高壓開關柜局部放電聲-電聯合定位方法研究

霍 天， 吳振升， 桂俊峰

(北京交通大學電氣工程學院，北京 100044)

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高壓開關柜局部放電聲-電聯合定位方法研究

霍 天， 吳振升， 桂俊峰

(北京交通大學電氣工程學院，北京 100044)

高壓開關柜發(fā)生局部放電預示存在絕緣缺陷，本文對開關柜局部放電的定位方法進行了研究。在實驗室搭建了電暈放電模型，使用超聲波傳感器采集由放電引起的超聲波信號、高頻電流傳感器(HFCT)采集局部放電經過耦合電容產生的高頻電流。根據超聲波相對高頻電流的延遲時間進行定位，放電信號數據由示波器與PC端通信，通過USB方式傳輸到上位機，采用LabVIEW程序對其進行濾波處理、波形分離分析得到放電點的精確位置，試驗表明該方法具有較高的精確度。

開關柜；局部放電定位；超聲波；HFCT；示波器；非線性規(guī)劃算法

0 引言

變電所開關柜由于絕緣缺陷會發(fā)生局部區(qū)域的放電，經過一定階段缺陷處就會由短間隙局部放電發(fā)展到長間隙擊穿，影響到一次設備的絕緣[1]。當發(fā)生局部放電時，不同設備中空氣或間隙的放電都可視為典型電暈放電，電暈放電是電力系統中最常見的一種放電類型[2]。放電常伴隨超聲波、電磁波、脈沖電流等現象，對這些現象進行采集捕捉能比較清晰地觀察放電的信息，目前采用超聲波、暫態(tài)地電壓(TEV)、高頻電流傳感器(HFCT)等檢測方法最為廣泛[3，4]。

國內外很多文獻與研究工作多以TEV的方法對開關柜進行檢測，但目前TEV只停留在檢測與數據發(fā)掘研究范圍，對通過空氣傳播電磁波信號的規(guī)律研究不成熟[5]。HFCT檢測主要是耦合接地線中的電磁波形成高頻電流，不需考慮空氣傳播規(guī)律，所以本文采用超聲波與HFCT相結合的方法，以聲-電聯合進行定位。

HFCT采集的是高頻電流信號，由局部放電產生的電磁波引起，而電磁波傳播速度遠大于聲波速度，因此將HFCT信號作為定位的基準觸發(fā)信號。超聲波傳感器抗干擾能力強，傳播速度以聲速傳播，因此采用聲-電聯合方法能精確檢測到延遲間隔，實現準確定位。

1 局部放電檢測技術

1.1 超聲波法檢測

當開關柜發(fā)生局部放電時，內部的空氣分子發(fā)生劇烈碰撞，空氣分子由于碰撞發(fā)出頻率大于20 kHz的超聲波[6]，超聲波信號在空氣中以等值波速傳播，通過40 kHz中心頻率的超聲波傳感器就可以檢測出放電信號。超聲波傳感器為壓電陶瓷式傳感器，當傳感器接收到超聲波信號時，壓片受力上下極板分別集聚正負電荷，此時傳感器等效為帶電荷的電容器，通過電荷放電可以檢測出超聲信號波形[7]。

1.2 HFCT法檢測

為了滿足絕緣的要求，開關柜一般采用有效接地的連接方式。當發(fā)生局部放電時，由放電引起的高頻電流通過雜散電容效應流入到接地線纜中，高頻電流傳感器固定在接地線上，通過電磁耦合把高頻電流產生的電磁波傳輸到HFCT中[8]。HFCT采用類似羅科夫斯基線圈的結構(如圖1所示)，選用高磁導率材料作為HFCT的磁芯，傳感器帶寬達600 kHz～150 MHz，在磁芯上按一定方向纏繞N匝線圈，通過長距離同軸電纜連接到積分電阻[9]。測量時，使待測電流穿過HFCT的中心，在積分電阻上即可測得與待測電流成正比的放電電壓。

圖1 HFCT原理Fig.1 HFCT schematic diagram

2 上位機與示波器的通信

在局部放電檢測領域，大多數檢測設備對傳感器的適用性單一化，信號波形畸變較大，采集信號不真實，為了避免這些缺點，采集設備采用高精度的示波器。然而示波器處理分析數據能力有限，需要把數據導入計算機進行進一步分析。因此示波器與計算機通信顯得尤為重要。本文通過虛擬儀器進行遠程通信控制，實時采集放電信號，實現了人機交互[10]。

虛擬儀器數據采集系統與下位機設備通信方式有3種方式：(1) 采用NI-DAQmx的方式與外圍設備通信；(2) 采用NI虛擬儀器驅動程序的方式與外圍設備通信；(3) 采用直接I/O的方式與外圍設備通信[11]。

下位機示波器采用TDS2024B示波器，四通道輸入，彩屏顯示，帶寬200 MHz，采樣率2.0 GS/s，該示波器為開放式系統，能實現通信與底層開發(fā)功能。TDS2024B屬于第三方公司開發(fā)的設備儀器，較采用虛擬儀器驅動程序的方式與示波器進行串口通信。示波器與上位機串口通信參數設置如下。

(1) 波特率：波特率作為信道數據傳輸速度，設置成與示波器的傳輸速度一致，即9600 bit/s；

(2) 數據位：示波器傳輸的數據為擴展的ASCII碼，表示范圍為0～255(8位)，所以數據位設置為8；

(3) 奇偶校驗位：奇偶校驗位對傳輸的數據進行檢錯，有以下4種方式：奇、偶、高、低。一般可以不設置奇偶校驗位，故奇偶校驗位為none；

(4) 停止位：停止位為數據包中奇偶校驗位的后一位，示波器傳輸數據的停止位為1；

(5) 流控制：示波器默認為硬件流控制，通過傳輸電纜上的電壓信號控制信號的傳輸，需要將串口設置成請求發(fā)送(RTS)/清除發(fā)送(CTS)。

根據示波器串口通信特點，在虛擬儀器中寫入通信指令，實現上位機的通信。

3 定位算法原理

根據局部放電超聲波理論，局部放電產生的超聲波在空氣中以球面波的形式傳播，當傳播到開關柜金屬外殼時會發(fā)生折射與反射。超聲波在氣體中衰減系數為0.98 dB/m，而在金屬固體中的衰減系數達到10 dB/m，固體中的衰減系數遠大于氣體中的衰減系數。通過金屬固體折反射得到的超聲波信號非常微弱，這些微弱的超聲信號疊加到采集信號中會使超聲波的脈沖得到展寬，因此超聲波傳感器檢測到的信號主要包含直接接收的超聲波信號，同時以超聲波脈沖起始時間作為延遲時間的計算點可有效減小由于折反射帶來的干擾[12，13]。

試驗中假設開關柜內超聲波傳播介質為均勻空氣介質，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，傳播速度為等值波速，忽略空氣中傳播的衰減。

對開關柜內部局部放電點進行定位時，開關柜可以簡化為一個固定大小的模型，即放電點位置存在約束條件，根據約束條件求解放電點位置的最優(yōu)解，本文采用非線性規(guī)劃算法[14]。

通常一個實際問題的非線性規(guī)劃模型可以描述成式(1)這種形式：

(1)

為了運用非線性規(guī)劃算法求解局部放電的位置，開關柜柜體可以簡化成長方體模型，超聲波傳感器與局部放電點位置的模型如圖2所示。

圖2 傳感器與放電點模型Fig.2 Sensor and discharge point model

局部放電點S(x,y,z)為待求解的位置，超聲波傳感器Pi(xi,yi,zi)(i=1,2,3,4)為已知坐標的位置，通過改進非線性規(guī)劃算法，以放電點與超聲波傳感器的實際距離減去由延遲計算出來的距離作為目標函數，放電點位置在整個正方體內作為約束條件，具體改進算法如下：

(2)

(3)

改進的非線性規(guī)劃算法的約束條件可以描述成放電點位置一直在開關柜模型中，即放電點坐標滿足開關柜邊界的約束條件。

(4)

4 試驗測試與驗證

開關柜局部放電產生的原因是生產的絕緣裝置存在缺陷或者在運行過程中絕緣發(fā)生老化等，導致耐壓強度所有下降，為了模擬局部放電的產生，實驗室條件下搭建了電暈放電測試平臺[15,16]。實驗測試平臺的模型如圖3所示，檢測時HFCT傳感器安裝在接地線上，超聲波傳感器通過移動采集不同位置的超聲波信號，信號通過示波器與上位機通信進行處理分析，進而提取超聲波的延遲時間。

圖3 實驗測試系統的模型Fig.3 Model diagram of experimental test system

局部放電定位以HFCT采集的電信號作為基準信號，以超聲波傳感器采集的超聲波信號作為延遲信號。通過空氣傳播得到的超聲波信號非常微弱，且存在噪聲干擾，原始信號中很難分辨出超聲信號的脈沖特征，難以找到準確的時延。本文通過LabVIEW編程實現實現數字濾波與小波降噪，對原始信號進行處理分析，信號處理流程如圖4所示。

圖4 信號處理流程Fig.4 Signal processing flow chart

LabVIEW軟件控制示波器連續(xù)采集的信號為兩路信號，由于對兩路信號處理方法的不同，此時上位機采用信號分離的方法，對二維數組采用“索引數組”函數分離成兩個一維數組，分別對這兩個一維數組處理分析[17]。

超聲波信號為頻率高于20kHz的信號，采用高通濾波器抑制低頻干擾信號，截止頻率為20kHz。同時大量實測數據對比超聲波傳感器與HFCT的靈敏度，兩種波形幅值相差5～10倍，為了使延遲時間計算更精確，設置放大器放大倍數為10，原始超聲信號與處理過的信號如圖5和圖6所示。

圖5 超聲波采集的原始波形Fig.5 Original waveform acquired by ultrasonic sensor

圖6 濾波后的超聲波波形Fig.6 Filtered ultrasonic waveform

同樣為了濾除HFCT信號中摻雜的低頻干擾，得到更清晰的高頻電流信號，根據HFCT的頻率特性，采用截止頻率1MHz的高通濾波器進行處理，濾波前和濾波后的波形如圖7和圖8所示。

圖7 HFCT采集的原始波形Fig.7 Original waveform acquired by HFCT

圖8 濾波后的高頻CT波形Fig.8 Filtered HFCT waveform

對處理過的兩路信號進行疊加，疊加后的波形如圖9所示。為了準確計算延遲時間，對兩路信號x軸游標追蹤，把高頻電流傳感器采集到的放電信號脈沖時間節(jié)點作為0時刻，超聲信號脈沖的起始點時刻作為延遲的計算點，通過改變超聲波傳感器的位置Pi，計算出4個不同測量點處的時差τi，圖5—9為在位置P1處采集的信號，4個不同位置處超聲波傳感器坐標和計算的時間延遲見表1。

圖9 處理后的超聲和HFCT波形疊加Fig.9 Superposition of processed ultrasonic waveforms and HFCT waveforms

根據上述條件，把已知點坐標和從上位機LabVIEW中計算得到延遲時間帶入到非線性規(guī)劃算法中，通過MATLAB中fmincon函數即可求解出放電點的坐標位置S(0.511 0， 0.378 5，0.236 0)，實際放電點坐標S(0.5,0.4,0.2)，由此可求出計算偏差為0.043 4 m，計算精度較高，因此本文對后期研究提供了一定的理論與方法。

表1 超聲波傳感器位置與延遲時間Table 1 Ultrasonic sensor position and delay time

5 結語

本文在電信號和非電信號檢測定位的理論基礎之上，介紹了基于示波器通信的聯合定位的方法。首先運用示波器NI-VISA通信協議，編寫連續(xù)采集多路信號的程序，對HFCT和超聲波信號同步采集，并進行分離、濾波、處理分析，精確計算出延遲時間。運用非線性規(guī)劃算法對放電模型進行計算，得出放電點的坐標位置。同時在實驗室搭建了電暈放電的最小定位系統，根據實驗測試結果，測試誤差在5 cm之內，對以后應用于實際工程之中提供了理論與實踐依據。

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(編輯 劉曉燕)

Acoustic-electric Joint Localization Method of PD in High Voltage Switch Cabinet

HUO Tian,WU Zhensheng, GUI Junfeng

(School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044, China)

The partial discharge of switchgear indicates the existence of insulation defects. Tthe location method of partial discharge in switchgear is studied. The corona discharge model was built in the laboratory, the ultrasonic signal is collected by the ultrasonic sensor and high frequency current sensor (HFCT) is used to collect high frequency current produced by coupling capacitance of partial discharge. Using delay time of ultrasonic relative high frequency current for positioning, data of discharge signal will be transferred from oscilloscope to PC communicated by USB. LabVIEW program is used to filter and analyze the waveform to obtain the exact position of the discharge location. Experiments show that the method has high accuracy.

switchgear; partial discharge location; ultrasonic; HFCT; oscilloscope; nonlinear programming algorithm

2016-12-25；

2017-02-23

TM855

A

2096-3203(2017)03-0062-05

霍 天

霍 天(1992—)，男，河北保定人，碩士研究生，研究方向為電氣設備局部放電檢測；

吳振升(1974—)，男，山東濰坊人，副教授，主要研究方向為電力系統自動化；

桂峻峰(1975—)，男，河南信陽人，講師，研究方向為電氣設備在線監(jiān)測。