运维。

然而,即便声学成像技术和局部放电检测技术已经发展了很多年,面向电力巡检应用的超声声学成像技术从出现到发展也不超过3年,在实际落地应用过程中,还存在很多亟需解决的问题,例如局部放电等级判定的技术难点。

当前声学成像仪虽然具备对于局部放电信号的检测与定位能力,但缺乏针对放电点位局放等级强弱的定量判断依据和科学逻辑支撑,仅凭声像仪接收的声学信息,无法准确、科学、直观地诊断局放严重程度并给出相应处理方案。

诊断分析过程受到各种主客观因素的制约,呈现极大的局限性,这些因素包括但不限于设备运行和环境噪声干扰、声波信号传播路径衰减、声波信号处理难度大、数据样本不足、AI算法与模型不完善等。

三、局部放电严重程度的评估方法

3.1主流的局部放电检测技术与严重程度评估的痛点

脉冲电流法是研究较早的局部放电检测方法之一,目前在国内外被广泛应用于比较成热的局部放电检测装置中,具有国际统一标准(IEC60270),可以用放电量的形式定量测量局部放电,通过电流脉冲的实测波形和统计特征(Φ-Q-N)图谱来判断放电的程度,且校准方法比较有效,容易进行定量分析,能够在一定程度上反映出局部放电的严重程度。然而脉冲电流法通常为离线测量,无法对运行条件下的电力设备局部放电源进行检测。

当前针对局部放电评估方法的研究主要是在实验室中搭建环境,利用阶梯加压法模拟缺陷的严重程度变化,分析采集到的局部放电信号特征。

由于变电站现场情况复杂,局部放电源位置、电力设备的运行电压、负荷电流、设备投运时间、设备结构等信息均会对局部放电的严重程度造成影响,而目前针对运行条件下的电力设备局部放电严重程度评估方法未见相关报道。

3.2基于声学数据驱动的局部放电严重程度评估方法

鉴于以上研究情况和痛点,我们在这里讨论一种更为可行的方法——基于声学数据驱动的局部放电严重程度评估方法。

该方法利用采集和标定的声学数据集对建立的局放评估模型进行训练,分析不同声学数据条件下对局部放电严重程度评估的影响,实现运行条件下对电力设备局部放电的风险与危害评估。

模型的输入需要考虑多种局部放电影响因素,其中最主要的四个因素为声源模型的选取、接收点的声传播衰减、局放放电类型、局放放电阶段。

3.2.1局部放电声源模型的选取

在建立和输入模型前,我们首先需要明确局部放电声源的属性和状态,因为不同的测试对象、测试电压以及发声源的指向性都会影响局部放电严重性与危害性的分析和评估。

以测试对象不同为例,在同一测试电压条件下不同设备的放电程度和表现是不同的,更确切地讲是局放产生的声音频率和声强不同,需要区分测试对象,详情参见下表:

序号测试对象分类子类
 1绝缘子悬挂绝缘子
 2盘形绝缘子
 3聚合物悬浮绝缘子
 4支撑绝缘子
 5复合绝缘子
 6仪表变压器电流互感器
 7电压互感器
 8电缆电缆终端
 9电缆接头
 10线材线材弯曲
 11架空线路/
 12架空电缆/
 13定子/
 14支撑绝缘子卡箍/
 15马镫夹/
 16电线连接/
 17接地线/
 18隔离刀片/
 19圆弧角/
 20电晕环/
 21分级环/
 22垫片绝缘/
 23垫片不绝缘/
 24母线/
 25变压器/
 26开关设备气体绝缘开关
 27隔离开关
 28断路器
 29接地开关

在建模过程中,我们需要根据不同测试对象的放电特性差异以及设备本身的应用价值差异进行区分研究,以理解不同测试对象之间放电危害程度的差异。例如,我们通常认为电缆接头的放电危害程度会大于绝缘子。

此外,对于同一测试对象而言,工作电压等级越高,其局部放电时的声强越高。因此我们会认为,对于两个同一类测试对象,接收声强接近的条件下,电压等级更低的设备,其局放的严重程度更高,更应该被关注。

还有一个影响设备接收声强的重要因素是发声源的指向性。对于局放超声检测来说,理解局放超声源的指向性至关重要:

a)声源指向性描述了声源的空间强度分布。

b)声源指向性表征了声波在不同方向上的辐射特性。

c)声源指向性决定了声源在不同方位的声压级。

d)声源指向性是分析声场分布和预测声衰减的基础。

不同的设备,因其结构外观和局放发声机理的差异,其发声时的指向性也不尽相同,这一点在运用声学对局放严重程度进行评估时是不能忽略的。

3.2.2局部放电超声传播衰减

声传播衰减是影响局部放电声源模型建立的关键因素之一。局部放电超声信号通过空气媒介传输到声学相机的接收阵列,准确补偿传输路径上的衰减,对准确推算局放超声源的能量至关重要。

影响局放超声传播衰减的主要有以下因素——局放超声源的指向性、大气压力、空气湿度、温度与信号频率、传播距离、空气污染程度。

1)声源指向性对传播衰减的影响

我们上面已经提到,声源指向性是分析声场分布和预测声衰减的基础。常见声源指向性与衰减特性包括全向性声源、定向性声源和超指向性声源。

全向性声源,是声波在各个方向球面扩散,声压级随距离呈线性衰减。

定向性声源,是声波集中在某个方向辐射,对应方向衰减较慢,其他方向衰减较快。局放超声源通常带有一定的指向性。

超指向性声源,是声波高度集中在某个方向,该方向衰减很缓慢,其他方向衰减剧烈。

2)大气压力对传播衰减的影响

相对湿度:50%   

温度:20℃

结论:大气压力变化时,对于同一频率声波衰减系数基本保持不变。

相对湿度:50%   

频率:40kHz

结论:大气压力变化时,同一温度下,声波衰减系数基本保持不变。

3)湿度对衰减的影响

温度:20℃   

气压:标准大气压

结论:低湿度时,衰减对数线性变化,湿度升高 ,衰减趋于稳定;频率升高,湿度对衰减的影响越加显著。

频率:40kHz   

气压:标准大气压

结论:湿度40% ,衰减接近对数线性;温度越高,衰减的越快。高湿度时趋于稳定且呈下降趋势。

4)温度与频率对衰减的影响

湿度:50%  

气压:标准大气压

结论:在20kHz时,随着温度变化,衰减基本保持不变。随着频率升高,温度对衰减影响越发显著。

湿度:50%   气压:标准大气压

结论:同一温度下,随着频率升高,衰减接近对数线性增加。高温时,随着频率的增加,衰减更为明显。

5)传播距离对衰减的影响

湿度:50%  

气压:标准大气压  

温度:20℃

在1m处为参考0dB

结论:在27m处,40kHz的衰减已经超过60dB(1000倍),巡检可用的频段在10k~60kHz,更高频段会衰减到麦克风的噪声限以下。

湿度:50%  

气压:标准大气压  

温度:20℃

频率:40kHz

在1m处为参考0dB

结论:在较远的距离时,衰减非常严重,信号强度极低。随着距离的线性增加,信号衰减呈对数线性降低。

6)空气污染对衰减的影响

通常情况下,空气污染主要是指空气颗粒物对声波的散射带来衰减。

3.2.3放电类型对局部放电严重程度评估的影响

由于不同放电类型的严重程度是不一样的,我们在进行建模研究时必须要分别予以考量。根据放电发生的位置,局部放电通常可分为沿面放电、悬浮放电、电晕放电和气隙(内部)放电四种类型。

•沿面放电•

沿面放电是指沿气体和固体绝缘或者气体和液体绝缘表面发生的气体放电现象,一般在高压作用下发生于绝缘表面,例如电力系统中的很多悬式和针式的绝缘子、变压器套管和穿墙套管等。

它们大多位于空气中,当电压达到一定值时,这些瓷质设备的表面向空气放电,这种沿固体介质表面产生的放电被称作沿面放电。

当沿面放电贯穿两极时,形成沿面闪络。沿面放电比在空气中的放电电压低。

沿面放电按严重程度分为两级,先是沿面滑闪,即尚未发生击穿;后是沿面闪络,即沿面击穿。按照发展过程,可分为四个阶段,即电晕放电、辉光放电、滑闪放电和沿面闪络。按照介质类型,又可分为湿闪和污闪。

湿闪是固体表面有水膜时的沿面放电,通常是下雨天导致的,其影响因素为固体介质材料,主要取决于该材料的亲水性或憎水性。大气压增大时,闪络电压增加不多,湿度小于40%时,无影响;大于40%时则由水分在介质表面的凝结情况而定。

污闪是绝缘子污染状态下的沿面放电。绝缘子污染通常可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧出现和发展四个阶段。污闪的积污量与污秽的化学成分有关,通常用等值附盐密度表征其表面污秽度,即每平方厘米表面所沉积的等效氯化钠毫克数。

污闪造成的后果很严重。一个区域内绝缘子积污受潮情况差不多,因此容易发生大面积污闪事故,污闪事故自动合闸成功率远低于雷击闪落时,会导致事故的扩大和长时间停电。污闪造成的经济损失在各类事故中居首位。

预防沿面放电的方法主要是调整绝缘子片数、增加爬距,并定期清理绝缘子。

•悬浮放电•

高压电力设备中某一金属部件,由于结构上的原因,运输过程和运行中造成断裂,失去接地,处于高压与低压电间,按其阻抗形成分压。而在这一金属上产生一对地电位,称之为悬浮电位。

悬浮电位由于电压高,场强较集中,一般会使周围固体介质烧坏或炭化,也会使绝缘油在悬浮电位作用下分解出大量特征气体,从而使绝缘油色谱分析结果超标。当悬浮电位较大时会产生局部放电,例如变压器高压套管末屏失去接地就会形成悬浮电位放电。

•电晕放电•

电晕放电通常发生在毛刺处和表面不均匀的位置,其特征为电极附近空间发出蓝色晕光,伴有“嘶嘶”的响声,外加电压增大,电晕区会增大,电流也会增大,但处于绝缘状态。

电晕放电的危害主要表现在以下几个方面:

a)光、声、热等效应使空气发生化学反应,产生腐蚀作用。

b)电晕放电会导致传输功率损耗,因此电晕损耗是超高压输电电路设计必须参考的因素,比如坏天气时电晕放电就比好天气大得多。

c)电晕放电会对无线电和电视广播产生干扰,还可能产生超过环保标准的噪声。

•气隙(内部)放电•

气隙放电通常是由电缆、套管、GIS接头绝缘等固体绝缘中的缺陷造成的。气隙放电对绝缘极具破坏性,且通常会继续扩大,直到导致完全失效。

在日常的局部放电巡检案例中,沿面放电和悬浮放电的危害远远大于电晕放电,且电晕放电在电力场景中比较常见,即使检测出电晕放电,也不一定代表电力设备出现问题,再加上气隙放电很难通过声学手段进行有效探测,因此声学成像仪最常应用于沿面放电和悬浮放电的检测。

3.2.4放电阶段对局部放电严重程度评估的影响

局部放电的发展过程通常可分为起始阶段、发展阶段、并存阶段、临近击穿阶段和闪络阶段。我们在进行局放严重程度评估建模研究时,需要重点关注的是临近击穿阶段,该阶段是外部介入阻断局放危害的关键点,是进行预测性维护的有效阶段。

•起始阶段•

在这个阶段,局部放电通常是由绝缘体内部或表面的局部电场特别集中引起的,放电表现为持续时间小于1μs的脉冲。放电初始时微弱且不稳定,尚未形成明显的放电通道。

•发展阶段•

随着电压的升高和作用时间的延长,局部放电现象会逐渐加剧。在这个阶段,局部放电可能会在正半周和负半周都出现,放电更为剧烈,放电次数增加,放电幅值变大,放电相位变宽。

•并存阶段•

在这个阶段,电晕放电和流注放电可能并存。绝缘子表面电场畸变达到一定程度,缺陷周围的SF6气体逐渐发生电离,产生的电子崩汇集形成流注放电通道,并不断由缺陷处径向延伸,出现沿面爬电现象。

•临近击穿阶段•

随着外施电压的进一步增大,局部放电相位谱图正负半周放电强度激增,放电幅值变大,放电次数显著增加,放电通道进一步增长,盆式绝缘子临近沿面闪络,主要呈现为沿面流注放电特征。

•闪络阶段•

最终,如果局部放电没有得到控制,可能会发展到闪络阶段,导致绝缘击穿和电力设备故障。

在日常的局部放电巡检中,我们可以利用声学成像仪对电力设备进行一段时间内的持续监测,通过区间时段内的放电状态数据分析,有效评估设备所处的放电阶段,以判断其放电的严重程度。


写在最后 FINALLY

局部放电的监测与识别对于电力设备的安全运行至关重要,通过实时监测局部放电的发展过程,可以更好地评估绝缘缺陷的严重程度,帮助用户及时采取预防控制措施,避免潜在故障和危害。

本文深入探讨了声学成像技术在局部放电检测与严重程度评估领域的应用现状和技术局限性,详细讲解了基于声学数据驱动的局部放电严重程度评估方法以及影响建模研究的相关因素。

下一篇文章,我们将重点讨论局部放电超声源建模的研究以及未来技术发展方向。敬请期待!

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