掃描式超高頻局部放電檢測法研究

崔 婷，逄 凱

(重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401123)

0 引言

局部放電檢測是電力設(shè)備絕緣檢測的重要手段。局部放電檢測不但能夠了解設(shè)備的絕緣狀況，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)因制造、安裝導(dǎo)致的設(shè)備缺陷，確定絕緣故障原因及嚴(yán)重程度。目前測量局部放電的方法有耦合電容法、光電法、氣體分析法、超高頻法、超聲波法等。其中超高頻局部放電檢測技術(shù)近年來得到較快發(fā)展，在GIS、變壓器、開關(guān)柜等電力設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。尤其是由于GIS的結(jié)構(gòu)為超高頻檢測提供了極為有利的條件，電磁波在其中以波導(dǎo)的方式傳播，有利于局部放電信號(hào)的檢測，因而該方法在GIS局部放電在線檢測中占有重要地位［1，2］。

超高頻法的基本原理是通過超高頻天線，耦合高壓電氣設(shè)備局部放電發(fā)射的超高頻電磁波信號(hào)，通過天線和濾波模塊的配合，采集存儲(chǔ)300MHz～3000MHz范圍內(nèi)的一個(gè)相對(duì)較窄的頻段，以避開常規(guī)電氣法中難以避開的干擾。與其他局放檢測方法相比，超高頻法具有靈敏度較高、抗干擾能力較強(qiáng)、可識(shí)別故障類型及進(jìn)行定位等優(yōu)點(diǎn)［3-5］。

目前常規(guī)的超高頻法難點(diǎn)在于信號(hào)采集，對(duì)于局放信號(hào)采集方式一般采用兩種方法。第一種是頻譜分析。UHF信號(hào)頻譜帶寬高達(dá)GHz，采用頻譜儀對(duì)UHF信號(hào)實(shí)施頻譜分析的方法直接對(duì)UHF原始信號(hào)進(jìn)行采樣，可以得到放電信號(hào)的波形，但工程運(yùn)用中干擾成分較多、成本較高、數(shù)據(jù)量龐大，不適合對(duì)現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測，僅用于實(shí)驗(yàn)室研究。第二種是包絡(luò)檢波法。利用超高頻包絡(luò)檢波電路提取GIS局部放電的超高頻信號(hào)包絡(luò)，并采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣，能夠獲取比峰值檢波更多的局部放電信號(hào)特征。該方法大大降低了采樣速率和數(shù)據(jù)量，同時(shí)幾乎保留了局部放電的所有細(xì)節(jié)。但因檢波電路參數(shù)選擇的影響［6］，可導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。

本文從掃描式超高頻監(jiān)測法的原理入手，設(shè)計(jì)其系統(tǒng)方案，并通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該方法的有效性。

1 掃描式超高頻監(jiān)測法

1.1 掃描式超高頻法的基本原理

在工頻高壓作用下，電氣設(shè)備的局部放電的發(fā)生是具有工頻周期性的，穩(wěn)定的局部放電具有放電連續(xù)性、放電幅值波動(dòng)不大、放電相位區(qū)間集中等特點(diǎn)。利用該特征，通過一個(gè)可調(diào)電平比較器對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行比較掃描，連續(xù)統(tǒng)計(jì)多個(gè)工頻周期的放電信號(hào)，結(jié)合算法最后提取局部放電的放電特征量及φ-q-n三維譜圖。

圖1為經(jīng)過濾波放大后示波器采集到的局部放電信號(hào)(橫軸2ms/div)。

圖1 掃描式系統(tǒng)采集原理

局部放電發(fā)生時(shí)，可掃描到一些峰值較高的放電脈沖，通過統(tǒng)計(jì)，可以估算出局部放電的脈沖幅值。比較電平可通過程序控制，設(shè)定比較電平使其從低到高一直增加，若多次增大比較電平均沒有掃描到放電脈沖，則程序停止掃描。每個(gè)比較電平下須進(jìn)行連續(xù)50、100個(gè)工頻周期的比較存儲(chǔ)并累加。為保證局部放電的相位區(qū)間特性，每次比較都必須在工頻電壓過“0”點(diǎn)觸發(fā)，且分配給每個(gè)相位區(qū)間固定的存儲(chǔ)地址。例如，設(shè)定比較電平為250mV，并將每個(gè)工頻周期劃分為10個(gè)相位區(qū)間，當(dāng)可編程門陣列(FPGA)在比較第n+1個(gè)工頻周期時(shí)，將0°～36°區(qū)間內(nèi)大于250mV的脈沖個(gè)數(shù)與前n個(gè)工頻周期該區(qū)間上所累加的個(gè)數(shù)相加，并覆蓋保存在地址D1，36°～72°區(qū)間大于250mV的脈沖個(gè)數(shù)也累加，并覆蓋保存與該區(qū)間固定分配的地址D2，以此類推將各自相位區(qū)間上的累加脈沖個(gè)數(shù)存于相應(yīng)分配的地址，最后可得到大于250mV比較電平的各個(gè)相位區(qū)間上的總脈沖個(gè)數(shù)。只要將比較電平改變的步進(jìn)設(shè)定得足夠小，工頻周期分成更多的相位區(qū)間，比較電平將趨近于放電脈沖最大值。最后可以較準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出放電平均峰值、放電相位區(qū)間、放電次數(shù)，并繪制出φ-q-n三維譜圖。

1.2 信號(hào)預(yù)處理

UHF法外置天線傳感器是通過檢測盆式絕緣子縫隙泄漏出的電磁波來檢測局放信號(hào)，此局部放電信號(hào)非常微弱，且干擾主要集中在低頻段，故用前置放大濾波器與天線傳感器共同組成超高頻檢測系統(tǒng)，以增加信噪比和局部放電的檢測靈敏度。同時(shí)，UHF法的測量頻率范圍為 0.3～3GHz，而大于1GHz的局部放電信號(hào)較弱，故設(shè)計(jì)濾波單元的工作頻帶為0.3～1.5GHz，放大器的放大倍數(shù)有20dB和40dB兩個(gè)等級(jí)可供選擇。

1.3 φ-q-n譜圖的獲取

根據(jù)上述方法得到100個(gè)工頻周期內(nèi)、每級(jí)比較電平下、每個(gè)相位區(qū)間的相應(yīng)的脈沖數(shù)，便可獲得脈沖電平、相位區(qū)間以及放電脈沖數(shù)三者之間的關(guān)系。而脈沖的電平與其局部放電量有著緊密的關(guān)系，因而也可以間接得到局部放電量、相位區(qū)間、放電脈沖數(shù)的關(guān)系，繼而得出φ-n，φ-q，φ-q-n放電譜圖。

2 掃描式超高頻局部放電監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.1 超高頻天線傳感器

影響局部放電檢測的外部噪聲頻率范圍一般從幾kHz到幾十MHz，而局部放電信號(hào)為1～2 ns的單脈沖，頻率高達(dá)1GHz以上，因此在強(qiáng)噪聲環(huán)境中檢測局部放電信號(hào)時(shí)，超高頻傳感器有較大優(yōu)勢。

常用的UHF傳感器一般有內(nèi)置式和外置式。內(nèi)置傳感器有較高的靈敏度，但對(duì)于制造安裝的要求較高。相對(duì)于內(nèi)置傳感器，外置傳感器的靈敏度要差一些，但安裝靈活、不影響系統(tǒng)的運(yùn)行、安全性較高，因而也得到了較為廣泛的應(yīng)用［7］。

該方案采用了外置式Hilbert分形天線。小型化Hilbert分形天線依據(jù)Hilbert分形曲線設(shè)計(jì)而成，通過優(yōu)化天線的幾何結(jié)構(gòu)及參數(shù)，使天線最低諧振頻率處于局部放電超高頻檢測頻帶中，從而可檢測電氣設(shè)備的局部放電［8-10］信號(hào)。

2.2 脈沖信號(hào)的采集系統(tǒng)

超高頻局部放電掃描式監(jiān)測系統(tǒng)，其硬件部分主要包括掃描式智能模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、分形天線傳感器、觸發(fā)裝置及監(jiān)控主機(jī)等。圖2為掃描式在線監(jiān)測系統(tǒng)智能組件單元框架圖。

圖2 掃描式在線監(jiān)測系統(tǒng)智能組件單元框架圖

該方案采用了ADCMP567超快型電壓比較器，脈沖寬度200ps，可實(shí)現(xiàn)局放脈沖信號(hào)的采集與比較?，F(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Arrays，F(xiàn)PGA)主要實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)的統(tǒng)計(jì)功能。系統(tǒng)工作時(shí)首先通過天線傳感器耦合電氣設(shè)備的局部放電脈沖信號(hào)，選擇多路選擇開關(guān)其中一路，將耦合的局部放電電磁波信號(hào)通過濾波單元進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，再通過放大單元將局部放電脈沖信號(hào)放大后輸入比較器。比較器另一端的比較電平由PC機(jī)控制FPGA設(shè)置，F(xiàn)PGA和PC機(jī)之間的通信采用以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。FPGA接收比較電平信號(hào)后，通過D/A轉(zhuǎn)換電路將比較電平轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸入至比較器作為比較器的閾值。

設(shè)定的比較電平與信號(hào)進(jìn)行比較時(shí)，比較器輸出高低電平，F(xiàn)PGA存儲(chǔ)高于比較電平的脈沖個(gè)數(shù)。同時(shí)FPGA將每個(gè)工頻周期等分為n個(gè)相位區(qū)間，每個(gè)相位區(qū)間通過FPGA分配一個(gè)存儲(chǔ)地址，最后實(shí)現(xiàn)m個(gè)工頻周期的累加。工頻信號(hào)可提供給FPGA一個(gè)上升沿過“0”的外觸發(fā)信號(hào)，這樣每個(gè)周期存儲(chǔ)在每個(gè)相位存儲(chǔ)地址上的數(shù)據(jù)便可對(duì)應(yīng)，使局部放電的相位特性能得到完好地保持。

掃描單元在工頻高壓的上升沿過“0”點(diǎn)觸發(fā)，需采集高壓端上的工頻電壓信號(hào)。而直接從高壓端引線獲取信號(hào)，容易損壞設(shè)備且操作困難。由于母線上的高壓頻率與變電站供電的頻率很接近，工程上可用220V供電電壓的過0點(diǎn)作為觸發(fā)。本系統(tǒng)采用的觸發(fā)獲取方法如圖3所示，利用電量隔離傳感器直接從220V交流電插座上獲取信號(hào)，將220V的交流電壓降為頻率不變的5V交流電壓信號(hào)。然后通過過0點(diǎn)比較器將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，方波上升沿作為觸發(fā)。

圖3 外觸發(fā)原理圖

利用Matlab軟件編寫對(duì)FPGA讀入?yún)?shù)及讀出采集數(shù)據(jù)的函數(shù)，根據(jù)FPGA的工作流程及其數(shù)據(jù)的格式，編寫Matlab程序，從而可由采集到的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理并畫出放電譜圖。

圖4 局部放電超高頻采集系統(tǒng)

2.3 φ-q-n放電譜圖的繪制

采用Matlab軟件向FPGA輸入相關(guān)控制參數(shù)，包括參考電平、采集周期數(shù)、相位區(qū)間數(shù)、IP地址以及觸發(fā)方式，控制脈沖信號(hào)與參考電平的比較。然后，從FPGA讀取比較后的數(shù)據(jù)結(jié)果。最終，處理采集到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制φ-n，φ-q，φ-q-n放電譜圖。

Matlab編程的流程圖5所示。

圖5 放電譜圖獲取流程圖

3 局部放電試驗(yàn)研究及特征量提取

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖6所示為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)掃描式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線圖。試驗(yàn)選擇針——板典型放電模型模擬局部放電。圖中位置10處為分形天線傳感器。12為智能掃描式采集單元盒，該單元盒分上下兩層，底層為信號(hào)的放大濾波模塊，頂層為以FPGA為核心的集成電路，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)掃描、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。示波器接兩路信號(hào):一路為脈沖電流傳感器過來的信號(hào);另一路為由分形天線接收并放大濾波后的信號(hào)。

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究人員將掃描式系統(tǒng)采集的信號(hào)與脈沖電流法所采得的信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比。

圖7是示波器檢測到的放電信號(hào)，其中C1(100mv/div)通道輸出掃描式系統(tǒng)濾波放大后的超高頻信號(hào)，C2(20mv/div)通道輸出脈沖電流法的信號(hào)。由圖可見，發(fā)生局部放電時(shí)，超高頻法和脈沖電流法均可檢測到放電信號(hào)，且檢測到的放電信號(hào)時(shí)間上具有一致性。通過放大濾波后的超高頻信號(hào)幅值明顯比脈沖電流法的信號(hào)要高，這有利于信號(hào)幅值的提取和判斷分析。

圖7 脈沖電流法和UHF監(jiān)測局放信號(hào)對(duì)比圖

試驗(yàn)系統(tǒng)中，變壓器油中針——板放電模型的針電極與板電極之間相距2mm，通過逐漸增加試驗(yàn)電壓U直到測到局部放電信號(hào)，并利用Matlab采集、處理及繪制譜圖程序，最終獲得了φ-n、φ-q二維譜圖及φ-q-n三維譜圖，及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 φ-n譜圖(U=23kV，參考電平100mV)

圖9 φ-q譜圖(U=23 kV，參考電平100mV)

圖10 φ-q-n放電譜圖(U=23 kV，參考電平100mV)

4 結(jié)論

1)局部放電超高頻掃描式在線監(jiān)測系統(tǒng)，不需要A/D采集卡，即可實(shí)現(xiàn)超高頻放電信號(hào)的特征量提取與局部放電φ―q―n譜圖的獲取。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)就地?cái)?shù)字化，避免信號(hào)的衰減。

2)通過新型局部放電超高頻掃描式測量方法獲取的局部放電特征量所繪制的φ―q―n譜圖，同脈沖電流法獲取的放電三維譜圖結(jié)構(gòu)一致，證明該系統(tǒng)同樣能達(dá)到檢測和模式識(shí)別的作用。

3)局部放電超高頻掃描式在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠長時(shí)間連續(xù)地采集超高頻放電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器、GIS、高壓開關(guān)柜、發(fā)電機(jī)等高壓電器設(shè)備局部放電的在線監(jiān)測。

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