李长元
国网福州供电公司 福州 邮编:?350000
摘要：随着社会经济的迅速发展，我国电力行业也随之不断进步，由于在对气体绝缘金属封闭开关设备进行局放时会产生较为繁杂的声场效应，因此，不宜直接对气体绝缘金属封闭开关设备的实物进行分析，因此，针对该现象可以对声场构建流固耦合的模型，从而进行分析，然后将气体绝缘金属封闭开关设备内部的声源、中心导电杆和外部腔室所形成的耦合作用运用有限元法进行计算，达到对气体绝缘金属封闭开关设备筒壁中声压散布和声压传播特征分析的目的。完成分析后可以充分了解气室中声波的传播规律，与其他某一个气室相比，当声波在通过气室法兰时会呈现出显著的减弱现象，而且部分声波会被反弹。所以，必须采用具有较高灵敏度和宽频带等特征的超声波传感器，同时由于气室的外部声压较小，为避免信号失真需要对采集信号进行放大的处理。
关键词：高压组合电气；开关放电；声压仿真分析
气体绝缘金属封闭开关设备是指部分采用高于大气压的气体作为绝缘机制的金属封闭开关设备和控制设备。气体绝缘金属封闭开关设备是运行可靠性公安、维护工作量少、检修周期长的高压电气设备，这种高压电气设备的故障率只有常规设备的20%至40%，但是气体绝缘金属封闭开关设备也有一定的缺点，会因SF6气体的泄露、外部水分的渗入、到店杂质的存在以及绝缘子老化等因素影响，会导致气体绝缘金属封闭开关设备内部闪络出现故障。除此之外，气体绝缘金属封闭开关设备的全密封性结构会形成故障定位和检修困难的问题，检修工作复杂，而且停电检修的时间也比常规设备更长，停电的范围也会更大，经常涉及非故障元件。
一、声波在GIS中的传播
因液体和气体中只存在从波，因此，如果闪络产生放电的现象，在GIS的金属筒内沿SF6气体绝缘介质所传播的声波与在油中传播的声波则只有纵波，而标准压强下纵波在SF6气体的绝缘介质中只有156m/s的传播速度，相比于油中的传播速度更低，而且在经过结构体时，声波强度还会出现急剧衰减的现象。但是在固体中传播纵波与横波同时存在，这时，声波在气体绝缘金属封闭开关设备的结构中传播速度就能达到5000m/s，通常一米长的气体绝缘金属封闭开关设备的圆筒内的声波时间信号延迟最少0.2ms。由于绝缘介质和结构体中的声波传播途径相较复杂，会经过反射和折射通过SF6气体、金属的壳体后才能传播至传感器，然后由压电薄膜传感器获取超声波信号的形式。一般来讲声信号强度和路径有一定的关系，而声信号的形状则取决于气体绝缘金属封闭开关设备的内部结构组织[1]。不仅如此，按照振动法可以了解气体绝缘金属封闭开关设备的内部声波传播形成了流固耦合系统，知晓了声波和结构的相互作用问题是根据ANSYS的气体绝缘金属封闭开关设备闪络放电声学信号仿真分析中研究的关键核心。
二、GIS流固耦合仿真
（一）有限元分析
ANSUS能够对分析声学换能器进行模仿，而且对建筑工程的钢筋混凝土位移程度、变压器固有频率的震动特征以及各种应力和耦合系统，具有强大的前后处理性能，具备相较简易的求解耦合系统的方式。为充分了解声波在气体绝缘金属封闭开关设备中的传播特征，从而做出检测超声信号的计划。首先，构建出物理模型，模仿出预期气体绝缘金属封闭开关设备金属筒壁的单频率声压图和设置点随频率进行变化的声压图，通过声压图分析出声波的传播特点。
依靠已经收集气体绝缘金属封闭开关设备内部闪络放电形成的超声波信号频率，去设置气体绝缘金属封闭开关设备流固耦合场中的放电声源频率限制在20至80kHz，运用有限元分析法去求解声振耦合场能够满足其条件，而且通过比较，比网格划分金属圆筒和空气球体的效果要比运用边界法更好，因此，大部分仿真都会使用网格划分的方法。
（二）声场流体离散化有限原方程
根据气体绝缘金属封闭开关设备中声波的传播理论，要想避免外部因素的干扰，必须在标准的条件下进行仿真过程，并在对流固耦合场分析前对气体绝缘金属封闭开关设备的内部介质、声波和温度等因素进行限制，第一，空气和SF6绝缘介质不会形成热损耗的气体介质。第二，产生放电前，气体绝缘金属封闭开关设备的气室内没有声学的信号，所以，媒介不会流动。第三，产生放电震动声波的信号后，气体绝缘金属封闭开关设备气室内的绝缘介质并不会和外界形成热交换，然而在进行仿真的过程中也就不需要考虑温度会对声振耦合系统产生影响[2]。按照这些预期条件，在流固耦合场中需要对声场流体方程、离散化无损耗声波方程以及离散化六姑耦合方程进行考虑。
三、高压开关柜局部防电检测技术手段
在运行高压开关柜的过程之中，因开关柜内部出现的绝缘缺陷问题，会导致某一点形成过电流，该店就会产生局部防电的现象。伴随防电时间的增长，开关柜内部会出现一定量的电量信息和非电量信息，被统称为物理现象的信息，在物理环境变化的过程中表现出来，所以，如果对该部分的放点信息进行监测，就需要对当前运行环境下的开关柜运行状况进行判断[3]。而监测技术是面对的事实上应当是出现绝缘变化和局部放电问题之后开关柜自身的放电物理参量，该部分物理参量和常态参量间的差距过大，所以，可以使用监测的方法进行获取。在技术条件的内部，应当结合测算的方式，然后对放电信号的规模、位置以及影响范围进行精准的判断。通过对监测物理量不同的结合，当前运用在高压开关柜状态监测的局部放电监测技术分为脉冲电流检测法、红外检测法、化学检测法以及UHF法，但因传感器较高的成本和安装困难等问题，对技术以及环境条件的要求过高。
四、安装质量管控组措施
为符合特高压变电站工程建设管理的规定，现场必须通过车间式管理平台、安装质量管控记录卡以及安装全过程视频监控记录等方式进行管控。车间式管理平台原本是工业车间中对各个环节进行监测的管理系统[4]。借鉴于这种管理方式，在气体绝缘金属封闭开关设备的安装现场构建相关的管理平台，并将技术、安全和质量专项负责人员的生产任务派发、巡视检查记录从办公室迁移到现场的管理方式，不仅加强了管理的力度，还提供了现场作业面的监督凭据。按照安装流程了解工作内容和工作要求及标准，对每项工作的进度和实时监测的数据信息进行记录，工作完成后，该工作的负责人进行签字，能够对安装过程进行严格的质量管理和控制，从而落实工作责任。
五、结束语
综上所述，根据对气体绝缘金属封闭开关设备气室工作单元结构和内部出现局部放电形成声源的领悟，创建流固耦合的物理分析模型，使用ANSYS有限元分析软件同时对多个气体绝缘金属封闭开关设备气室工作单元结构由于放电产生的声辐射场进行了仿真。能够发现个别时间段非闪络放电的气体绝缘金属封闭开关设备气室中个别部分的声压值相对较大，所以，使用高强度对其进行判断的计划是不具有正确性的，完全可以按照信号延迟的特征把检测计划设置在出现闪络的时间段，获取时间最短的节点判断为故障点，是最为合理的方案。
参考文献：
[1]程景华,朱嘉林,岳雅茹.高压组合电器开关放电声压仿真分析[J].北京信息科技大学学报(自然科学版),2019,3404:46-50+55.
[2]曾庆忠,马小琴,王光明.气体绝缘金属封闭组合电器铜配管开裂的分析[J].上海电气技术,2020,1303:60-62+67.
[3]殷秀玲[1],宋刘洋[1],李阳[1],.高压组合电器开关放电声压仿真分析[J].装备维修技术,2020,(6)
[4]张英,牧灏.基于LoRa的气体绝缘组合电器SF_6泄漏报警监测技术[J].高压电器,2020,5609:74-79.