基于TEV和AE的開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)

徐為立，馬 華，俞賢文，王 睿，劉 超

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000)

0 引 言

高壓開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)使用極廣、數(shù)量眾多的電氣設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)對供電可靠性具有重要意義[1-3]。高壓開關(guān)柜在運(yùn)行過程中受雷擊、諧波畸變、潮濕、灰塵等因素影響，同時(shí)由于開關(guān)柜本身材料含有雜質(zhì)、絕緣體內(nèi)有氣泡等材料和制作工藝不良會產(chǎn)生各種形式的局部放電現(xiàn)象。局部放電會對絕緣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生侵蝕作用，其持續(xù)發(fā)展會使絕緣的劣化損傷逐步擴(kuò)大，最終使絕緣正常壽命縮短、短時(shí)絕緣強(qiáng)度降低，甚至可能使整個(gè)絕緣擊穿[4]，因此對設(shè)備的局部放電信號進(jìn)行精確的檢測以提前定位缺陷的位置和類型，可有效維護(hù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

局部放電會在電力設(shè)備內(nèi)部和周圍以電磁、聲波和氣體形式釋放能量。通過檢測這些信號特征量來判定局部放電強(qiáng)度、頻次和位置，主流方法有脈沖電流法、暫態(tài)地電壓法(transient earth voltage，TEV法)、超聲波法(acoustic emission ，AE)和超高頻法[5-7]。脈沖電流法對于突變信號反應(yīng)靈敏，但抗電磁干擾能力差，測量的頻率低，頻帶窄。TEV檢測靈敏度高，對介質(zhì)內(nèi)部放電敏感，但對介質(zhì)外部放電不敏感。AE不受電磁干擾，對介質(zhì)外部放電敏感而對介質(zhì)內(nèi)部放電不敏感。超高頻法抗干擾能力強(qiáng)、檢測靈敏度高，但安裝復(fù)雜、成本高。不同方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢和適用場景，在實(shí)際檢測過程中，單一檢測方法無法全面反應(yīng)故障缺陷和類型，應(yīng)盡可能使用多種方法進(jìn)行檢測，然后給出綜合評判結(jié)果[8-9]。本研究將TEV和AE相結(jié)合，開發(fā)了一套基于TEV和AE的開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確、靈活地實(shí)現(xiàn)局部放電信號的檢測，較好地克服了單一檢測方法在開關(guān)柜局部放電巡檢中存在的漏檢、誤報(bào)或疑似放電信號微弱難以準(zhǔn)確判斷等問題。

1 TEV和AE局部放電檢測技術(shù)

1.1 TEV局部放電檢測技術(shù)原理及特點(diǎn)

當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，放電點(diǎn)會產(chǎn)生高頻電流波，并且以光速向各個(gè)方向迅速傳播。由于集膚效應(yīng)，電流波不會直接穿透金屬柜，而是在開關(guān)柜內(nèi)表面進(jìn)行傳播。在金屬斷開或絕緣連接處，電流波會轉(zhuǎn)化為電磁波進(jìn)入自由空間，電磁波傳出金屬柜時(shí)，就會在金屬箱體上產(chǎn)生1個(gè)電壓[10]，即TEV?；赥EV的局部放電檢測技術(shù)通過在開關(guān)柜外殼上測量暫態(tài)地電壓，可以有效測量設(shè)備內(nèi)部的局部放電信號，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，且具備不停電檢測、定位準(zhǔn)確和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 AE局部放電檢測技術(shù)原理及特點(diǎn)

當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，放電部位的氣體膨脹和收縮，機(jī)械應(yīng)力與粒子力快速振蕩，導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍介質(zhì)的振動從而產(chǎn)生聲波信號[11-12]。這種信號的中心頻率在40 kHz附近，超出了人耳可辨的聲音頻率上限(20 kHz)，故稱為超聲波，需要超聲波傳感器才能檢測?；贏E的局部放電檢測方法不需要改變電氣設(shè)備運(yùn)行方式，可以使用多個(gè)傳感器通過接收時(shí)差定位缺陷且不易受電磁方面的干擾。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

針對開關(guān)柜運(yùn)行的絕緣劣化和現(xiàn)場局部放電檢測相關(guān)問題，本文開發(fā)出既滿足常規(guī)快速巡檢便攜性需求，又可實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜局部放電嚴(yán)重程度全天候監(jiān)測，還能兼顧多柜體絕緣介質(zhì)劣化程度跟蹤的開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由傳感器、局部放電監(jiān)測終端和局部放電信號綜合分析和診斷軟件組成。

系統(tǒng)靈活配置TEV及AE傳感器，對局部放電信號四通道同步高速采集，具備實(shí)時(shí)記錄及多圖譜分析功能，通過人工智能分析系統(tǒng)進(jìn)行模式準(zhǔn)確識別。采用非侵入方式，選用TEV和AE傳感器聯(lián)合檢測，能有效過濾干擾信號，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

傳感器采集信號經(jīng)過阻抗匹配、抗混疊濾波器和信號放大預(yù)處理電路，輸入到80 M/s、四通道同步數(shù)據(jù)采集模塊，獲取開關(guān)柜局部放電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。傳感器包含傳感器本體與同軸電纜兩部分，同軸電纜BNC接口與傳感器本體連接，SMB接口與采集系統(tǒng)連接。TEV傳感器接收發(fā)生局部放電時(shí)開關(guān)柜柜體外殼上感應(yīng)出的暫態(tài)對地脈沖電壓信號，AE傳感器接收發(fā)生局部放電時(shí)向外輻射的超聲波信號。傳感器安裝在開關(guān)柜低壓室內(nèi)壁上接近連接縫隙處，采用磁吸式固定安裝。

局部放電監(jiān)測終端由高性能工控機(jī)、高速采集卡和顯示器組成，負(fù)責(zé)采集傳感器信號，進(jìn)行初步分析和處理，然后通過網(wǎng)絡(luò)上傳至局部放電信號綜合分析和診斷軟件。

圖1給出了開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由信息感知層、網(wǎng)絡(luò)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層組成。首先由工作在信息感知層的監(jiān)測終端上的傳感器采集局部放電信號，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或無線網(wǎng)傳輸給網(wǎng)絡(luò)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層上的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最后將分析結(jié)果返回給數(shù)據(jù)應(yīng)用層上的應(yīng)用軟件，本系統(tǒng)支持手機(jī)APP和web瀏覽器同時(shí)訪問。

圖1 開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 綜合分析和診斷軟件結(jié)構(gòu)

開關(guān)柜局部放電綜合分析和診斷軟件由操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫平臺和軟件部分組成。軟件主要包含開關(guān)柜局部放電快速巡檢和重癥監(jiān)護(hù)兩部分功能。一般先采用快速巡檢系統(tǒng)檢測，若快速巡檢發(fā)現(xiàn)異常，再采用重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)一步監(jiān)測排查。圖2給出了開關(guān)柜快速巡檢和重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的流程。從圖2中可以看出，兩個(gè)流程都需要連接傳感器、檢測背景噪聲、掃描開關(guān)柜信息、布置傳感器以及進(jìn)行局部放電檢測等步驟。不同之處在于，快速巡檢需要對多個(gè)開關(guān)柜進(jìn)行檢查，需要重復(fù)操作；重癥監(jiān)護(hù)針對可能存在故障的開關(guān)柜，需要對其進(jìn)行長時(shí)間持續(xù)監(jiān)測。

圖2 開關(guān)柜局部放電綜合分析和診斷軟件流程

值得注意的是，在背景噪聲檢測結(jié)束后，需要根據(jù)噪聲的測量情況確定局部放電的閾值，此閾值是隨環(huán)境噪聲的不同而動態(tài)設(shè)定的，局部放電檢測的時(shí)長一般不低于1 min。

2.3 綜合分析和診斷軟件技術(shù)特點(diǎn)

本系統(tǒng)可覆蓋20 kHz～1.5 GHz超寬頻段的信號，具有同步四通道局部放電數(shù)據(jù)高速采集能力。針對現(xiàn)場可疑放電開關(guān)柜，將該系統(tǒng)AE及TEV傳感器貼合到該開關(guān)柜上對其進(jìn)行重癥監(jiān)護(hù)。通過對采集到的AE及TEV數(shù)據(jù)進(jìn)行波形、圖譜及放電趨勢分析，確定放電級別并進(jìn)行分級預(yù)警。通過對可疑開關(guān)柜的重癥監(jiān)護(hù)可有效避免手持式局放檢測儀存在的漏檢情況。

3 案例分析及應(yīng)用效果

某變電所配電車間2323開關(guān)柜(27.5 kV高壓開關(guān)柜)在某次巡檢過程中發(fā)現(xiàn)存在輕微的放電聲音，該車間工作人員利用基于TEV和AE的開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)對2323開關(guān)柜進(jìn)行了重癥監(jiān)護(hù)檢測。其具體分析過程包括：

1)系統(tǒng)使用高采樣頻率采集卡(80 M/s)對開關(guān)柜進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，確保局部放電信息均被捕獲，保證系統(tǒng)對局放信息不漏檢；

2)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測采集信號幅值，當(dāng)采集信號的幅值連續(xù)多次超過給定閾值后認(rèn)定為該開關(guān)柜存在放電，該方法可避免系統(tǒng)受外界信號干擾產(chǎn)生的局放誤報(bào)。

通過上述兩個(gè)步驟對該開關(guān)柜TEV和AE檢測波形和圖譜進(jìn)行分析。圖3為局放波形，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，可以直觀地查看開關(guān)柜的放電幅度及頻次，發(fā)現(xiàn)在TEV和AE波形中均有多次異常值存在。

(a)TEV波形查看

圖4為局放圖譜分析，圖4(a)和圖4(b)顯示出在不同相位處的放電次數(shù)和放電量信息，該信息是圖3波形的統(tǒng)計(jì)信息，圖4(c)和圖4(d)則將相位、放電量和放電次數(shù)以三維圖的形式展示，通過該統(tǒng)計(jì)信息工作人員可以更清晰地確定放電相位及放電次數(shù)信息。通過對放電相位、放電量及次數(shù)的可視化分析，可以直觀查看三者之間的聯(lián)系，進(jìn)一步確定局部放電情況，為開關(guān)柜放電判斷提供可靠依據(jù)。

(a)相位-放電次數(shù)圖譜

經(jīng)過圖3和圖4的分析，初步確定該開關(guān)柜存在局部放電情況。工作人員對2323開關(guān)柜進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)絕緣支柱確實(shí)存在表面放電，部分絕緣材料已發(fā)生碳化的情況，絕緣體放電缺陷如圖5所示。通過對開關(guān)柜周圍環(huán)境進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場濕度較大，從拆解下來的絕緣支柱看，其表面潮濕存在水珠，是由表面潮濕引起的局部放電。

圖5 絕緣材料放電缺陷

案例分析結(jié)果表明，本系統(tǒng)可及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜局部放電并提前預(yù)警。運(yùn)維人員根據(jù)預(yù)警信息對開關(guān)柜設(shè)備進(jìn)行了檢查、維護(hù)，避免了絕緣事故的發(fā)生，保障了供電系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要用于開關(guān)柜局部放電檢測及分析，以便及早發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜因各類原因引起的絕緣故障。通過對多種放電檢測技術(shù)的深入分析，確定使用TEV和AE聯(lián)合檢測的方式對開關(guān)柜進(jìn)行局放檢測，相比其他單一檢測方法，本文所給方法檢測效果更佳，有效地避免誤檢、漏檢現(xiàn)象，且系統(tǒng)適用性強(qiáng)，可用于多種電壓等級開關(guān)柜的局放檢測和及時(shí)預(yù)警。