高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

雷釗洪

[摘? ? 要]電力系統(tǒng)中高壓開(kāi)關(guān)柜的應(yīng)用， 可在輸配電、 電能轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)中發(fā)揮通斷、 控制及保護(hù)作用。高壓開(kāi)柜的絕緣介質(zhì)之所以會(huì)有老化的現(xiàn)象出現(xiàn)，往往都是局部放電引起的。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電狀況，能將柜體在設(shè)計(jì)、制造及安裝等方面存在的缺陷及時(shí)檢測(cè)并發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)絕緣老化情況的評(píng)價(jià)，能為設(shè)備運(yùn)行提供安全保障。文章從高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)總體方案入手，闡述了系統(tǒng)構(gòu)建內(nèi)容及軟件方案，以供參考與借鑒。

[關(guān)鍵詞]高壓開(kāi)關(guān)柜;局部放電;在線監(jiān)測(cè);監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM591;TM855 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–00–02

Research on Partial Discharge Online Monitoring System for High Voltage Switchgear

Lei Zhao-hong

[Abstract]The application of high voltage switchgear in power system can play the role of on-off， control and protection in transmission and distribution， power conversion and other links. The reason for the aging of insulating medium is often caused by partial discharge. Through on-line monitoring of partial discharge of high-voltage switchgear， the defects in design， manufacture and installation of the cabinet can be detected and found in time. Through the evaluation of insulation aging， the safety guarantee for equipment operation can be provided. Based on this， this paper starts with the overall scheme of partial discharge on-line monitoring hardware system of high voltage switchgear， and expounds the system construction content and software scheme for reference.

[Keywords]high voltage switchgear; Partial discharge; online monitoring; monitoring system

高壓開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)因自身電、熱、化學(xué)等作用或環(huán)境的影響，會(huì)導(dǎo)致絕緣材料面臨物理性損壞，影響設(shè)備正常運(yùn)行，最后造成設(shè)備損壞或停電事故。局部放電表示因有水分、毛刺、氣泡等雜質(zhì)存在于氣體、液體、固體電介質(zhì)中，電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生畸變，局部介質(zhì)中會(huì)出現(xiàn)并電離場(chǎng)強(qiáng)更大的電場(chǎng)強(qiáng)度，此時(shí)會(huì)有電離放電現(xiàn)象發(fā)生。為了將潛在故障因素盡快發(fā)現(xiàn)并找出，將重要的參考供于狀態(tài)檢修使用，有必要圍繞高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電現(xiàn)象研究在線監(jiān)測(cè)，穩(wěn)定高壓開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，從而為電網(wǎng)供電提供可靠性保障。

1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)總體方案

圖1展示了高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架圖。

高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)配備了負(fù)責(zé)超高頻電磁信號(hào)接收的超高頻天線，信號(hào)接收進(jìn)來(lái)后在高頻同軸電纜的作用下傳輸至信號(hào)調(diào)理單元，后續(xù)歷經(jīng)帶通濾波電路和濾波、檢波及放大器的一系列處理，并再次傳輸至高速數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采集，此時(shí)能成功將采集的模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，在計(jì)算機(jī)內(nèi)輸入數(shù)字信號(hào)后，計(jì)算、分析及顯示等工作就此完成。

該系統(tǒng)功能包括： ①檢測(cè)局放信號(hào)，完成信號(hào)放電特征的提取。以統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)為根據(jù)，繪制工頻周期放電分布圖、放電頻率（放電量）—相位譜圖等;②兼具自動(dòng)與手動(dòng)采集模式，通過(guò)自動(dòng)采集模式的運(yùn)用，能在線監(jiān)測(cè)局部放電信號(hào);③面向采集的信號(hào)展開(kāi)抗干擾處理，如放大、濾波等，帶動(dòng)信號(hào)信噪比的提高;④能夠判斷、輔助識(shí)別內(nèi)部局部放電模式，可實(shí)現(xiàn)放電嚴(yán)重程度的準(zhǔn)確判斷;⑤能聯(lián)系上級(jí)調(diào)度控制中心，具備數(shù)據(jù)查詢(xún)、閾值報(bào)警及導(dǎo)出功能。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 超高頻天線

超高頻天線包含內(nèi)置式與柜體外探頭式兩種天線，兩者區(qū)別在于安裝位置。前者多為能屏蔽柜體外部干擾的電容式探頭天線，但開(kāi)關(guān)柜柜體可能出現(xiàn)電場(chǎng)分布變化的情況，引起放電現(xiàn)象。后者雖然靈敏度和抗干擾能力偏弱，但能維持開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電場(chǎng)分布。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，超高頻天線選擇內(nèi)置式微帶天線類(lèi)型。該天線有價(jià)格低廉、質(zhì)量輕、體積小等特點(diǎn)，且在與電路集成、載體共形方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。微帶天線饋電包含兩種，分別為微帶線與同軸探針饋電。以實(shí)際需求為根據(jù)，制作為形狀不一的輻射貼片，其性能各有差異。微帶天線呈現(xiàn)出平面結(jié)構(gòu)的外形，在高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)安置時(shí)，基本不會(huì)影響內(nèi)部絕緣。

2.2 帶通濾波電路

面向超高頻天線采集信號(hào)提取放電特征信號(hào)時(shí)，濾波處理原始信號(hào)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。理想的帶通濾波器通帶內(nèi)為一個(gè)常數(shù)，阻帶內(nèi)信號(hào)為零，信號(hào)不衰減， 通帶與阻帶間省去了過(guò)渡帶。但是，此類(lèi)理想特性通過(guò)集總線性網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上不能實(shí)現(xiàn)，往往采取適宜種類(lèi)的濾波器盡量獲取與理想目標(biāo)更貼近的情況。常用的帶通濾波器包含巴特沃斯型、橢圓函數(shù)、貝塞爾型和切比雪夫Ⅰ型與Ⅱ型等多種類(lèi)型，其中巴特沃斯型濾波器雖然不會(huì)對(duì)通過(guò)信號(hào)造成太大的影響，但是陡峭的滾降不會(huì)出現(xiàn)在截止頻率處;貝塞爾型濾波器中，會(huì)有幅值影響通過(guò)信號(hào)的情況出現(xiàn)，且不具備理想的濾除特性;切比雪夫Ⅰ型濾波器能獲取更貼近理想情況的截止頻率幅頻特性，但信號(hào)通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生等幅紋波;切比雪夫Ⅱ型濾波器中，能最大限度減少對(duì)信號(hào)的影響，然而同樣有等幅紋波存在阻帶中。為了將噪聲信號(hào)干擾有效濾除，本設(shè)計(jì)在對(duì)上述濾波器工作性質(zhì)展開(kāi)衡量考慮之后，確定了切比雪夫Ⅰ型濾波器。

2.3 低噪聲放大電路

超高頻電磁波信號(hào)隨著折射反射次數(shù)的增加，會(huì)出現(xiàn)衰減的情況，同時(shí)電磁波信號(hào)會(huì)因無(wú)源濾波方式而適當(dāng)衰減?；诖耍瑸榱搜a(bǔ)償信號(hào)衰減，需要安置放大器。低噪聲放大器可在維持低噪聲系數(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)增益較高的工作性能，應(yīng)用于無(wú)線電裝置中頻或高頻前置放大電路或較高靈敏度電子探測(cè)設(shè)備放大電路，能取得良好的成效。低噪聲放大器設(shè)計(jì)中，需要將噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性和增益等參數(shù)滿(mǎn)足。由于在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)，考慮到放大信號(hào)處于500 MHz～1.5 Ghz頻帶，增益不得低于20 dB，噪聲系數(shù)不得高于1.5 dB。

2.4 檢波電路

由于是參照信號(hào)峰值與相位信息確定超高頻放電信號(hào)特征信息，故而需關(guān)注的對(duì)象僅包含信號(hào)峰值與相位信息。為將超高頻放電信號(hào)特征信息獲取，采樣裝置需要相對(duì)較高的采樣頻率，同時(shí)能支持大量數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)和處理。參照奈圭斯特采樣定律得知，控制數(shù)據(jù)最小采樣率為兩倍采樣信號(hào)以上，此時(shí)即可將頻率混疊的情況規(guī)避。而達(dá)到GHz/s采樣頻率的高速采集卡，其本身具備較高的價(jià)格，同時(shí)處于工作狀態(tài)時(shí)會(huì)有較大發(fā)熱量，此類(lèi)問(wèn)題也存在與高速大容量存儲(chǔ)器內(nèi)。鑒于系統(tǒng)實(shí)用性、工作環(huán)境及成本價(jià)格等因素，盡量排除硬采高頻信號(hào)的方式。包絡(luò)檢波技術(shù)支持獲取高頻信號(hào)包絡(luò)線，結(jié)合普通采樣裝置或電路就能獲取經(jīng)處理后的信號(hào)峰值與相位信息，此時(shí)能更好地滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，檢波電路設(shè)計(jì)中，通過(guò)包絡(luò)檢波技術(shù)的應(yīng)用，能將信號(hào)頻率大幅降低，且能將有用的信息完整保留。

2.5 數(shù)據(jù)采集模塊

濾波、放大及檢波等環(huán)節(jié)后的局部放電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元待信號(hào)模擬完成后， 再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。整個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集單元發(fā)揮聯(lián)系前后的作用，其性能會(huì)對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性構(gòu)成直接影響。

局部放電信號(hào)經(jīng)檢波放大電路處理后，輸出信號(hào)頻率最高能達(dá)到15 MHz。參照奈圭斯特采樣定律得知，有限帶寬信號(hào)中，控制數(shù)據(jù)最小采樣率為兩倍采樣信號(hào)以上，此時(shí)即可將頻率混疊的情況規(guī)避。具體應(yīng)用中，為了能更準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，每個(gè)輸入信號(hào)周期需要維持不低于5～10次的采樣次數(shù)，也就是頻率需要比信號(hào)最高頻率高出5～10倍。數(shù)據(jù)采集模塊在向上位機(jī)傳輸信息時(shí)，需要保障高速、連續(xù)且不間斷。

3 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件方案

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件中，配備了支持用戶(hù)使用和控制系統(tǒng)運(yùn)行的友好對(duì)話界面。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件控制硬件完成信息采集后，能將初始及處理后的數(shù)據(jù)保存，且能將歷史數(shù)據(jù)保留，并評(píng)估放電趨勢(shì)、放電診斷。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件方案面向模塊化設(shè)計(jì)思想展開(kāi)設(shè)計(jì)，結(jié)合分層分級(jí)設(shè)計(jì)思路，最終可獲取高效率的系統(tǒng)軟件編程，能為后續(xù)軟件設(shè)計(jì)、維護(hù)及拓展功能提供便利。從功能上來(lái)看，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件主要由用戶(hù)登錄與管理、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信及智能診斷等多個(gè)模塊組成。

（1）用戶(hù)登錄與管理模塊。該模塊是軟件系統(tǒng)中必不可缺的一部分，是為系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全性提供保障的關(guān)鍵。內(nèi)部設(shè)計(jì)了密碼登錄，要求注冊(cè)人員登錄時(shí)需要輸入個(gè)人權(quán)限信息，且根據(jù)人員權(quán)限限制了可供操作的范圍。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。該模塊旨在進(jìn)行不同類(lèi)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)等，是系統(tǒng)各應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高效管理。

（3）網(wǎng)絡(luò)通信模塊。該模塊主要包含了數(shù)據(jù)采集與調(diào)度通信。數(shù)據(jù)采集通過(guò)關(guān)聯(lián)FPGA，在RS485通信總線協(xié)議的運(yùn)用下，能夠及時(shí)、不斷地將采樣數(shù)字信號(hào)向上位機(jī)存儲(chǔ)器存入，上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)可向FPGA及時(shí)傳輸。

（4）智能診斷模塊。該模塊包含了數(shù)據(jù)處理、放電模式識(shí)別及局部放電發(fā)展趨勢(shì)分析等，是系統(tǒng)檢測(cè)軟件的關(guān)鍵所在。該模塊在數(shù)據(jù)處理功能的運(yùn)用下，能夠完成放電特征信息的提取，同時(shí)以統(tǒng)計(jì)特征為根據(jù)，識(shí)別局部放電模式并診斷故障。所以，智能診斷模塊中，數(shù)據(jù)處理部分屬于核心內(nèi)容，是智能診斷其他功能賴(lài)以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文圍繞高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電，從硬件和軟件等兩方面設(shè)計(jì)了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒏邏洪_(kāi)關(guān)柜局部放電及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)警并盡快實(shí)施對(duì)應(yīng)的處理措施，有利于高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)感知能力的提高，能夠輔助制定科學(xué)合理的檢修策略。同時(shí)，通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，能將盲目檢測(cè)的情況規(guī)避，且能使停電次數(shù)與時(shí)長(zhǎng)減少，最終能為電網(wǎng)運(yùn)行提供安全可靠的保障。

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