基于TEV 檢測的10 kV 開關(guān)柜中局部放電定位方法

李銳鵬，吳英俊，劉 鵬，邢 雅，李洪杰

(1．西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安710049;2．國網(wǎng)浙江省電力公司 寧波供電公司，浙江 寧波315016)

0 引言

開關(guān)柜是配電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，對開關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測能發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期絕緣缺陷，避免重大事故發(fā)生［1～3，7］。

局部放電發(fā)生時會伴隨多種多樣的物理現(xiàn)象，因此局部放電檢測方法也多種多樣［4］。其中，基于電磁波檢測的暫態(tài)對地電壓(Transient Earth Voltage，TEV)法以其靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，且屬于非侵入式等諸多優(yōu)點被國內(nèi)電網(wǎng)公司廣泛應(yīng)用于開關(guān)柜局部放電檢測工作［4～6］。

當(dāng)前對電力設(shè)備局部放電檢測主要涉及放電強(qiáng)度、放電類型和放電定位這3 個方面內(nèi)容［7］。在確定有放電發(fā)生的情況下，準(zhǔn)確定位放電源意義非凡。由于TEV 法是基于電磁波原理的方法，設(shè)置多傳感器通過檢測各傳感器接受電磁波信號時間差可以判斷放電源的位置［1，7～9］。

目前市場上TEV 檢測設(shè)備很多都提供了定位功能，但現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，這些設(shè)備還存在諸多不足，甚至有定位不準(zhǔn)確的情況。究其原因主要是對信號到達(dá)時間先后判定上存在誤判。時間差的準(zhǔn)確高效判定是決定定位效果的最主要因素。

本文在介紹TEV 檢測原理和開關(guān)柜放電定位基本方法的前提下，介紹一種高效的放電脈沖自動提取方法和時間差自動確定方法，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了一套能夠自動提取脈沖，準(zhǔn)確判斷信號時間差的TEV 檢測及定位系統(tǒng)，并在實驗室中驗證了本文方法的可靠性。

1 局部放電的TEV 檢測及定位原理

1.1 局部放電的檢測

當(dāng)高壓開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電時，將產(chǎn)生電磁波并向各個方向傳播，并且高頻電磁波將在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等金屬屏蔽不連續(xù)處傳播出去，同時沿著柜體外表面?zhèn)鞑?，并在柜體表面產(chǎn)生一個暫態(tài)對地電壓(TEV)。因此通過電容傳感器耦合該TEV 信號就能獲知局部放電的相關(guān)信息［3～6，10］。

1.2 局部放電的定位

開關(guān)柜內(nèi)某處發(fā)生局部放電時，會以放電點為中心，以球面波的形式向空間發(fā)射電磁波。放電源與傳感器之間的射線的實際軌跡就是使光程(電磁波傳播的距離)取極小值的曲線［8］。通過4個傳感器同時接收放電信號從而獲得兩兩之間3組信號時間差來確定放電源的具體空間坐標(biāo)。

以圖1 為例，若記放電源P(x，y，z)到各傳感器Si(xi，yi，zi)(i=1，2，3，4)的傳播時間為ti，則有

式中:c 為光速。

圖1 開關(guān)柜局部放電定位示意圖

以其中一個傳感器為基準(zhǔn)(不妨選信號最先到達(dá)的傳感器為1 號)，則其他傳感器所得信號Si相對于參考傳感器電信號S1之間的時間差為t1i=ti-t1(i=2，3，4)。進(jìn)一步的可以得到式(2)的方程組。

其中:i=2，3，4。

將測得數(shù)據(jù)代入式(2)中，通過求解方程組即可得到放電源P 的準(zhǔn)確坐標(biāo)。

從上述定位原理可以看出，準(zhǔn)確確定信號到達(dá)的時間差是準(zhǔn)確定位放電源的決定因素，是評估一個定位方法的核心問題。

2 信號自動提取方法與匹配

顯然要想準(zhǔn)確確定信號到達(dá)時間差首先要準(zhǔn)確提取信號脈沖。實際應(yīng)用中為避免干擾等其他因素影響，通常采取采集若干周期信號進(jìn)行統(tǒng)計分析的方法。不可避免采集時間內(nèi)會有多個局放脈沖，對每一個放電脈沖利用定位方法進(jìn)行定位，將最后結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，從而得出最優(yōu)的放電源位置坐標(biāo)。

實驗統(tǒng)計結(jié)果表明，對于單一的局放脈沖其持續(xù)時間大于350 ns 小于800 ns，并且相鄰的局放脈沖之間的時間間隔一般大于1 μs，而干擾脈沖一般小于50 ns，因此可以選取一個長為500 ns，寬為閾值的時間窗沿時間軸滑動，以圖2 為例，當(dāng)某一點(A 點)落入時間窗后，表明該點為脈沖的起點，根據(jù)時間窗內(nèi)數(shù)據(jù)大于閾值的百分比可知脈沖的持續(xù)時間，從而判斷是否為干擾信號，若是，則繼續(xù)向右滑動，否則，選取如圖所示的虛線框確定的時間范圍的數(shù)據(jù)利用定位方法進(jìn)行定位，然后將時間窗的起點移至虛線框末端，繼續(xù)沿時間軸移動，進(jìn)行下一個脈沖的判斷［11］。

圖2 開關(guān)柜局部放電定位示意圖

當(dāng)某一通道傳感器的脈沖提取出后，另一個問題是如何與對應(yīng)的其他通道脈沖匹配，也就是說如何使提取的每個通道的脈沖對應(yīng)同一次放電。仔細(xì)分析開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，開關(guān)柜最大尺寸不超過2 m，也就是說通常用于定位的傳感器相互之間距離不會超過2 m，而2 m 對應(yīng)的電磁波傳播時間約為6．7 ns，根據(jù)前文相鄰的局放脈沖之間的時間間隔一般大于1 μs，遠(yuǎn)大于6．7 ns，因此在某一通道脈沖提取出后前后各延伸大于10 ns的時間長度，則與之對應(yīng)的其他通道放電脈沖也必將包含在內(nèi)，與此同時也自動的將其他放電引起的脈沖排除在外?？梢娗拔乃龅拿}沖提取方法能夠有效地實現(xiàn)放電脈沖的自動提取與匹配。

3 信號到達(dá)時間差確定方法

3.1 閾值法

目前市場上常用的TEV 檢測系統(tǒng)所采用信號到達(dá)時間確定方法為閾值法。閾值法［9］是最簡單且易實現(xiàn)的一種起始點檢測方法，把信號中超過某個閾值水平的點作為信號的起始點。其閾值可由式(3)定義。

式中:xthres為閾值，V;Pn為噪聲功率，W;m 為用戶可選擇的參數(shù)。

顯然從式中可以看出影響閾值法精度的兩個重要因素是噪聲和m 值的選取。尤其m 為人為選取，一方面其定位自動化程度不高，另一方面當(dāng)噪聲水平一定時，其定位準(zhǔn)確性受m 值影響很大。

以圖3 所示為例，這是實際測量所得的一組2路TEV 信號。選擇不同的m 值，使得閾值xthres分別為10 mV 和30 mV，很明顯看出二者將得出完全不同的時間差結(jié)果，其中閾值選為30 mV 其結(jié)果顯示A 波領(lǐng)先B 波50 ns 左右，這與實際情況嚴(yán)重不符，這也是很多檢測設(shè)備現(xiàn)場定位誤判的一個很重要原因。

圖3 一組2 路TEV 信號波形

可見，采用閾值法進(jìn)行時間差計算時存在明顯不足。

3.2 Akaike 信息準(zhǔn)則法

Akaike 信息準(zhǔn)則法［12］(Akaike Information Criterion ，AIC)表示任意一個時間序列可以分離成靜止的片段，且每一個片段皆可建模為一個自回歸過程，在脈沖到來與結(jié)束時自回歸系數(shù)(AR)的值或順序的改變以一個全局最小值的形式指明脈沖起始時間。AIC 法在地震學(xué)中應(yīng)用較為廣泛。

長度為N 的一維局放信號x，其AIC 定義為式(4)。

圖4 一個典型TEV 信號的AIC 分析

另一方面從式(4)還可以看出AIC 法確定時間差的運(yùn)算過程不涉及人工選取參數(shù)的環(huán)節(jié)，也就是說其求解過程可以實現(xiàn)完全的自動化，因此結(jié)合自動提取脈沖方法，可以實現(xiàn)智能的信號脈沖提取與時間差精確確定自動化過程。

4 測量系統(tǒng)的組建

4.1 傳感器

本文使用的地電波傳感器為EA 公司生產(chǎn)的PDL1 所配帶的探頭，如圖5 所示。該探頭的主要參數(shù)如下:(1)帶寬BW(-3 dB):3～80 MHz;(2)輸入阻抗:50 Ω;(3)最大靈敏度:1 mV。

圖5 TEV 傳感器外觀

4.2 數(shù)據(jù)采集單元

本文采用的數(shù)據(jù)采集卡為英國PicoTech 公司的PicoScope 6000 系列產(chǎn)品中PicoScope 6402，如圖6 所示。這是一款優(yōu)秀的四通道數(shù)據(jù)采集卡，具備出眾的采樣與信號調(diào)理功能，四通道同時運(yùn)行時的每通道采樣率可高達(dá)1．25 GS，即可以分辨0．8 ns 精度的時間差。因此理論上可以定位30 cm以內(nèi)的放電位置。其數(shù)據(jù)接口采用高速USB2．0接口，能夠很容易與計算機(jī)構(gòu)成便攜式的局放測試系統(tǒng)。

圖6 PicoScope 6402 外觀

4.3 計算機(jī)系統(tǒng)

本文采用的計算機(jī)系統(tǒng)為Lenovo X210e，其CPU 主頻2 GHz，機(jī)身內(nèi)存1 GB，能夠較快處理采集的數(shù)據(jù)。

計算機(jī)系統(tǒng)所使用的軟件系統(tǒng)是用Visual Basic 6．0 編寫的可視化應(yīng)用界面。該軟件集信號采集、數(shù)據(jù)處理及放電源定位等功能于一體，相較于傳統(tǒng)的TEV 測試系統(tǒng)，通過選擇工作模式，該系統(tǒng)能夠采集并處理采集卡所獲取的雙通道或四通道TEV 波形數(shù)據(jù)，并利用前文所述的方法進(jìn)行自動提取脈沖，利用Akaike 信息準(zhǔn)則法實現(xiàn)時間差的自動求取，然后利用定位原理給出參考放電源位置。

其從采集到結(jié)果輸出實現(xiàn)了高度的智能化和自動化，可為現(xiàn)場的測試工作提供很大便利。圖7 為該測試軟件在雙通道工作模式下的基本界面。

圖7 測量軟件界面

5 試驗測試分析

本文利用所組建的測試系統(tǒng)在實驗室進(jìn)行了試驗驗證，并將測試結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)備的閾值法結(jié)果進(jìn)行對比。

5.1 試驗方案

為了更好地驗證本文測試系統(tǒng)所用的AIC 分析求取時間差的準(zhǔn)確性。采用了如圖8 的傳感器布置策略。

圖8 試驗布置示意圖

將4 個傳感器等間距排開，相間約60 cm，放電源放置在A 通通左側(cè)，因此理論上測得的信號到達(dá)順序應(yīng)為ABCD，并且相鄰信號時間差約為2 ns。即BA，CA 以及DA 的時間差理論值為2 ns，4 ns，6 ns。

5.2 試驗結(jié)果分析

在5．1 試驗布置下，用本文組建的測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，得到一典型實測圖，如圖9 所示。

從圖中可以看出測試結(jié)果從時域波形圖上能夠直觀地看出信號到達(dá)順序為A-B-C-D，且相鄰?fù)ǖ罆r間差基本一致。對該試驗數(shù)據(jù)利用本文的Akaike 信息準(zhǔn)則法和傳統(tǒng)的閾值法進(jìn)行時間差分析分析，所得結(jié)果如表1 所示。

圖9 一個典型的實測信號圖

表1 3 種方法求得的信號時間差 ns

結(jié)果顯示，利用AIC 法和閾值為5 mV 的閾值法所得結(jié)果與理論值是比較接近的，這里存在誤差的原因一方面是電磁波傳播過程的復(fù)雜性造成的，但更主要的原因是所用采集卡采樣率造成的，在1．25 GS/s 的采樣率下采樣時間間隔只有0．8 ns，在這樣的精度下可以認(rèn)為試驗結(jié)果與理論值是一致的。

此外無論從時域波形上還是閾值法計算結(jié)果顯示，在以10 mV 為閾值的情況下所表現(xiàn)的時間差與實際均存在嚴(yán)重的偏差。可見閾值法的測試結(jié)果在不合適的閾值下存在誤判情況。

綜上，利用AIC 法能夠智能的實現(xiàn)信號時間差的自動計算，提高了測試系統(tǒng)的自動化程度，具有優(yōu)良的現(xiàn)實應(yīng)用價值。

6 結(jié)論

本文基于TEV 法的開關(guān)柜局部放電定位方法為主要內(nèi)容，介紹了一種自動提取脈沖的方法。對比分析了傳統(tǒng)測試儀器局放定位所用的閾值法與本文提出的Akaike 信息準(zhǔn)則法。結(jié)果表明后者具有更佳的時間差確定精度同時兼?zhèn)淞烁叨鹊闹悄芑^程?；诖私M建了包括傳感器、高速采集卡以及可視化信號處理軟件的10 kV 高壓開關(guān)柜局部放電檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了地電波信號的采集、顯示、信號時間差準(zhǔn)確求取，完成了局部放電源的快速可靠定位，克服了目前傳統(tǒng)檢測設(shè)備存在不能可靠定位的問題，并且從采集到定位相較傳統(tǒng)方法具有高度的智能化、自動化。實驗室試驗結(jié)果表明，本文所提出的局放自動定位方法和基于此的測試系統(tǒng)具有較高的智能度與準(zhǔn)確度，值得推廣應(yīng)用。

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