變電站高壓電氣設備局部放電檢測技術分析

張春野 郝博 孫蕊 肖楊

遼寧省檢驗檢測認證中心（遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院） 遼寧沈陽 110000

高壓電氣設備受到運行環(huán)境的綜合影響，容易出現(xiàn)過度爬電及意外放電的隱性故障，該故障除了可能造成電網(wǎng)內(nèi)瞬間雜波外，短期內(nèi)對設備及電網(wǎng)運行不會產(chǎn)生直接影響。但高壓電氣設備局部放電是其出現(xiàn)微小故障的典型標志。在安全工程學的檢修窗口理論中，設備發(fā)生故障到發(fā)生相應事故之間的時間窗口，是狀態(tài)檢修的理想切入點，如果可以早期發(fā)現(xiàn)變電站高壓電氣設備的局部放電現(xiàn)象，對實現(xiàn)高壓電氣設備的狀態(tài)檢修有積極意義。

1 高壓電氣設備在線監(jiān)測故障分析

1.1 電力變壓器

根據(jù)高壓電氣設備的故障模式進行分析可以得出，變壓器和負荷開關是高壓電氣設備在線監(jiān)測的重點。負荷開關在線監(jiān)測范圍包括負荷開關自身的絕緣情況、觸頭磨損程度、觸頭行程、放電情況、機械結(jié)構(gòu)形變狀況、油質(zhì)情況和電氣回路的可靠性等內(nèi)容，在線監(jiān)測變壓器的作用是從缺陷到初始故障進行一個為期很長的測量和分析的過程，如絕緣老化問題[1]。導致絕緣老化的因素有很多，包括油溫差變化、氧化速度、其他污染物等因素，而催化劑、相關應力作用和貫穿性故障是加劇這些因素變化的主要原因，主要表現(xiàn)為油泥的沉積、閃光點降低、機械強度減弱等。在運行的過程中，如果運行方式發(fā)生異常則會引起過熱現(xiàn)象，致使油中的水分轉(zhuǎn)化為氣泡，最終導致液體絕緣介質(zhì)的強度降低，從而使介質(zhì)失去作用。對電力變壓器進行在線監(jiān)測和分析，可以將潛在的隱形故障及時查找出來，從而對設備絕緣變化的發(fā)展形勢進行充分的掌握。同時還可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，選擇不同的試驗周期，增強試驗的實效性。

1.2 容性設備

容性設備在運行的過程中，由于受電、熱、機械應力和環(huán)境應力等作用的影響，導致容性設備的絕緣性能逐漸下降，影響嚴重的會加劇其絕緣性的惡化，最終使其絕緣性能喪失，從而引發(fā)突發(fā)設備事故，給相關電力企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟損失。因此，對容性設備進行在線監(jiān)測十分必要。對容性設備在線監(jiān)測的項目有電容、不平衡電壓、阻性電流、電容電流、介質(zhì)損耗、功耗和氧化鋅避雷器的全電流等參量。值得注意的是，在對容性設備進行實時在線監(jiān)測和分析的過程中，由于末屏電流比較微弱，為了避免末屏電流遭受現(xiàn)場電磁場和傳輸信號衰減的干擾，在采集末屏電流時，盡量運用數(shù)字化傳輸方案；在對氧化物避雷器監(jiān)測結(jié)果進行分析的過程中，通常情況下都會采用抵消容性電流分量法進行分析，但是這種電容比較小，容易遭受電場的干擾而影響最終測量數(shù)據(jù)的準確性。為了解決這一問題，保障測量數(shù)據(jù)的真實性，可對測量的阻性電流進行橫向和縱向比較，但是這種方法對系統(tǒng)諧波影響的狀況難以進行有效抑制，因此，在測量裝置中可以通過軟件和硬件同時補償?shù)姆绞浇鉀Q這一問題[2]。

1.3 斷路器和氣體絕緣組合電器

在對高壓電氣設備進行在線監(jiān)測的過程中，斷路器在線監(jiān)測是其中的重點內(nèi)容，其監(jiān)測的項目主要包括絕緣特性、開斷能力、機械特性和操作回路完整性等，對氣體絕緣組合電器、斷路器的電氣及機械性能的在線監(jiān)測和狀態(tài)評估，主要通過以下方式實現(xiàn)：①對于斷路器觸頭磨損的評估，可以通過開斷能力累積量的測量進行評估，在評估的過程中，主要是利用保護裝置實現(xiàn)開斷能力測量；②在斷路器所有故障中，斷路器機械故障最為常見，由于機械特性停電和不揭蓋的在線監(jiān)測難度比較大，可以通過保護裝置完成對電氣回路的測量，以便確保保測量數(shù)據(jù)的完整性；③在當前斷路器在線監(jiān)測的工作內(nèi)容中，對真空泡的真空度測量方式尚處于技術探索階段，目前所有的在線監(jiān)測方法成本過高且欠缺一定的安全性；④對氣體絕緣組合電器局部放電的在線監(jiān)測方式是通過振動法，其監(jiān)測原理主要是結(jié)合放電強度趨同于振動強度、周期性振動信號和局部放電與振動脈沖相同相位等特征，將振動法得以實現(xiàn)，這種監(jiān)測方法是我國目前一種新興的監(jiān)測方法，其運行效果尚處于考證階段。

2 高壓電氣設備局部放電的三點定位法

2.1 基于傾斜攝影的三點定位法

在電網(wǎng)智能巡線等早期使用傾斜攝影的方法中，使用無人機掛載傾斜攝影設備對輸電線路等電網(wǎng)設施進行離線測量并進行數(shù)據(jù)分析，可以實現(xiàn)較為精確的定位測量及占位測量。而采用固定式傾斜攝影探頭的方式，可以給出更加精確的探頭坐標，實現(xiàn)精確到毫米級的最終測量結(jié)果。鑒于微小電弧的電弧長度一般小于1cm且其在可見光、紅外光、紫外光頻段均有物理表現(xiàn)，因此使用傾斜攝影在廣域波譜上對微小電弧進行定位，是本方法的重要創(chuàng)新點。

多軸平行攝影技術，可以提供遠超可見光波譜的平行軸攝影技術支持。通過將可見光、紅外光、紫外光等CMOS感光元件使用平行軸鏡頭的方式進行模塊整合，可以提供一個擁有三攝像頭平行軸整合的監(jiān)測模塊，該模塊已經(jīng)在包括電力監(jiān)測系統(tǒng)在內(nèi)的諸多監(jiān)測系統(tǒng)中得到有效應用。其中，可見光攝影可以捕捉到電弧放電的可見光輻射部分，紅外線攝影可以捕捉到電弧放電時的局部瞬時溫度改變，紫外線攝影可以捕捉到電弧放電時的紫外輻射部分。對于擺桿式高壓斷路器來說，其外部空間較為寬闊，可以在距離其10～15m的位置布置不同方向的3個多軸平行攝影系統(tǒng)，每個多軸平行攝影系統(tǒng)包括3個攝像頭并配置高精度云臺、時鐘同步系統(tǒng)、光學鏡頭、慣性探頭等子系統(tǒng)，實現(xiàn)光學頻譜上的圖像數(shù)據(jù)采集功能，利用三點定位法可以解算出電弧形態(tài)和電弧位置：

式中：L1，L2，L3為通過光學原理獲得的電弧發(fā)生位置與3個攝像頭之間的距離；（x0，y0，z0）為被定位點的三軸坐標；（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）為3個探頭的三軸坐標。因3個探頭的三軸坐標可以明確獲得，所以只要獲得（x0，y0，z0），即可解算出3個距離量L1，L2，L3，從而實現(xiàn)對電弧發(fā)生位置的明確定位。

2.2 基于聲吶定位原理的三點定位法

早期部署噪聲探頭的目的是采集設備中的噪聲信息以還原設備的微震動特征曲線。較長時間以來，這種噪聲探頭的應用從未改變。在多探頭同步測量的過程中，利用聲速遠低于光速的特征，基于聲吶定位學原理，分析其高頻噪聲波峰的出現(xiàn)時間差，提供精度遠大于光譜定位的三維定位，是本方法的第二個重要創(chuàng)新點。為配合多軸平行攝影技術的數(shù)據(jù)分析需求，利用噪聲探頭的聲吶定位原理，對電弧放電的位置進行進一步定位。此時電弧放電的發(fā)生位置到3個固定位置噪聲探頭的距離（由聲學原理獲得）L'1，L'2，L'3可根據(jù)公式（2）獲得：

式中：h為當前氣壓、風速、濕度條件下的聲速；t1，t2，t3為聲音抵達3個探頭所經(jīng)歷的時間。同樣以擺桿式高壓斷路器為例，其自身尺寸一般小于5m，各聲音探頭間距一般小于15m，雖然聲速可能受到氣壓、風速、濕度等條件影響，但在此尺度內(nèi)3個探頭所受到的影響差異性可以忽略不計。因為標準大氣壓靜態(tài)空氣中的聲速一般為340m/s，聲音探頭的采樣頻率一般達到44MHz，系統(tǒng)可以達到極高的理論定位精度。但考慮到聲音反射、散射等影響，實際分析中，采用2kHz頻率進行分析，其定位精度可以達到0.17m。

3 高壓電氣設備局部放電的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計

3.1 攝影探頭的設計與布局

可見光探頭采用了較高解析度的攝影探頭，一般采用2K（1920像素×1080像素）以上畫質(zhì)、60幀/s以上的幀率采集圖像信息，而紅外探頭和紫外探頭的解析度要求并不高，一方面其獲得的數(shù)據(jù)與可見光探頭進行數(shù)據(jù)整合時，僅是將紅外信號與紫外信號與可見光信號進行疊加，另一方面其畫面數(shù)據(jù)量并不大，特別是紫外探頭部分，因為視場內(nèi)可能發(fā)出紫外輻射的等離子體物質(zhì)并不多見，其實際拍攝內(nèi)容可能僅為圖像中的電弧部分。因此，紅外探頭和紫外探頭一般采用640像素×480像素的解析度進行60幀/s的同步攝影。

嵌入系統(tǒng)的主要計算職能包含2部分：①將3個攝像頭數(shù)據(jù)進行疊加處理，即將紅外探頭數(shù)據(jù)和紫外探頭數(shù)據(jù)疊加到可見光數(shù)據(jù)中。同時對系統(tǒng)內(nèi)的關鍵點進行判讀并利用公式（1）給出關鍵點的實時定位監(jiān)測結(jié)果。②當可見光探頭發(fā)現(xiàn)異常閃光、紅外探頭發(fā)現(xiàn)異常瞬時高溫、紫外探頭發(fā)現(xiàn)異常紫外輻射點這3個異?，F(xiàn)象出現(xiàn)1項或多項時，標定時間戳并將實時單幀數(shù)據(jù)進行單獨存儲，并報送到IDC中進行遠程離線處理。

3.2 探頭的物聯(lián)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

采用3個多軸平行攝影探頭和3個噪聲探頭進行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)在探頭嵌入系統(tǒng)進行初步處理后，報送到嵌入式集中板中進行數(shù)據(jù)緩存，集中板外掛一個不少于5TB的SSD工業(yè)存儲陣列系統(tǒng)，同時由集中板通過工業(yè)網(wǎng)橋主機向IDC報送相關數(shù)據(jù)。探頭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)向IDC報送信息的工作數(shù)據(jù)流主要包括以下內(nèi)容：①對攝像頭、噪聲探頭的流媒體數(shù)據(jù)進行存儲并與IDC數(shù)據(jù)倉庫的流媒體服務器進行同步。②對疑似放電發(fā)生時間的重點流媒體信息時間戳進行存儲并與IDC數(shù)據(jù)倉庫的邏輯數(shù)據(jù)倉庫服務器進行同步[3]。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)的IDC架構(gòu)設計

IDC部分，基本滿足當前電力IDC的CBA架構(gòu)。所謂CBA，是指在一個工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境機房中，同時布局云計算（C.C.）、大數(shù)據(jù)（B.D.）、人工智能（A.I.）等相關硬件，以實現(xiàn)對智能電網(wǎng)提供相應服務的大數(shù)據(jù)功能。但不同智能電網(wǎng)相關系統(tǒng)對IDC的要求有所不同，其CBA架構(gòu)的側(cè)重點也有所不同。

①數(shù)據(jù)庫部分側(cè)重流媒體數(shù)據(jù)的倉儲及檢索功能。本文采用多個流媒體服務器，在對應任務服務器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下實現(xiàn)服務器集群功能。任務服務器功能為協(xié)調(diào)存儲服務器的可用存儲空間，使用服務器虛擬化技術將多臺存儲服務器在邏輯上形成單臺大容量服務器。邏輯數(shù)據(jù)主機負責存儲疑似放電時間戳的相關信息。②使用包含多個GPU計算核心的浮點計算主機，實現(xiàn)C.C.和A.I.功能。該系統(tǒng)對此兩項功能的要求并不高，其中C.C.部分除Python數(shù)據(jù)分析功能和BIM數(shù)據(jù)整合功能外，無額外要求；而A.I功能則采用單一神經(jīng)網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的二值化判斷。③使用本地負載均衡器與提供流媒體服務的任務服務器聯(lián)合對系統(tǒng)內(nèi)的任務分發(fā)和負載均衡實現(xiàn)統(tǒng)一管理，使用API服務器搭建與平行系統(tǒng)和上級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邏輯通道管理，使用LAMP服務器實現(xiàn)桌面端和移動端的數(shù)據(jù)展示，使用工業(yè)網(wǎng)橋主機實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的連接。

4 結(jié)語

綜上，隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力工程的建設規(guī)模也不斷的擴展，如何提升電力輸送質(zhì)量和保障電力輸送的安全，是當前電力企業(yè)面臨的新課題。高壓電氣設備狀態(tài)檢修可以有效排除故障，是電力系統(tǒng)運行過程中最為關鍵的內(nèi)容之一。