基于高頻電流傳感器陣列的開關(guān)柜局部放電檢測與定位

辛?xí)曰?，王建慧 ，胡泉偉 ，吳勝志 ，季勝強

（1.國網(wǎng)天津薊州供電公司，天津 301900；2.國網(wǎng)天津電力檢修公司，天津 300230；3.國網(wǎng)江蘇省電力檢修公司，江蘇 南京 226699）

基于高頻電流傳感器陣列的開關(guān)柜局部放電檢測與定位

辛?xí)曰?，王建慧1，胡泉偉2，吳勝志1，季勝強3

（1.國網(wǎng)天津薊州供電公司，天津 301900；2.國網(wǎng)天津電力檢修公司，天津 300230；3.國網(wǎng)江蘇省電力檢修公司，江蘇 南京 226699）

電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測成為智能電網(wǎng)的重要方向，提出在開關(guān)柜內(nèi)建立基于高頻電流傳感器的局部放電檢測與定位系統(tǒng)。在一組開關(guān)柜的每個電纜出線處安裝高頻電流傳感器，形成高頻傳感器陣列，利用廣義互相關(guān)算法估計高頻傳感器之間的傳輸時延，從而進行配網(wǎng)內(nèi)的局部放電檢測和定位。利用Matlab仿真表明，該定位系統(tǒng)能夠較好地對配網(wǎng)內(nèi)的局部放電源進行精確定位。

局部放電；高頻電流傳感器；廣義互相關(guān)；局放定位

0 引言

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，需維護的電氣設(shè)備不斷增多，傳統(tǒng)的電氣設(shè)備定期檢修模式不能適應(yīng)現(xiàn)階段電網(wǎng)發(fā)展的需要，狀態(tài)檢測應(yīng)運而生，電氣設(shè)備帶電檢測也是國家電網(wǎng)重要發(fā)展方向。近幾年，配電網(wǎng)系統(tǒng)迅速發(fā)展，用戶對電力可靠性和供電連續(xù)性要求的不斷提高，10 kV、35 kV開關(guān)柜和配電電纜的在線檢測成為帶電檢測的新熱點和重要的研究方向。

在局部放電發(fā)生時，會伴隨產(chǎn)生超聲、特高頻、高頻電磁波、發(fā)熱及化學(xué)分解物等［1-2］，開關(guān)柜和電力電纜局部放電檢測方法有超聲、特高頻和地電波技術(shù)。超聲、特高頻信號在開關(guān)柜內(nèi)由于傳輸路徑的問題，單一傳感器不能對開關(guān)柜內(nèi)所有設(shè)備實現(xiàn)有效的監(jiān)控。在開關(guān)柜電纜出線和套管末瓶引下線等處安裝高頻電流傳感器，可檢測開關(guān)柜內(nèi)部高頻信號，因高頻信號具有靈敏度高、抗干擾能力強、可進行局放量化描述、能夠沿電力設(shè)備傳播，檢測范圍廣等特點，成為開關(guān)柜局放檢測的一個重要方向。

1 高頻傳感器

高頻電流傳感器多采用羅戈夫斯基線圈結(jié)構(gòu)。一般情況下，羅氏線圈為圓形或矩形，線圈骨架可以選擇空心或者磁性骨架，導(dǎo)線均勻的繞制在骨架上，羅氏線圈的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 羅氏線圈結(jié)構(gòu)

羅氏線圈的一次側(cè)為流過被測高頻電流的導(dǎo)體，二次側(cè)為多匝線圈。當(dāng)有交變電流流過線圈中心的導(dǎo)體時，會產(chǎn)生交變磁場。二次側(cè)線圈與被測電流產(chǎn)生磁通交鏈，整個羅氏線圈二次側(cè)產(chǎn)生的磁通正比于導(dǎo)體中流過的電流大小。變化的磁通產(chǎn)生電動勢，且電動勢大小與磁通的變化率成正比，假設(shè)導(dǎo)體中流過的高頻電流為I（t），線圈二次側(cè)感應(yīng)電動勢為e（t），基于安培環(huán)路定理和電磁感應(yīng)定律，可由麥克斯韋方程解得：

式中：M為羅氏線圈的互感系數(shù)。

為得到高頻電流I（t）的波形，需要對羅氏線圈的輸出電壓進行積分，自積分式羅氏線圈直接采用積分電阻，頻率響應(yīng)較快，具有較寬的檢測頻帶。用于局放的羅氏線圈，由于測量的電流為微小的高頻電流信號，又稱為高頻電流傳感器，其檢測帶寬一般為3～30 MHz。將高頻電流傳感器安裝在電纜出線開關(guān)柜內(nèi)電纜零序電流互感器處，通過采集流過電纜一次導(dǎo)體的高頻電流來檢測整個配電網(wǎng)內(nèi)局放的發(fā)生情況，安裝位置如圖2所示。

由于高頻電流可沿容性設(shè)備或者一次導(dǎo)體傳播，因此當(dāng)配網(wǎng)中發(fā)生局部放電時，伴隨產(chǎn)生的高頻電流可沿電纜或柜內(nèi)一次設(shè)備傳播到開關(guān)柜內(nèi)電纜終端頭處并沿著開關(guān)柜內(nèi)一次導(dǎo)體和母線進行傳播。從而可以在每個開關(guān)柜內(nèi)的高頻電流傳感器處采集到高頻電流信號。

基于高頻電流的局部放電定位系統(tǒng)通過在每個開關(guān)柜內(nèi)安裝高頻傳感器，并采集每個高頻傳感器內(nèi)高頻電流，對其進行預(yù)處理，繼而通過時差法進行定位計算，得出高頻電流的來源即局放源的位置。

圖2 高頻電流傳感器安裝位置

2 局部放電高頻定位算法

保證局部放電的定位精度除了要合理設(shè)計高頻電流傳感器、采集系統(tǒng)外，還需要有高精度的定位算法［3］。將局部放電部件或位置看作高頻電流信號的發(fā)射源，將各高頻電流傳感器看作信號采集的陣元，計算各個高頻傳感器陣元接收到高頻電流信號的傳輸時延，由此可計算出局部放電點與各個高頻傳感器陣元的電氣距離；再根據(jù)TDOA算法進行求解，得出放電點的電氣位置，實現(xiàn)局部放電的定位。

2.1 信號歸一化預(yù)處理

線性函數(shù)轉(zhuǎn)換歸一化處理，由于傳感器性能和安裝位置的不同，且信號幅值存在差別，在進行局放定位時，會對信號的時延估計造成較大誤差，因此需要對每個傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

2.2 信號時延估計及定位

在歸一化預(yù)處理后，通過求取不同陣元間的信號傳輸時延對局放源進行定位［4］。求取不同陣元間的信號傳輸，通常采用互相關(guān)來進行。

假設(shè)某兩個陣元采集數(shù)據(jù)為x1，x2，則

假設(shè)兩陣元采集到的信號為同一個信號源，且時延為 τ，則存在式（5）成立：

則計算這兩個信號的互相關(guān)函數(shù)

假設(shè)信號與噪聲之間不相關(guān)。則式（6）中信號與噪聲的相關(guān)函數(shù)以及噪聲與噪聲的相關(guān)函數(shù)為零，即存在式（7）成立。x1，x2的互相關(guān)函數(shù)等于兩信號的信號子空間，如式（8）。

當(dāng) Δt-τ時，兩信號的信號子空間 Rss（Δt-τ）取最大值，即相關(guān)函數(shù)Rx1x2（Δt）取得最大值時，因此通過求Rx1x2（Δt）的最大值就可以求得時間差τ。

廣義互相關(guān)是兩個接收信號在進行互相關(guān)之前進行預(yù)濾波處理，然后再根據(jù)濾波輸出信號的互相關(guān)函數(shù)的峰值進行時延估計，以改進時延估計精度。式（9）為采用最大似然加權(quán)的廣義互相函數(shù)，對式（9）進行傅里葉逆變換，得到兩信號的廣義互相關(guān)函數(shù)，進行兩信號的時延估計。

式中：Gx1x2（f）為信號的互功率譜；Gx1x1（f）、Gx2x2（f）為信號自功率譜。

當(dāng)對信號時間差進行準(zhǔn)確估計后，根據(jù)信號的傳輸路徑、速度，實現(xiàn)對信號源進行定位。

3 局部放電定位系統(tǒng)仿真

基于高頻電流信號的局部放電定位監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖3所示，包括試驗平臺、高頻電流傳感器、信號采集預(yù)處理、AD采集、PC機處理。

圖3 局部放電帶電監(jiān)測系統(tǒng)

利用Matlab對基于高頻的局部放電定位系統(tǒng)進行仿真，為使仿真目標(biāo)明確，假設(shè)：

1）局放源距離兩傳感器陣元間的電氣距離差為6.5 m；

2）局部放電產(chǎn)生的高頻信號為窄帶遠(yuǎn)場信號，采用射頻信號模擬，如式（11），其中心頻率為10 MHz，信噪比為2.5；

3）系統(tǒng)采樣頻率200 MHz。

圖4 開關(guān)柜內(nèi)局放定位仿真模型

假設(shè)在圖4的5號柜內(nèi)發(fā)生放電，在5號柜和6號柜的傳感器均能采集到高頻電流信號，局放源距離兩傳感器陣元間的電氣距離差為6.5 m，兩陣元采集到的信號如圖5所示。

圖5 兩個陣元采集到的高頻信號

利用廣義互相關(guān)算法對兩個信號進行時延估計，結(jié)果如圖6所示。依據(jù)圖6的定位結(jié)果，兩陣元時差 0.022 μs；高頻信號傳輸距離 l1=c×t=3×108m／s×0.022×10-6s=6.6 m。 定位誤差仿真試驗表明，本定位系統(tǒng)定位算法定位誤差為1.52%，定位精度較高。

圖6 廣義互相時延估計

4 結(jié)語

設(shè)計了用于配電網(wǎng)局放檢測的高頻電流傳感器，提出用廣義互相關(guān)算法估計高頻電流在不同傳感器間的傳輸時延，并進行配電開關(guān)柜內(nèi)的局部放電定位。搭建了配電網(wǎng)內(nèi)局部放電檢測與定位仿真系統(tǒng)，并利用Matlab對定位系統(tǒng)進行了定位仿真，實現(xiàn)了配電網(wǎng)內(nèi)局部放電源精確定位，為配電網(wǎng)設(shè)備帶電監(jiān)測提供思路。

［1］王昌長，李福祺，高勝友．電力設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2011.

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［4］王永良，陳輝，彭應(yīng)寧，等．空間譜估計理論與算法［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

［5］辛?xí)曰?，羅勇芬，杜非，等.用于油中局部放電定位的超聲波接收陣列的定向算法比較［J］.中國電機工程學(xué)報，2015，35（20）：5 351-5 359.

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Based on High-frequency Current Sensor Array for Partial Discharge Detection and Location in Switchgear

XIN Xiaohu1，WANG Jianhui1，HU Quanwei2，WU Shengzhi1，JI Shengqiang3
（1.State Grid Tianjin Jizhou Electric Power Supply Company，Tianjin 301900，China；2.State Grid Tianjin Electric Power Maintenance Company，Tianjin 300230，China；3.State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Company，Nanjing 226699，China）

The electric equipment condition monitoring has become an important research area of the smart grid.This article proposes a method for detecting the partial discharge within the distribution network by installing high frequency current sensor at each cable connection of the switchgear of the switchgear cabin.Thus a sensor array can be formed.Using generalized crosscorrelation algorithm to estimate the transmission delay between each sensor，then the partial discharge detection and location in the distribution grid can be achieved.Matlab simulation shows that the partial discharge detection and location system can precisely locate the partial discharge in a distribution grid.

partial discharge；high frequency current sensor；generalized cross-correlation algorithm；locate partial discharge

TM591

A

1007－9904（2017）11－0077－04

2017-06-14

辛?xí)曰ⅲ?988），男，從事局部放電在線檢測與定位方面的研究工作。