一種超聲波局部放電檢測輔助裝置的研制

董小順，劉 鵬，王 喆，宋昆峰，馬海軍，何海丹

(國網新疆電力有限公司烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830001)

0 引 言

近年來，GIS設備因其結構緊湊、絕緣性能好、可靠高、安全性強、環境適應能力強、占地面積小及安裝便捷等特點在電力系統中被廣泛使用[1-2]。GIS設備中的電氣元件都封閉在金屬外殼中，結構密閉、內部電場比較集中。當存在電暈、自由金屬顆粒、導體或接觸電極的突起或毛刺、懸浮電位等缺陷時引發設備局部放電，如果不能及時檢測并進行處理，絕緣性能將遭到嚴重的破壞，最終導致設備故障，造成重大的停電事故，極大地降低設備可靠性[3]。由于GIS設備結構密封性，當其發生故障時，故障定位難，故障處理時間長，維修困難，耗時耗力，而且還需要進行大面積的停電[4]，因此，GIS設備的安全穩定運行對于電網安全的重要性日益凸顯。

目前，GIS設備局部放電故障檢測主要利用超聲檢測技術或者超高頻檢測技術[5-10]。超聲波檢測技術具有抗電磁干擾能力強、便于實現放電定位等優勢，是目前除了特高頻檢測方法外最為成熟的局部放電檢測方法之一。目前超聲波局部放電測試儀主要設備有主機、超聲波傳感器及信號傳輸，超聲波傳感器通過信號傳輸線與主機相連。各個地區GIS布置各不相同，在檢測過程中需要根據檢測位置登高或將傳感器伸向遠處等各種操作[11-12]。在登高作業過程中，檢測人員要將探頭牢固地貼在GIS的外殼表面等指定位置，勞動強度大、耗時耗力且危險性高：在安裝和拆除探頭時無法完全避免探頭與設備外殼的碰撞，易造成探頭的損壞，嚴重影響局部放電檢測工作的開展；對母線或套管出線部位進行檢測時，工作人員與裸露帶電部分距離很近，易發生感應電傷人事故，需專人監護以確保足夠的安全距離；有些測試點所在位置狹小，檢測人員無法靠近。

鑒于上述問題，提出了在不改變原有超聲波測試儀結構的基礎上，增加可拆卸的伸縮絕緣桿、超聲波傳感器固定組件、傳感器與絕緣桿連接部分組件、無線傳輸信號組件以及伸縮絕緣桿固定底座的設想。根據設計思路，將各個部件組裝并應用于現場，現場檢測結果表明，該裝置提高了工作效率，降低了勞動強度，保證了人身安全。

1 超聲波局部放電檢測輔助裝置設計

傳統超聲波檢測裝置是大都由設備主機、超聲波傳感器以及信號傳輸線組成，現有的設備已無法滿足現代電網帶電檢測的需求。針對這一問題，在傳統超聲波局放檢測裝置的基礎上，增加了伸縮絕緣桿、超聲波傳感器固定組件、無線傳輸模塊以及固定底座，如圖1所示。

圖1 便攜式超聲波檢測裝置

1.1 伸縮絕緣桿設計

伸縮式絕緣桿主要采用優質玻璃纖維布、環氧樹脂、306樹脂苯酐、玻璃鋼纖維布以及固化劑等絕緣材料制成。可以根據現場需求，設計不同長度、不同電壓等級的絕緣桿，并且該技術較為成熟。伸縮絕緣桿的應用可以避免人員登高作業，降低工作效率。

1.2 傳感器固定結構設計

要滿足遠程測試過程中傳感器與GIS殼體緊密接觸避免測試時信號衰減，就必須對原有的傳感器外殼進行重新設計并加裝防護，來提高傳感器的機械強度。因此根據超聲波傳感器的外形以及現場操作實際情況，設計了傳感器固定結構，主要由彈簧底座、外殼及傳感器金屬卡環組成，簡易設計圖如圖2所示。

圖2 傳感器固定方式設計

主要設計思路：將傳感器嵌入到外殼內，配置專用金屬固定卡環；在外殼內底部設置彈簧底座，將傳感器內嵌于卡槽中且依托于彈簧之上。傳感器通過伸縮絕緣桿上舉進行測試時，金屬卡環可將傳感器可靠固定于外殼內，彈簧將在傳感器與殼體接觸時進行緩沖并達到防止抖動的效果。

1.3 傳感器與絕緣桿連接部分設計

測試過程中常常需要根據測試部位實時調整探頭方向，現場作業時具有一定的不便。考慮這一因素，借鑒相機云臺(見圖3)可以萬向轉動的設計理念，設計了連接部分，如圖4、圖5所示。

圖3 相機云臺轉動裝置

圖4 模型

所設計的萬能轉向連接部分能夠實現傳感器的水平0°至360°、垂直0°至90°范圍內任意角度固定。通過該設計理念可以高效地將傳感器對準被測物外殼，實現有效貼合，更方便現場測量。

圖5 實物

1.4 無線傳輸信號模塊設計

Zigbee技術是目前比較流行的有較大優勢和較高關注度的無線傳輸技術，具有能量損耗較小、傳輸速率高的優點，且適合傳輸電氣設備之間距離近的數據。這里通過無線傳輸技術，將傳感器采集到的信號傳輸到主機，但這涉及信號衰減和延遲的問題。因此，在超聲波傳感器后方加裝了一個信號調理器，并利用前置放大電路放大信號，再將接收到的信號匯集后用ZigBee技術傳輸回主機的方式，可以解決信號衰減和延遲問題，實現了信號無線傳輸。其設計簡易圖如圖6所示。

圖6 簡易設計示意

1.5 伸縮絕緣桿固定底盤設計

現場實際檢測時需要對絕緣桿進行扶舉，而人為施力容易造成絕緣桿移動，導致測試不準確。因此考慮在伸縮絕緣桿底部加裝固定底盤，將絕緣桿部分放置固定在地面，使得測試過程中桿體穩定。固定底盤設計如圖7所示，模型如圖8所示。

圖7 伸縮絕緣桿固定底盤設計

圖8 伸縮絕緣桿固定底盤模型

所設計的固定底盤可自由調節絕緣桿角度(0°～90°)，當測試桿長度大于GIS離地高度時，可調節絕緣桿角度，使其傾斜依靠GIS外殼以便測試。

2 現場檢測

根據設計思路將各個部分組裝后，在220 kV某變電站與傳統的手持傳感器測試方式取得的數據進行了對比，如圖9所示，測試數據比對如表1所示。表2為測試時間對比。

圖9 帶電局部放電測試儀超聲無線測量裝置應用前后對比

表1 GIS設備局部放電測試數據比對

表2 GIS設備局部放電測試時間比對

由表1、表2可知，檢測的數據誤差率均在±5%以內，但大大縮減了檢測時間，既省時省力，又避免了人員登高作業的危險。

3 結 語

1)提出了一種新型超聲波局部放電檢測輔助裝置的設計思路，在不改變原有測試儀結構的基礎上，增加可拆卸的伸縮絕緣桿、超聲波傳感器固定組件、傳感器與絕緣桿連接部分組件、無線傳輸信號組件以及伸縮絕緣桿固定底座。

2)現場測試數據表明，所設計裝置不僅實現了原有測試儀的功能，而且避免了人員登高風險以及防止傳感器表面與GIS外殼發生碰撞和摩擦，提高了工作效率，降低了勞動強度。