開關柜局部放電的地電波檢測技術

文/羅建勇　錢翊　倪娜　柳菲

開關柜是配網中重要的開關設備，因內部裝有電纜終端、避雷器、電流互感器等多種一次設備，絕緣事故時有發生，因此確保其安全可靠運行是管理重點。目前高壓開關柜的局放檢測手段主要為非侵入式。但其缺點是缺陷檢出率較低，而且頻繁發生誤判事件。分析原因是由于變電站中干擾源繁多，而檢測設備的抗干擾能力較弱。因此，開展多種干擾環境下開關柜局部放電帶電檢測中抗干擾措施的研究具有重要意義。

1　國內外研究現狀

1.1　國外研究情況

英國南安普頓大學及EA Technology公司和IPEC公司開展了高壓開關柜地電波測試方法的研究，并開發出了PDL1,TEVPlus及HVPD等產品，廣泛應用于歐洲及我國。

1.2　國內研究情況

國內西安交大、武大等高校都開展了開關柜局放的地電波檢測技術研究；廈門紅相、領步科技等公司開發出了手持式巡檢儀器，在國網及南網都有一定的應用。

2　設計方案

2.1　總體設計

利用有限元分析軟件（COMSOL），建立開關柜仿真模型，研究開關柜縫隙平行和垂直于放電脈沖電流方向對電磁波傳播的影響，研究從開關柜縫隙中輻射出的電磁波沿開關柜表面及空間的分布情況。同時對比研究開關柜內部放電和外部干擾的脈沖特性；基于常見故障類型設計制作典型放電缺陷模型，組建TEV檢測系統。研究分析不同缺陷下TEV局放脈沖和外部干擾脈沖的時間頻率特性；設計制作具有方向性的電磁傳感器。搭建TEV抗干擾檢測系統，并通過試驗評估其抗干擾性能；研制光敏相位識別裝置，利用灰度圖提取典型缺陷的放電特征，通過支持相量機的識別算法進行模識識別，提高系統的抗干擾能力。對測試數據進行歸類、分析、校正、對比分析，評估開關柜的運行狀態并進行必要的告警提示。

2.2　系統單元構成

系統主要由傳感器、信號電纜、濾波電路、放大和數據采集電路、電源以及計算機組成。其中傳感器分別為地電波傳感器、具有方向性的電磁傳感器，信號線纜采用雙端BNC的同軸電纜。濾波電路采用帶通濾波。數據采集電路將采集到的放電數據傳送到計算機完成數據的分析和處理。

2.3　開關柜內部放電和外部干擾脈沖分類技術的研究

等效時間和等效頻率分析方法是一種基于傅里葉變換的方法。具體來講采用了公式3

3　地電波傳感器

3.1　地電波傳感器的設計

測量局部放電的傳感器，包括能夠測量開關柜表面的電磁波的傳感器（地電波傳感器）。為此，結合理論分析試制了偶極子天線、螺旋天線和貼片天線三種傳感器，實驗表明貼片天線結合諧振腔取得的效果最好。基于超聲/地電波的電纜環網柜局部放電檢測系統的地電波傳感器的安裝方式采用內置式的，便于現場操作和測量。多功能局部放電檢測定位系統則為了便于功能擴展和升級，地電波傳感器采用外置式。

3.2　方向性電磁波傳感器的設計

當開關柜表面有高頻電磁波傳播時，會在柜體表面形成一個暫態對地電壓，這就是TEV傳感器檢測發生在開關柜內部放電的原理。然而，當外界存在干擾時，同樣也能在開關柜表面形成暫態對地電壓，這會嚴重影響TEV測量數據的可信度。TEV的傳感器不能有選擇的接收有用信號，即內部放電信號，它的接收能力只與耦合到開關柜柜體表面的電磁波的大小有關。所以，TEV傳感器的抗干擾能力較弱。因此，研究一種具有方向性、能最大程度接收內部放電信號并且抑制外部干擾信號的電磁波接收器對于提高開關柜局部放電檢測系統抗干擾能力具有重要的意義和價值。

4　電磁波接收設計

4.1　電磁波接收器的設計

由于要求設計的天線接收器頻帶很寬，而為了在實際應用中的便攜性，又要求設計的接收器體積不能過大。

4.2　巴倫的設計

電磁波接收器是平衡對稱結構，其饋電系統也應采用平衡饋電方式。同軸線需要增加相應的非平衡饋電到平衡饋電轉換電路即巴侖的設計。從微帶線轉換到平行雙線，是從非平衡饋電方式到平衡饋電方式變換的一種很好的選擇。當微帶線的地板指數漸變到與上帶條同樣寬度時，就變成了平衡的平行雙線結構。如果上帶條同時變化進行阻抗變換，那么就同時實現了阻抗匹配與平衡—不平衡變換。用漸變線實現阻抗匹配，可以很寬的工作頻帶上都有比較好的性能。

4.3　濾波電路和放大電路

本次研制的濾波電路的帶寬為5-50MHz，它集成在傳感器內部。放大電路集成在了采樣系統內部。

4.4　采樣系統

本次研制的采樣系統 2通道，前置放大器具有100倍的放大倍數，帶寬為200MHz，每通道采樣頻率500MHz。使用FPGA啟動采樣、停止采樣、數據同步與高速數據存取。采集板卡則使用自主研發的高速采樣板卡。

5　總結

通過對變電站地電波相關的干擾源進行了分析，系統重新優化了傳感器的設計方案，并重新進行了設計，使其研制的地電波檢測系統具有較高的抗干擾能力，能有效識別出內部放電和外部干擾脈沖。并且具有方向性的電磁波傳感器和地電波相比具有更好的抗干擾能力，滿足了現場設計要求和實際需要。