改進型三維空間定位法在開關柜局放定位檢測中的應用

伍弘，張巍，牛勃，李洋，陳元毅

（1.國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011；2.寧夏電力投資集團有限公司西夏熱電有限公司，寧夏 銀川 750021；3.國網寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411）

0 引言

高壓交流金屬封閉開關設備（開關柜）是中低壓配電網中的重要電氣設備之一，其主體結構一般可分為儀表室、斷路器室、母線室和電纜室[1-2]。因斷路器觸頭接觸不良、母線等電位線脫落、電纜接頭異常等均會導致開關柜產生局放缺陷甚至迅速發(fā)展為故障[3-5]，此外，惡劣的運行條件，如重污穢、潮濕凝露、冷熱循環(huán)等也會嚴重影響開關柜內絕緣件和金屬件的性能[6]。

當上述異常情況發(fā)生或在惡劣運行條件下開關柜內不同器件發(fā)生老化時，會產生局部放電，可通過各種基于聲、光、電、化學原理的檢測方法實現局放類型和位置的判定，從而實現開關柜缺陷或故障的預控預防。如文獻[7]研究采用特高頻法對開關柜常見的3 種缺陷類型進行測試，并通過支持向量機和邏輯回歸方法對局放缺陷類型進行了識別；文獻[8]研究采用超聲波法對開關柜絕緣缺陷進行了局放測試，并采用小波變換對超聲波信號進行特征提??；文獻[9]研究了泵吸式臭氧濃度檢測方法對開關柜局放缺陷檢測的有效性，并對柜內穿墻套管局放源的放電類型及放電程度進行了分析。同時采用多種方法進行開關柜局放檢測，既可為局放缺陷類型判定互相佐證，又便于局放位置的確定，但現有的局放定位檢測多受檢測儀器自身較差的抗干擾能力以及外界背景中的各類噪聲影響，定位精度有限[10-12]。

為進一步提高開關柜局放缺陷定位精度，本文在平分面法的基礎上，通過構建局放位置目標函數進行求解的三維空間定位法，降低信號延時影響，實現對開關柜局放缺陷的精準定位，并通過對某10 kV開關柜的現場實測進行了驗證。

1 開關柜局放缺陷定位方法

開關柜局放檢測常見的方法有暫態(tài)地電壓局放檢測法、超聲波局放檢測法、特高頻局放檢測法等。當局放發(fā)展至嚴重階段，紅外、紫外成像法用于其缺陷位置檢測；此外，一些新方法如脈沖電流法、臭氧濃度檢測法也可用于開關柜局放檢測中[9-13]，但開關柜往往是多面并列運行，互相之間電、聲、化學信號影響較大，如僅應用上述方法中的某一種很難確定真實局放缺陷位置，且在局放形成的初期，除特高頻局放檢測法外，其他方法都很難捕獲到局放信號。

采用上述局放檢測方法的同時，應用多傳感器進行開關柜局放定位檢測效果顯著。尤其是特高頻法、超聲波法在應用多傳感器時會有明確的電、聲信號傳播速度和傳播時間差等參數，可以實現缺陷位置的定量檢測及分析。將多個傳感器擺放至特定位置進行開關柜局放檢測，可以計算出更加準確的局放缺陷位置。比較典型的方法有平分面法，以及采用智能尋優(yōu)算法精確求解缺陷位置的三維空間定位法。

1.1 平分面法

平分面法是目前用于開關柜局放缺陷定位檢測較為普遍且效果相對較好的方法之一，其主要原理是利用開關柜的立體結構，依次通過橫向、垂直以及深度定位檢測確定三個面，進而三個面的交匯點即是局放源所在位置。平分面法定位原理如圖1所示。

圖1 開關柜平分面法局放定位

圖1 中，采用傳感器A 和傳感器B 依次在開關柜的橫、縱、深三個面利用時差法確定局放源所在的P1、P2 和P3 三個面，進而根據開關柜內部結構即能判斷出局放源所在位置。

1.2 三維空間定位法

采用聲電聯(lián)合局放檢測，可實現開關柜局放缺陷的三維空間定位，即通過超聲波局部放電信號幅值變化判斷局部放電源信號來源，之后通過特高頻傳感器捕獲時延進行局部放電源定位，相應的定位方程為式（1）所示的雙曲面方程組，其中雙曲面方程組交點即為異常局放點位置。

式中：x0，y0，z0—基準特高頻傳感器位置坐標；

xi，yi，zi—測量特高頻傳感器Si坐標；

x，y，z—局部放電源位置坐標；

c—電磁波信號在空氣中的速度；

Δti0—檢測信號與基準信號時間差；

ti、tj—信號時延。

根據定位模型，構建求解局放源位置的目標函數，即兩個特高頻局放傳感器采用時差法的定位差與真實局放源距離兩個特高頻局放傳感器的距離差的差值，繼而通過超聲波法或平分面法確定局放源的初始位置，即可通過相關算法進行目標函數尋優(yōu)。相應的目標函數如式（3）所示。

式中：c—電磁波信號在空氣中的速度；

cΔti—兩個基準特高頻局放傳感器采用時差法的定位距離差；

f(pi)—真實局放源距離兩個特高頻局放傳感器的距離差。

當f(p)無限趨近于0 時，cΔti即為某個平面真實局放源與兩個傳感器的距離之差。將式（3）的目標函數擴展到三維空間，即得到以下目標函數。

式中：f(pji)—空間中兩組傳感器陣列所在位置（用三維坐標表示）與真實局放源位置的距離差值，未知數即為真實局放源的位置。

相應的定位模型如圖2所示。

圖2 開關柜三維空間法局放定位模型

當采取不同的算法對f(p)尋優(yōu)求解時，通過平分面法確定真實局放源的位置初始值后，即能不斷尋優(yōu)，最終獲得局放源最準確的空間位置。常用的尋優(yōu)算法如蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法等均可用于上述目標函數求解，其中粒子群算法基于群體智能化算法，與遺傳算法相比其無交叉變異操作，其通過個體之間的協(xié)作來搜索最優(yōu)解，具有搜索速度快、效率高和算法簡單等特點[14-15]，適宜用于式（4）求解。

2 改進型三維空間定位法及其檢測流程

應用三維空間定位法更加快速、準確地求取局放缺陷位置，需給定其一個更加接近真實局放缺陷位置的初值?？紤]平分面法相較于其他單一方法在開關柜局放定位檢測中具有更高的精度和更好的抗干擾性能，將其與三維空間定位法進行融合，形成開關柜局放檢測的改進型三維空間定位法，即通過平分面法確定三維空間定位法所需的缺陷位置初值。詳細的檢測流程如圖3所示。

圖3 改進型三維空間定位法檢測流程

改進型三維空間定位法主要流程如下：

1）通過常規(guī)局放帶電檢測方法，如超聲波局放檢測、暫態(tài)地電壓局放檢測及特高頻局放檢測等方法（圖3中以檢測法ABC表示）確定被測開關柜存在局放缺陷，并根據檢測圖譜確定疑似局放類型；

2）根據各類檢測信號幅值初步確定局放大致位置；

3）采取平分面法確定局放缺陷所在的橫、縱、深三個面，確定具有一定可信度的局放缺陷位置，并給出能夠量化的初始值（三維空間坐標）；

4）通過傳感器陣列檢測方式，結合平分面法給出的局放缺陷位置初始值和檢測結果，采用粒子群算法或其他智能算法對目標函數求解，篩除掉與平分面法確定的局放位置明顯不同的結果后，保留最終的局放位置結果（三維空間坐標）；

5）停電檢查并驗證定位結果，及時處置。

3 開關柜局放定位實測

為驗證采取平分面法及三維空間定位法進行開關柜局放定位檢測的有效性和準確性，按照上節(jié)所述的檢測流程對某110 kV變電站2號所變521斷路器開關柜進行實測。

3.1 常規(guī)局放帶電檢測

3.1.1 暫態(tài)地電壓檢測

對2 號所變521 斷路器開關柜進行暫態(tài)地電壓檢測，數值結果如表1所示。

表1 暫態(tài)地電壓檢測數據

PRPS&PRPD 圖譜如圖4所示，其中金屬背景為14 dB。

圖4 521斷路器柜暫態(tài)地電壓PRPS&PRPD圖譜

根據表1 和圖4，521 斷路器開關柜存在異常局放信號，且脈沖圖譜為信號幅值寬度較寬、大小相差較小的兩簇信號，呈懸浮放電特征；缺陷位置大概靠近前柜中部。

3.1.2 特高頻局放檢測

采用莫克EC 4000P 局放檢測儀對521 斷路器柜及相鄰間隔開關柜進行特高頻局部放電檢測，檢測位置為開關柜底部的觀察窗，檢測數據如圖5、圖6所示。

圖5 相鄰間隔開關柜特高頻PRPS&PRPD圖譜

圖6 521斷路器柜特高頻PRPS&PRPD圖譜

與鄰近間隔相比，521 斷路器柜的特高頻圖譜顯示有兩簇明顯的連續(xù)放電脈沖，疑似為柜內所變隔斷內的懸浮放電。

3.2 平分面法局放定位檢測

3.2.1 橫向定位

對開關柜進行橫向定位檢測，特高頻局放傳感器現場布置及檢測到的圖譜（示波器）如圖7所示。

圖7 開關柜局放橫向定位檢測

由圖7（b）可以看出傳感器B接收到的局放信號比傳感器A接收到的信號早0.8 ns，即放電源與傳感器B的距離比傳感器A近24 cm。將傳感器A向右挪至開關柜中軸線，檢測到的圖譜仍顯示傳感器B接收到的信號比傳感器A早0.25 ns，表明局放源在開關柜中偏右的位置處。

3.2.2 縱向定位

對開關柜進行縱向定位檢測，特高頻局放傳感器現場布置及檢測到的圖譜（示波器）如圖8所示。由圖8（b）可以看出傳感器B 接收到的局放信號較傳感器A 接收到的信號早1.75 ns，即放電源與傳感器B 的距離比傳感器A 近52.5 cm。再將傳感器A 放置于開關柜頂部，測得的圖譜顯示傳感器B接收到的局放信號比傳感器A早3.2 ns，即放電源與傳感器B的距離比傳感器A近96 cm。

圖8 開關柜局放縱向定位檢測

根據上述檢測結果進行分析，在縱平面上，局放源的位置有兩個可能，一是在開關柜中軸線下部約237.5 mm 處；二是在開關柜中軸線上方約20 mm處。

3.2.3 深度定位

將特高頻局放傳感器A放在后柜，傳感器B放在前柜，兩者高度一致，檢測到的圖譜如圖9所示。

圖9 開關柜局放深度定位檢測圖譜

由圖9 可以看出，傳感器B 接收到的局放信號比傳感器A 接收到的信號早2 ns，即放電源與傳感器B的距離比傳感器A近60 cm，表明局放源靠近前柜處。

3.3 三維空間定位法局放檢測

受開關柜機械結構、布置方式影響，采用如圖10所示的特高頻局放傳感器布置方式，且采用3 個傳感器的組合式定位方法完成空間定位：S0,S1,S2和S0,S1,S3兩組。以S0所在位置為三維坐標系的原點，橫向為x軸，縱向為z軸，深度為y軸，則根據傳感器位置所在的不同面，獲得S0（0，0，0），S1（500，0，0），S2（500，0，-1000），S3（0，1500，-500）。局放源所在位置P（x，y，z）即要通過三維空間定位法求取的未知數。

圖10 三維空間定位法特高頻傳感器布置方式

根據平分面法檢測得到的結果，分別選擇局放源定位的初始值P0坐標為（287.5，450，20）和（287.5，450，-237.5），單位為mm。

對采取上述布置方式的傳感器陣列進行多次局放信號采集，按照式（4）所列的目標函數進行定位。采用粒子群算法對目標函數進行求解，分別代入不同的P0，篩除掉明顯錯誤的結果后，最終得到局放位置P的空間坐標為（355，652，27），單位為mm。即局放源在開關柜的右前側、中部稍偏上位置。

3.4 停電檢查驗證

對521 斷路器柜進行停電檢查，發(fā)現手車開關W 相下觸頭梅花觸指箍緊彈簧松動，觸頭附近有白色粉末，判斷為長時間局部放電造成的燒蝕。具體位置如圖11所示。

圖11 真實局放缺陷位置

經過現場測量，實際缺陷位置與通過改進型三維空間定位法確定的位置直線距離僅相差50 mm，考慮局放發(fā)展情況，可以認為檢測到的缺陷位置與實際位置相一致。停電檢查結果驗證了采取改進型三維空間定位法確定開關柜局放源位置的有效性和正確性。

4 結論

1）為準確判斷開關柜或其他輸變電設備的局放缺陷類型及準確位置，需同時采取多種檢測方法，檢測結果除相互驗證外，還可作為另一種方法的基礎。

2）在傳統(tǒng)的局放時差定位法的基礎上引入智能尋優(yōu)算法，能夠最大限度地減小外界干擾信號影響，從而大幅提高檢測定位的精準性。

3）由于開關柜內缺陷位置存在于三維空間，導致平分面法確定的某個面并非唯一，而在采取三維空間定位法后，則可根據智能尋優(yōu)篩除掉錯誤結果。

4）基于平分面法的改進型三維空間定位法可準確判斷開關柜局放缺陷位置，從而為開關柜的運維處置提供依據，對保障開關柜安全可靠運行具有重要意義。