開(kāi)關(guān)柜局部放電的地電波檢測(cè)技術(shù)

文/羅建勇　錢(qián)翊　倪娜　柳菲

開(kāi)關(guān)柜是配網(wǎng)中重要的開(kāi)關(guān)設(shè)備，因內(nèi)部裝有電纜終端、避雷器、電流互感器等多種一次設(shè)備，絕緣事故時(shí)有發(fā)生，因此確保其安全可靠運(yùn)行是管理重點(diǎn)。目前高壓開(kāi)關(guān)柜的局放檢測(cè)手段主要為非侵入式。但其缺點(diǎn)是缺陷檢出率較低，而且頻繁發(fā)生誤判事件。分析原因是由于變電站中干擾源繁多，而檢測(cè)設(shè)備的抗干擾能力較弱。因此，開(kāi)展多種干擾環(huán)境下開(kāi)關(guān)柜局部放電帶電檢測(cè)中抗干擾措施的研究具有重要意義。

1　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1　國(guó)外研究情況

英國(guó)南安普頓大學(xué)及EA Technology公司和IPEC公司開(kāi)展了高壓開(kāi)關(guān)柜地電波測(cè)試方法的研究，并開(kāi)發(fā)出了PDL1,TEVPlus及HVPD等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于歐洲及我國(guó)。

1.2　國(guó)內(nèi)研究情況

國(guó)內(nèi)西安交大、武大等高校都開(kāi)展了開(kāi)關(guān)柜局放的地電波檢測(cè)技術(shù)研究；廈門(mén)紅相、領(lǐng)步科技等公司開(kāi)發(fā)出了手持式巡檢儀器，在國(guó)網(wǎng)及南網(wǎng)都有一定的應(yīng)用。

2　設(shè)計(jì)方案

2.1　總體設(shè)計(jì)

利用有限元分析軟件（COMSOL），建立開(kāi)關(guān)柜仿真模型，研究開(kāi)關(guān)柜縫隙平行和垂直于放電脈沖電流方向?qū)﹄姶挪▊鞑サ挠绊?，研究從開(kāi)關(guān)柜縫隙中輻射出的電磁波沿開(kāi)關(guān)柜表面及空間的分布情況。同時(shí)對(duì)比研究開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部放電和外部干擾的脈沖特性；基于常見(jiàn)故障類(lèi)型設(shè)計(jì)制作典型放電缺陷模型，組建TEV檢測(cè)系統(tǒng)。研究分析不同缺陷下TEV局放脈沖和外部干擾脈沖的時(shí)間頻率特性；設(shè)計(jì)制作具有方向性的電磁傳感器。搭建TEV抗干擾檢測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)評(píng)估其抗干擾性能；研制光敏相位識(shí)別裝置，利用灰度圖提取典型缺陷的放電特征，通過(guò)支持相量機(jī)的識(shí)別算法進(jìn)行模識(shí)識(shí)別，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)、分析、校正、對(duì)比分析，評(píng)估開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行必要的告警提示。

2.2　系統(tǒng)單元構(gòu)成

系統(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)電纜、濾波電路、放大和數(shù)據(jù)采集電路、電源以及計(jì)算機(jī)組成。其中傳感器分別為地電波傳感器、具有方向性的電磁傳感器，信號(hào)線纜采用雙端BNC的同軸電纜。濾波電路采用帶通濾波。數(shù)據(jù)采集電路將采集到的放電數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的分析和處理。

2.3　開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部放電和外部干擾脈沖分類(lèi)技術(shù)的研究

等效時(shí)間和等效頻率分析方法是一種基于傅里葉變換的方法。具體來(lái)講采用了公式3

3　地電波傳感器

3.1　地電波傳感器的設(shè)計(jì)

測(cè)量局部放電的傳感器，包括能夠測(cè)量開(kāi)關(guān)柜表面的電磁波的傳感器（地電波傳感器）。為此，結(jié)合理論分析試制了偶極子天線、螺旋天線和貼片天線三種傳感器，實(shí)驗(yàn)表明貼片天線結(jié)合諧振腔取得的效果最好?；诔?地電波的電纜環(huán)網(wǎng)柜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的地電波傳感器的安裝方式采用內(nèi)置式的，便于現(xiàn)場(chǎng)操作和測(cè)量。多功能局部放電檢測(cè)定位系統(tǒng)則為了便于功能擴(kuò)展和升級(jí)，地電波傳感器采用外置式。

3.2　方向性電磁波傳感器的設(shè)計(jì)

當(dāng)開(kāi)關(guān)柜表面有高頻電磁波傳播時(shí)，會(huì)在柜體表面形成一個(gè)暫態(tài)對(duì)地電壓，這就是TEV傳感器檢測(cè)發(fā)生在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部放電的原理。然而，當(dāng)外界存在干擾時(shí)，同樣也能在開(kāi)關(guān)柜表面形成暫態(tài)對(duì)地電壓，這會(huì)嚴(yán)重影響TEV測(cè)量數(shù)據(jù)的可信度。TEV的傳感器不能有選擇的接收有用信號(hào)，即內(nèi)部放電信號(hào)，它的接收能力只與耦合到開(kāi)關(guān)柜柜體表面的電磁波的大小有關(guān)。所以，TEV傳感器的抗干擾能力較弱。因此，研究一種具有方向性、能最大程度接收內(nèi)部放電信號(hào)并且抑制外部干擾信號(hào)的電磁波接收器對(duì)于提高開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力具有重要的意義和價(jià)值。

4　電磁波接收設(shè)計(jì)

4.1　電磁波接收器的設(shè)計(jì)

由于要求設(shè)計(jì)的天線接收器頻帶很寬，而為了在實(shí)際應(yīng)用中的便攜性，又要求設(shè)計(jì)的接收器體積不能過(guò)大。

4.2　巴倫的設(shè)計(jì)

電磁波接收器是平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其饋電系統(tǒng)也應(yīng)采用平衡饋電方式。同軸線需要增加相應(yīng)的非平衡饋電到平衡饋電轉(zhuǎn)換電路即巴侖的設(shè)計(jì)。從微帶線轉(zhuǎn)換到平行雙線，是從非平衡饋電方式到平衡饋電方式變換的一種很好的選擇。當(dāng)微帶線的地板指數(shù)漸變到與上帶條同樣寬度時(shí)，就變成了平衡的平行雙線結(jié)構(gòu)。如果上帶條同時(shí)變化進(jìn)行阻抗變換，那么就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配與平衡—不平衡變換。用漸變線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，可以很寬的工作頻帶上都有比較好的性能。

4.3　濾波電路和放大電路

本次研制的濾波電路的帶寬為5-50MHz，它集成在傳感器內(nèi)部。放大電路集成在了采樣系統(tǒng)內(nèi)部。

4.4　采樣系統(tǒng)

本次研制的采樣系統(tǒng) 2通道，前置放大器具有100倍的放大倍數(shù)，帶寬為200MHz，每通道采樣頻率500MHz。使用FPGA啟動(dòng)采樣、停止采樣、數(shù)據(jù)同步與高速數(shù)據(jù)存取。采集板卡則使用自主研發(fā)的高速采樣板卡。

5　總結(jié)

通過(guò)對(duì)變電站地電波相關(guān)的干擾源進(jìn)行了分析，系統(tǒng)重新優(yōu)化了傳感器的設(shè)計(jì)方案，并重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其研制的地電波檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力，能有效識(shí)別出內(nèi)部放電和外部干擾脈沖。并且具有方向性的電磁波傳感器和地電波相比具有更好的抗干擾能力，滿足了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際需要。