規(guī)劃輸變電工程局部放電在線超高頻監(jiān)測方法研究

唐 霞

（國網(wǎng)重慶市電力公司 南岸供電分公司，重慶 401336）

規(guī)劃輸變電工程局部放電在線超高頻監(jiān)測方法研究

唐 霞

（國網(wǎng)重慶市電力公司 南岸供電分公司，重慶 401336）

總結(jié)在線監(jiān)測技術研究傳統(tǒng)方法的缺陷，利用掃描法研發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)，在線檢測系統(tǒng)能夠在較多電力系統(tǒng)中得到應用，并較好彌補了之前方法存在的不足。

局部放電；在線監(jiān)測；電平掃描

0 引言

局部放電現(xiàn)象是指在電氣設備中外加電壓產(chǎn)生足夠多的場強，致使絕緣部分發(fā)生區(qū)域性放電，但沒有形成固定放電通道的放電現(xiàn)象。局部放電主要指的是電力設施設備（尤其是高壓設備）以及電力設備絕緣在上述條件下的局部區(qū)域內(nèi)的放電。局部放電將致使導體與導體之間的局部絕緣產(chǎn)生短路，進而無法形成導電通道。對絕緣介質(zhì)而言，每一次的局部放電都會產(chǎn)生一些程度不同的影響。電力設備絕緣產(chǎn)生的影響中，較為輕微的局部放電影響較小，絕緣強度相應下降得比較慢;較為劇烈的局部放電影響較大，絕緣強度下降十分迅速，也會使電氣設施設備的絕緣迅速損壞。為避免在正常電壓下運行的過程中，高壓電力設施設備發(fā)生比較劇烈的局部放電，從而影響其正常運行，必須對其進行局部放電在線監(jiān)測，以便及時監(jiān)測出高壓設備內(nèi)部局部放電程度與運行狀態(tài)，便于維修與更換，防止由于局部放電引起的設備不穩(wěn)定事件與故障的發(fā)生。

目前，主要的在線監(jiān)測電力設備設施內(nèi)部局部放電的方法為超高頻（Ultra High Frequency）在線局部放電監(jiān)測系統(tǒng)。但是若要廣泛應用該系統(tǒng)還需要解決以下幾個問題：UHF的局限性主要在于其數(shù)據(jù)信息處理量大，設備運行狀態(tài)不能及時做出反應，成本較高，干擾信號影響結(jié)果判定等。

本設計研究的是電平掃描式的超高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在原有傳統(tǒng)基礎上，彌補了一定不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：最大限度降低了干擾的影響；信息采集就地數(shù)字化，實現(xiàn)了數(shù)字化通訊，能避免信號衰減的影響；利用多算法進行數(shù)據(jù)處理，響應速度快，成本低，易于運用。這一系統(tǒng)在維護電網(wǎng)內(nèi)設備穩(wěn)定運行與及時監(jiān)測局部放電信號上，都有重要的意義。

1 設計電平掃描式超高頻系統(tǒng)方案

采集通過電平掃描式方式進行，在此基礎上，可以設計出超高頻局部放電監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示。該方法設計的在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有以下幾個特點。

圖1 超高頻局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)圖

（1）在現(xiàn)場或者傳感器的附近放置掃描采集單元可以就地數(shù)字化放電信號，以太網(wǎng)以及工作站可以實現(xiàn)通訊功能。通訊是采用數(shù)字信號，最大限度地減小信號衰減，系統(tǒng)便于實現(xiàn)分布式功能，有良好的擴展性能。

（2）在掃描采集單元工作中，單次采集收集到的數(shù)據(jù)是一個數(shù)組，通過工控機與掃描采集單元通訊，在一次完整的采集中，獲得的是一個成n行m列的矩陣數(shù)據(jù)，在信號時域上的特征均能體現(xiàn)在該矩陣包中，通過這些數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)特征量的計算和φ-V譜圖、φ-n譜圖、φ-V-n譜圖的繪制,也可以進行模式識別。

（3）該方法的計算速度較快，能夠與高頻比較器相配合得到完整脈沖數(shù)量的統(tǒng)計。主要是因為其使用的邏輯器件能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模復雜的編程任務，并且嵌入式處理器也被使用在掃描采集單元當中。

（4）通過該系統(tǒng)可以進行數(shù)據(jù)的及時處理，并且擁有較為簡單的算法。主要是因為通過系統(tǒng)采集的矩陣數(shù)據(jù)量比較小，另外該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)及時的報警與在線監(jiān)測的實時進行。

1.1 在線檢測系統(tǒng)方案設計

由掃描采集單元（由放大濾波、比較模塊、多路開關、FPGA等主要元件組成）、工控機、超高頻天線組成的電平掃描式的超高頻監(jiān)測系統(tǒng)具有較多的功能，可以通過信號采集從而實現(xiàn)局部放電信號的狀態(tài)分析，為判斷GIS設備的絕緣狀況提供依據(jù)，能夠通過學習手動與在線自動循環(huán)兩種方式進行局部放電信號的監(jiān)測，也能夠?qū)崿F(xiàn)儲存與查詢歷史數(shù)據(jù)，以及查詢歷史曲線等功能。

在安裝天線位置問題上，內(nèi)置天線與外置天線為超高頻天線的兩個類型。在安裝條件允許的情況下，選擇內(nèi)置天線，主要是因為其在電氣設備的內(nèi)部有較好的屏蔽效果，使信號的接收干擾相對較小。

電平掃描式的核心組成部分是在線監(jiān)測系統(tǒng)的掃描采集單元，由濾波放大模塊、比較器模塊、多路開關模塊、通訊模塊、FPGA共同組成。在組件選擇上，本設計選擇的是模擬帶寬為300～750 MHz的濾波放大器模塊，選擇12選1的多路開關模塊，選擇能夠與工控機實現(xiàn)通訊的通訊模塊，能夠進行統(tǒng)計與掃描高頻信號的比較器模塊和FPGA模塊。

1.2 帶電檢測儀器方案設計

如圖2所示，UHF的超高頻信號掃描采集單元與可以進行PD人工智能分析的筆記本電腦一起構(gòu)成了電平掃描式局部放電的帶電監(jiān)測裝置。通過網(wǎng)線將電腦連接到超高頻信號掃描采集單元上，超高頻PD信號利用掃描采集單元進行接收與采集。在掃描采集單元上，對于可以進行獨立掃描與采集，并且有獨立掃描采集通道的超高頻天線，配置的數(shù)目為3個。掃描與采集通過超高頻天線的掃描采集通道獨立進行，可以用于定位放電源。

在線監(jiān)測在試運行過程中或者運行過程中的電力電氣設備就可以采用電平掃描式的局部放電帶電監(jiān)測裝置進行。在使用中需要調(diào)整超高頻天線的頻率響應特性，使之在受監(jiān)測設備的超高頻頻帶中，這樣才能夠提高靈敏度。通過使用帶電監(jiān)測局部放電的電平掃描式裝置，在現(xiàn)場可以選取信號放大倍數(shù)，也可以調(diào)整天線的耦合頻率。

圖2 電平掃描式局部放電帶電監(jiān)測裝置

1.3 系統(tǒng)設計

1.3.1 超高頻天線設計

在局部放電超高頻檢測進行中，超高頻天線是最關鍵的技術之一，因此其選擇尤為重要，要滿足以下幾個要求：有較好的抑制干擾、良好的信號接收功能；需要有合適的中心頻率與帶寬；需要有較高的靈敏度，并且駐波比小于2；需要匹配的超高頻天線阻抗。因為安裝位置的不同，電力檢測中將天線分為兩類：外置傳感器天線、內(nèi)置傳感器天線。內(nèi)置傳感器有較強的抗干擾力，且有較高的靈敏度，但是安裝需要在電力設備出廠前完成。外置天線相對內(nèi)置天線抗干擾能力較弱，容易受外部環(huán)境的干擾，但是安裝比較簡單，具有不影響電氣設備的內(nèi)部電場等優(yōu)點。在本設計中選用的天線中這兩種均有用到。目前，這兩種天線廣泛地應用在設備現(xiàn)場以及實驗室。

（1）微帶天線。

微帶天線是一種外置天線傳感器，適合在局部放電的檢測中使用，該天線的中心是390 MHz，天線的工作頻帶是340～440 MHz，相對帶寬在25.6%，屬于寬頻帶天線。微帶天線的主要優(yōu)點是體積較小、重量較輕、剖面較薄，屬于線元天線范圍，而主要缺點是頻帶較窄。因為側(cè)面與背面均是金屬材料、面對信號接收一面敞開的設計，微帶天線更能夠減少干擾，在天線方向性上有很大提高。

駐波比是表征天線性能的一個重要參數(shù)，其主要用來表述在工程上天線與饋線的相匹配情況，其公式為

圖3中的曲線1表示仿真電壓駐波比，是利用Ansoft HFSS做出的，曲線2表示通過HP8720D標準分析儀進行實測得到的真實電壓駐波比。從圖中可以得到，微帶天線的中心是390 MHz頻率,駐波比的數(shù)值小于2時的絕對帶寬是340～440MHz，通過實測曲線與仿真曲線的比較可以得到，仿真曲線電壓駐波比相對小，效果要好些，在實測中，則有一定駐波比的數(shù)值偏差，但偏差處于誤差范圍內(nèi)。

圖3 微帶天線仿真與實測電壓

圖4 微帶天線的方向圖（400 MHz）

（2）Hilbert分形天線。

圖5是Hilbert分形天線的設計實物圖，它的特點是可以通過將變壓器放油閥放在變壓器的內(nèi)部作為內(nèi)置天線，并且體積很小，利用這項功能進行在線監(jiān)測變壓器內(nèi)部的局部放電。

圖5 三階Hilbert分形天線

如要該天線處于相對較優(yōu)狀態(tài)需要將其參數(shù)設為如下數(shù)值范圍：天線階數(shù)n的數(shù)m值為3，其外圍尺度L的數(shù)值為30 mm，電介質(zhì)板介電常數(shù)的數(shù)值為4.4，介質(zhì)板厚度數(shù)值為1.6 mm，天線的線寬b的數(shù)值為2 mm。圖6（a）是處于765 MHz的頻率時，分形天線的仿真方向圖，從圖中可見，該天線具有比較好的三維方向性。圖6（b）為在1 GHz頻率內(nèi)，對三階Hilbert天線進行實測得到的駐波比圖，其駐波比數(shù)值約1.3，其諧振中心的頻率數(shù)值為765 MHz，駐波比在諧振頻率處通頻帶處于500～900 MHz時小于5。Hilbert天線能夠在進行變壓器的局部放電在線監(jiān)測中滿足系統(tǒng)要求，且頻率特性良好。

圖6 三階Hilbert分形天線的性能測試圖

1.3.2 信號預處理單元

本設計通過在一塊集成電路板上同時裝設濾波放大電路與多路選擇，可以實現(xiàn)通過高頻接口SMA_K將超高頻天線接收到的信號輸入四選一的多路選擇單元。本設計在濾波的頻率范圍上選擇處于300～750 MHz范圍內(nèi)，濾波放大模塊主要參數(shù)見表1，主要是為了減少復雜的現(xiàn)場條件、種類較多的干擾源以及較為強大的干擾信號，從而在硬件上減低與濾除通信干擾與低頻干擾。在在線檢測中應根據(jù)實際情況選擇較為合適的放大器進行增益。內(nèi)置天線情況下一般選擇增益為20 dB的放大器，而在外置天線的情況下一般選擇增益為40 dB的放大器以免信號衰減嚴重。

表1 濾波放大模塊主要參數(shù)

1.3.3 信號采集單元

如圖7所示，信號采集單元主要是通過ADCMP567比較器將放電信號進行比較實現(xiàn)信號的采集，并進行信號轉(zhuǎn)化，變?yōu)榉讲ㄐ盘枴Ｔ诒容^中，大于比較電平的放電脈沖部分變?yōu)?納入方波，同時，小于比較電平的放電脈沖變?yōu)?部分納入方波，對數(shù)據(jù)特征通過FPGA模塊進行存儲。結(jié)合觸發(fā)電平信號，F(xiàn)PGA模塊將在每一個數(shù)值為1的高電平上標注時間，從而便于相位信息的獲取。

在設計中選用的ADCMP567比較器主要參數(shù)為：傳播延遲值為250 ps、傳播延遲消散值為50 ps、過驅(qū)消散數(shù)值小于35 ps、等效的輸入上升時間帶寬數(shù)值為5 GHz、脈沖寬度值為200 ps，ADCMP567比較器是超快型的電壓比較器。

選用Stratix Ⅱ中的EP2S30系列作為FPGA模塊，其具有高達180 k的等價邏輯單元，具有達9 MB的嵌入式存儲器容量。FPGA模塊性能和密度均極高，其總功率也很好，能夠支持1 Gb/s高速差分I/O信號。

采集單元的核心器件就是FPGA與比較器，除此外采集元件還具有通信模塊、D/A轉(zhuǎn)換器模塊、電源模塊等。

圖7 信號采集單元

2 結(jié)論

（1）本文通過結(jié)合統(tǒng)計分析和掃描放電脈沖兩種方法，進行了超高頻放電信號特征量的提取，設計了能夠測量局部放電信號，能夠測得局部放電信號幅值、相位、放電脈沖個數(shù)等其他特征參數(shù)的超高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對電氣設備所發(fā)生的局部放電事件進行實時的記錄監(jiān)測與分析，獲取局部放電存在的φ-V譜圖、φ-n譜圖、φ-V-n譜圖，并且能夠跟蹤局部放電發(fā)展趨勢。

（2）由高頻放大濾波器、高頻比較器、復雜可編程邏輯器件組成的的掃描采集單元，使電平掃描式超高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)具有較多的優(yōu)點，彌補了之前傳統(tǒng)方法存在的不足，尤其是具有系統(tǒng)可靠性較高、集成度比較高、成本較低等優(yōu)勢。

（3）通過實驗驗證電平掃描式超高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)功能，驗證了該系統(tǒng)具有能在線監(jiān)測電氣設備局部放電，能夠長時間連續(xù)采集超高頻放電信號，能實現(xiàn)提取超高頻放電信號的特征量，能實現(xiàn)獲取與傳統(tǒng)方法提取的譜圖基本均一致的局部放電φ-V-n譜圖等功能。

（4）在線監(jiān)測系統(tǒng)為GIS局部放電分布式，具有整體監(jiān)測能夠在現(xiàn)場多放置電監(jiān)測點的功能；GIS變電站的掃描系統(tǒng)具有繪制出基本特征參數(shù)譜圖并提取基本特征參數(shù)的功能，且可以實現(xiàn)歷史查詢報警結(jié)果與放電監(jiān)測結(jié)果。系統(tǒng)的抗擾效果較好，降低了局部放電信號的畸變與衰減，實現(xiàn)信號的就地數(shù)字化。便攜式帶電檢測裝置則具有設備體積較小，易于操作等優(yōu)點。

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［6］ 成永紅.超高頻帶局部放電檢測研究［D］.西安：西安交通大學，2000．

A Study on the UHF Online Monitoring System for the Partial Discharge in Transmission and Transformation Projects

TANG Xia
（Nan’an Power Supply Branch of Chongqing Electric Power Corporation of SGCC，Chongqing 401336，China）

This article summarizes current online monitoring technologies and studies the defects of traditional methods．Based on the scanning method，it also introduces the development of an online monitoring system which can be applied in power system and make up for the deficiencies of the previous methods．

partial discharge；online monitoring；electrical level scanning

TM85

A

1008-8032（2015）06-0030-05

2014-10-17

唐 霞（1982-），工程師，主要從事規(guī)劃項目前期管理。