局部放電監(jiān)測在高壓開關(guān)柜狀態(tài)檢修中的應(yīng)用

李慶才

（國網(wǎng)山東省電力公司莘縣供電公司，山東 聊城 252400）

高壓開關(guān)柜出現(xiàn)局部放電異常現(xiàn)象后，其內(nèi)部會發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，同時形成一定的化學(xué)氣體，同時伴隨過熱現(xiàn)象和發(fā)光、發(fā)聲現(xiàn)象的出現(xiàn)。常規(guī)檢修方法主要為非電檢修，檢修人員通過對高壓開關(guān)柜進行觀察，了解當(dāng)前開關(guān)柜是否出現(xiàn)聲、光和熱量上升等異?，F(xiàn)象。隨著技術(shù)發(fā)展，利用檢修機器的電監(jiān)測技術(shù)出現(xiàn)，其在精準(zhǔn)度、效率性及安全性等方面的優(yōu)勢使得其迅速取代了非電檢修技術(shù)。

1 高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測技術(shù)手段

在高壓開關(guān)柜的實際運行過程中，由于開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生的絕緣缺陷問題，會造成某一點形成過電流，從而造成該點的局部放電現(xiàn)象。隨著放電時長的增加，開關(guān)柜內(nèi)部還會產(chǎn)生一定量的電量信息以及非電量信息，這些信息一般為物理現(xiàn)象信息，在物理環(huán)境變化過程中表現(xiàn)出來，因此通過對這部分放電信息進行監(jiān)測，在一定程度上對當(dāng)前運行環(huán)境下的高壓開關(guān)柜運行狀態(tài)做出判斷。監(jiān)測技術(shù)主要面對的事實上應(yīng)當(dāng)是發(fā)生絕緣變化以及局部放電問題后開關(guān)柜自身的放電物理參量，這部分物理參量與常態(tài)參量之間差距大，因此可以通過監(jiān)測的方式獲取。在應(yīng)用環(huán)境中的技術(shù)條件內(nèi)部，需要結(jié)合測算方式，對放電信號的具體規(guī)模、放電位置、放電影響范圍等做出精確判斷。結(jié)合監(jiān)測物理量不同，目前應(yīng)用于高壓開關(guān)柜狀態(tài)監(jiān)測的局部放電監(jiān)測技術(shù)主要為以下幾種。

脈沖電流檢測法在進行放電信號測量時，可以對部分頻率極低的信號進行測算并放大，從而實現(xiàn)檢測范圍的拓寬，但該技術(shù)僅能夠應(yīng)用在離線檢測當(dāng)中，無法實現(xiàn)在線監(jiān)測；紅外檢測法是通過紅外線技術(shù)對高壓開關(guān)裝置外部的電信號規(guī)律進行獲取，通過紅外線的反饋，實現(xiàn)放電覆蓋范圍的測算，但是由于紅外線穿透能力不足，無法應(yīng)用在開關(guān)柜裝置內(nèi)部，因此效果并不理想；化學(xué)檢測法主要通過對開關(guān)柜內(nèi)部的化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生規(guī)律進行分辨，是在線監(jiān)測技術(shù)中檢測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度最高的技術(shù)手段，但是由于化學(xué)測算和分析過程還需要依賴人工，因此缺少時效性和動態(tài)性；UHF 法則是借助傳感器裝備，對高壓開關(guān)柜中的電信號進行獲取，并由上位機對信號進行解讀和分析，從而做出實時的精確判斷。但是傳感器硬件成本較高，同時安裝困難、安裝位置限制明顯，對于技術(shù)條件和環(huán)境條件要求較高。

2 高壓開關(guān)柜狀態(tài)檢修中局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

（1）開關(guān)柜局部放電信號搜集。前文指出，高壓開關(guān)柜的實際運行受到絕緣裝置缺陷的影響，會出現(xiàn)局部放電問題。在出現(xiàn)放電時，放電位置本身所對應(yīng)的電源不同、放電機理不同，因此表現(xiàn)出的放電類型也有著十分明顯的差異。電暈放電的主要位置集中在開關(guān)柜的導(dǎo)體尖端，在出現(xiàn)放電現(xiàn)象時，尖端會發(fā)出明顯的電磁波信號，同時伴隨蜂鳴聲。暗光環(huán)境中可以看到放電位置出現(xiàn)藍光，化學(xué)反應(yīng)下會產(chǎn)生O3，這種放電現(xiàn)象表明開關(guān)柜內(nèi)部電場強度不均衡；氣隙放電是指高壓開關(guān)柜內(nèi)部出現(xiàn)的絕緣介質(zhì)放電現(xiàn)象，在發(fā)電放生時，絕緣介質(zhì)會產(chǎn)生氣泡，同時相鄰位置也會發(fā)生變化。電信號變化規(guī)律則以介電常數(shù)的變化位置，放電氣體的介電常數(shù)較小，一旦絕緣介質(zhì)當(dāng)中含有雜質(zhì)，就會出現(xiàn)氣隙放電問題；沿面放電現(xiàn)象表現(xiàn)在開關(guān)柜內(nèi)部的部件表面，其中絕緣子表面放電以及絕緣套管表面放電較為明顯。在放電時，部件表面的放電情況與表面平行，同時在高壓導(dǎo)體的影響之下，形成場強。研究表明，沿面放電影響范圍大、造成損壞也更為嚴(yán)重。該放電現(xiàn)象的主要產(chǎn)生原因表現(xiàn)在環(huán)境濕度、空氣質(zhì)量等方面。在開展在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)當(dāng)對各種類型的放電現(xiàn)象做出綜合判斷，并通過放電位置、放電出現(xiàn)環(huán)境，對高壓開關(guān)柜的內(nèi)部情況做出解析和解答，進而更加精準(zhǔn)地完成異常狀態(tài)的判斷。為了滿足這一目的，本文選擇了具有應(yīng)用優(yōu)勢的TEV 信號傳感器展開對放電信號的采集，保證系統(tǒng)能夠獲得全面、細致的局部放電信息，用以進行監(jiān)測和分析。在設(shè)計當(dāng)中，筆者將前端信息采集環(huán)節(jié)設(shè)定為3 個硬件部分，其中傳感器設(shè)備將直接接入到常見放電狀態(tài)所處的尖端、絕緣介質(zhì)、部件表面等位置，作為信號采集。隨后，傳感器通過建立同軸電纜，完成信號的外部傳遞，并介入到高速采集卡當(dāng)中。高速采集卡完成信號采集和轉(zhuǎn)換，與上位機進行連接。

（2）信號特征提取環(huán)節(jié)設(shè)計。上位機在接收到傳感器經(jīng)由高速采集卡的局部放電信號信息后，需要通過系統(tǒng)分析和系統(tǒng)判斷，完成放電信號特征的提取，從而完成對于信號及其所代表的高壓開關(guān)柜異常狀態(tài)的判斷。為了能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)、高效率的在線監(jiān)測功能，本文在進行信號特征提取環(huán)節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，選取了小波包能量譜技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，來實現(xiàn)對于信號的處理能力。在實際運行當(dāng)中，信號特征提取環(huán)節(jié)的小波包能量譜技術(shù)主要通過分解歸一以及分形維數(shù)2 種方式，對信號進行檢驗，其中分解歸一主要對多層小波包信號進行特征類型的提取，而分形維數(shù)則以分形和截距方法對于分解歸一無法完成的信號進行特征參數(shù)提取，最終將獲取到的特征參數(shù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)借助分類器，將特征參數(shù)和其代表的開關(guān)柜狀態(tài)進行一一對應(yīng)，完成信號解讀。

相比于其他類型的信號分析和特征提取技術(shù)，小波包處理技術(shù)主要能夠?qū)π盘柈?dāng)中存在的噪聲進行去除，從而實現(xiàn)對于不同情況下的異常信號進行波形分析、頻率分析以及幅值分析，隨后通過分解方式，獲得各個層級所代表的信號能量值。信號能量值可以在對應(yīng)的頻段當(dāng)中作為能量的特征參數(shù)，完成對信號特征特點的總結(jié)。

而在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的選擇當(dāng)中，筆者選用了在放電識別方面具有優(yōu)勢的RBF 網(wǎng)絡(luò)。相較于其他分析類型當(dāng)中常見的BP網(wǎng)絡(luò)，RBF 網(wǎng)絡(luò)更符合高壓開關(guān)柜放電現(xiàn)象的判斷，并能夠借助特征向量，完成特征分類，因此更具應(yīng)用優(yōu)勢。

（3）數(shù)據(jù)通信設(shè)計。本文選用了RS485 總線進行數(shù)據(jù)信息的通信，在總線系統(tǒng)當(dāng)中，RS485 擁有2 個接口，其中PW 接口是總線的輸出端口，PR 接口則是總線信息的發(fā)送端口。在端口之間，設(shè)置了專門的TC、RD、RC 寄存器，用以進行數(shù)據(jù)信息的臨時存儲。APB 是總線當(dāng)中的串口時鐘，用以進行數(shù)據(jù)信息的同步時間校準(zhǔn)，保證局部放電信息的傳送效率。在RS485串口通信的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成當(dāng)中，TC 充當(dāng)發(fā)送位移以及接受位移寄存器，兩者同步進行協(xié)調(diào)傳輸，并與PW、PR，2 個環(huán)節(jié)構(gòu)成聯(lián)通，形成數(shù)據(jù)傳輸閉環(huán)，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)通信。

（4）在線監(jiān)測系統(tǒng)的實時檢修應(yīng)用。在線監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用當(dāng)中的主要價值，在于幫助相關(guān)管理檢修人員能夠?qū)崿F(xiàn)遠程數(shù)據(jù)分析和開關(guān)柜異常狀態(tài)判斷，并制定出相應(yīng)的高壓開關(guān)柜維修處理計劃。相比于傳統(tǒng)現(xiàn)場檢修技術(shù)而言，更具安全性和客觀性。在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用下，高壓開關(guān)柜的檢修改變了以往的定期檢修和抽樣檢修方案，改為了狀態(tài)檢修為主的檢修策略，通過監(jiān)測系統(tǒng)對異常狀態(tài)所進行的評判，幫助檢修人員形成檢修意識和檢修理念。

本文在實際的狀態(tài)檢修過程中，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果和分析結(jié)果，對局部放電的數(shù)據(jù)進行了常態(tài)運行、預(yù)警狀態(tài)以及告警狀態(tài)3 種情況的設(shè)置。其中常態(tài)運行狀態(tài)當(dāng)中，局部放電數(shù)據(jù)信號低于30dB，檢修人員可以不必進行檢修工作；預(yù)警狀態(tài)當(dāng)中，是指檢修數(shù)據(jù)分析得出數(shù)據(jù)區(qū)間達到了30 ～50dB，此時，檢修人員需要選擇時間開展對高壓開關(guān)柜的檢修工作；而當(dāng)狀態(tài)數(shù)據(jù)達到了60dB 標(biāo)準(zhǔn)后，設(shè)定為告警狀態(tài)，此時檢修工作人員需要第一時間開展檢修處理工作。為了保證數(shù)據(jù)分析信息的精準(zhǔn)，筆者在pc 端顯示過程中，還設(shè)置了對具體開關(guān)柜機組的比較策略，通過比較方式，對一定時間段內(nèi)未休眠機組的運行狀況進行觀察，從而形成評估報告，判斷其運行狀態(tài)趨勢，對于存在的放電譜圖的波動現(xiàn)象問題，系統(tǒng)需要第一時間完成數(shù)據(jù)測算，并得到當(dāng)前狀態(tài)的告警數(shù)值，判斷其是否達到了告警臨界點，引導(dǎo)檢修人員積極進行處理。

3 結(jié)語

綜上所述，在線監(jiān)測技術(shù)對于高壓開關(guān)柜的狀態(tài)波動和狀態(tài)異常檢修工作而言具有舉足輕重的意義和價值。通過利用傳感器等信息采集設(shè)備完成對于開關(guān)柜局部放電問題的監(jiān)測，能夠更好地判斷一段時間內(nèi)開關(guān)柜機組的運行穩(wěn)定性，并以此為根基制定出周密、詳盡的檢修計劃和檢修開展方案，保證檢修工作能夠在安全環(huán)境下運行。