局部放電監(jiān)測(cè)在南水北調(diào)工程供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

韋 春，于廣杰，李 斌，李 成，李昀澤，陳維海

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局，天津300000）

1 引言

南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局分調(diào)中心辦公樓共5層，變配電室位于一層，分調(diào)中心供電采用雙路進(jìn)線雙電源10 kV供電系統(tǒng)，每一路高壓設(shè)備均配備進(jìn)線柜1臺(tái)、PT柜1臺(tái)、受總柜1臺(tái)、計(jì)量柜1臺(tái)及干式變壓器1臺(tái)。天津分調(diào)中心是南水北調(diào)天津干線輸水運(yùn)行調(diào)度工作的核心，為確保分調(diào)中心10 kV供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，為天津分調(diào)中心變電室安裝智能開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并提供365×7×24 h遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由前端采集設(shè)備、中繼傳輸設(shè)備和后臺(tái)接收設(shè)備及后臺(tái)軟件組成，前端采集設(shè)備是采用暫態(tài)地電壓檢測(cè)技術(shù)和超聲波檢測(cè)技術(shù)，中繼傳輸設(shè)備和后臺(tái)接收設(shè)備用于數(shù)據(jù)的匯總與對(duì)接，傳輸方式為利用聯(lián)通運(yùn)營(yíng)商的4 G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行鏈接，后臺(tái)軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)解析并展示以及歷史數(shù)據(jù)查詢，并提供數(shù)據(jù)越線報(bào)警功能。局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控變電室內(nèi)高壓設(shè)備的放電情況，能在事故發(fā)生前及時(shí)監(jiān)測(cè)出設(shè)備內(nèi)絕緣老化情況，提醒工作人員及時(shí)采取相關(guān)措施，防范于未然，保證變電室安全運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)通信高、可靠性高、傳輸速率快、運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)，下一階段準(zhǔn)備在沿線降壓站變電系統(tǒng)中使用。本文將對(duì)局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用詳情進(jìn)行介紹。

2 局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用

局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是特有的一種變配電設(shè)備，是電力設(shè)備安全運(yùn)行的可靠保障。局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用超聲檢測(cè)技術(shù)、暫態(tài)地電壓（TEV）檢測(cè)技術(shù)和超高頻檢測(cè)技術(shù)，分析開關(guān)柜局部放電特征的變化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)反映出開關(guān)柜工作時(shí)的安全情況和外部環(huán)境變化，如濕度過高、絕緣端子積塵、施工工具遺留、絕緣老化、設(shè)備過載。一旦發(fā)現(xiàn)局部放電幅值或重復(fù)率發(fā)生顯著增長(zhǎng)，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒值班人員盡快作出相應(yīng)處理。值班人員可以調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)視頻進(jìn)行研判和通知維護(hù)人員進(jìn)行巡視，放電幅值較大和重復(fù)率過高達(dá)到上限值立即停電處理，免除高壓設(shè)備的放電擊穿事故，并避免擊穿事故發(fā)生時(shí)諧振對(duì)其他設(shè)備造成損害。

2.1 暫態(tài)地電壓檢測(cè)技術(shù)

暫態(tài)地電壓檢測(cè)技術(shù)由于簡(jiǎn)單、實(shí)用的特點(diǎn)被各國電力公司認(rèn)可。我國自2006年起，以北京、上海、天津?yàn)榇淼囊慌鷩鴥?nèi)電網(wǎng)公司率先引進(jìn)暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)技術(shù)并開展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用，成功發(fā)現(xiàn)了多起開關(guān)柜局部放電案例，為該技術(shù)的推廣積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。特別的，暫態(tài)地電壓檢測(cè)技術(shù)在2008年奧運(yùn)會(huì)、2010年世博會(huì)及2010年廣州亞運(yùn)會(huì)等大型體育盛會(huì)的保電工作中發(fā)揮了重要的作用。

工作原理：當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，帶電粒子會(huì)快速地由帶電體向接地的非帶電體遷移，并在非帶電體上產(chǎn)生高頻電流行波，且以近似光速的速度向各個(gè)方向傳播。受集膚效應(yīng)的影響，電流往往會(huì)集中在金屬柜的內(nèi)表面，當(dāng)遇到不連續(xù)的金屬斷開或者絕緣連接處時(shí)，電流會(huì)有金屬柜體的內(nèi)表面轉(zhuǎn)移到外表面，并以電磁波的形式向自由空間傳播，且在金屬柜體外表面產(chǎn)生暫態(tài)地電壓，而該電壓可用專門設(shè)計(jì)的暫態(tài)地電壓傳感器進(jìn)行檢測(cè)。暫態(tài)地電壓信號(hào)的產(chǎn)生原理如圖1所示。

圖1 暫態(tài)地電壓信號(hào)的產(chǎn)生原理示意

2.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)

超聲波是振動(dòng)頻率大于20 kHz的聲波。電力設(shè)備尤其開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電信號(hào)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生沖擊的振動(dòng)及聲波。局部放電發(fā)生前，放電點(diǎn)周圍的電場(chǎng)應(yīng)力、介質(zhì)應(yīng)力、粒子力處于相對(duì)平衡狀態(tài)。局部放電是一種快速的電荷釋放和遷移過程，這將導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍的電場(chǎng)應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和粒子力失去平衡狀態(tài)而出現(xiàn)振蕩變化過程。機(jī)械應(yīng)力和粒子力的快速振蕩導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍介質(zhì)的振動(dòng)現(xiàn)象，從而產(chǎn)生聲波信號(hào)。超聲波局部放電檢測(cè)在檢測(cè)放電時(shí)需要在開關(guān)柜腔體或者外壁上安裝超聲波傳感器，使得超聲波信號(hào)被轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，進(jìn)而由信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換送入處理器處理、顯示。

隨著超聲波局部放電檢測(cè)技術(shù)研究的深入，其在全世界范圍內(nèi)得到了大量的推廣。目前，GIS、變壓器、開關(guān)柜等設(shè)備均有成熟的檢測(cè)裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，變電站超聲波檢測(cè)運(yùn)用較廣，但是受設(shè)備運(yùn)行環(huán)境影響較大，如周邊產(chǎn)生噪音、震動(dòng)等，變壓器等本身產(chǎn)生的運(yùn)行聲音對(duì)超聲波檢測(cè)后臺(tái)軟件濾波功能要求更高。

2.3 超高頻檢測(cè)技術(shù)

由于傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在不足，繼而出現(xiàn)了新的檢測(cè)方法-超高頻檢測(cè)。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生聲音對(duì)超聲波檢測(cè)等一些傳統(tǒng)手段有干擾時(shí)，變壓器局部放電所產(chǎn)生的超高頻（300～3 000 MHZ）電信號(hào)實(shí)現(xiàn)了電力變壓器局部絕緣放電的檢測(cè)和定位，并實(shí)現(xiàn)了抗干擾。

采用超高頻檢測(cè)變壓器局部放電的主要優(yōu)點(diǎn)：①局部放電脈沖能量幾乎與頻帶寬成正比，當(dāng)只考慮檢測(cè)元件的熱噪聲對(duì)靈敏度的影響時(shí)，用超頻寬帶檢測(cè)有更高的靈敏度；②在變壓器使用現(xiàn)場(chǎng)，變電站的背景、噪聲和空氣中電暈產(chǎn)生的電磁干擾頻率一般很低，可用寬頻法對(duì)其進(jìn)行有效的抑制，用窄頻法將其與局部放電信號(hào)加以區(qū)別。由此可見，用合適的超高頻傳感器可以測(cè)量真實(shí)的變壓器絕緣中局部放電的性質(zhì)和物理過程。

超高頻檢測(cè)又分為超高頻窄帶檢測(cè)和超高頻超寬頻帶檢測(cè)，前者中心頻率在500 MHz以上帶寬十幾MHz或幾十MHz，后者帶寬可達(dá)幾GHz。由于超高頻超寬頻帶檢測(cè)技術(shù)有噪聲抑制比高、包含信息多等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的關(guān)注。通常所說的超高頻檢測(cè)技術(shù)即指超高頻超寬頻帶檢測(cè)，用于超高頻局部放電檢測(cè)的傳感器主要為微帶，天線傳感器利用微帶天線作傳感器早在1980年Kurtz等人就提出過，他們?cè)O(shè)計(jì)的傳感器用于大型電機(jī)局部放電測(cè)試。安裝在一個(gè)或兩個(gè)磁極上可探測(cè)到單根定子線棒的放電。目前，微帶天線傳感器已在檢測(cè)大型電力變壓器GIS電力電纜等設(shè)備的局部放電上。對(duì)于大電機(jī)局部放電檢測(cè)有相關(guān)應(yīng)用，H.G.Sedding等人在1991年提出一種定子槽耦合器stator slot coupler，該傳感器由接地平面帶狀感應(yīng)導(dǎo)體及兩端同軸輸出電纜組成，其耦合方式具有分布參數(shù)的性質(zhì)，因此具有非常寬的頻帶且能夠反映內(nèi)部放電和外部干擾在波形上的差異。

3 局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

3.1 現(xiàn)場(chǎng)前端采集設(shè)備

前端采集設(shè)備的采集信號(hào)包含兩部分：TEV信號(hào)和超聲波檢測(cè)。TEV傳感器是采集信號(hào)的關(guān)鍵，理想的傳感器可以準(zhǔn)確、靈敏的捕捉局部放電信號(hào)傳到后級(jí)電路。南水北調(diào)工程局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的TEV傳感器如圖2所示，經(jīng)過多年實(shí)際應(yīng)用逐步改進(jìn)，完全符合當(dāng)下國家電網(wǎng)公司對(duì)暫態(tài)地電壓信號(hào)采集的需要。該傳感器底座采用自吸附設(shè)計(jì)，可以方便的安裝到開關(guān)柜柜體上，采集到的局放信號(hào)將通過雙芯屏蔽電纜傳遞到后級(jí)電路，信號(hào)捕捉靈敏，抗干擾能力強(qiáng)。應(yīng)用于開關(guān)柜中可以將該傳感器安裝于高壓進(jìn)線柜內(nèi)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)柜體內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 TEV傳感器

一般情況下，由局部放電所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)頻率大多在20～120 kHz，其中，大多數(shù)放電信號(hào)的頻率集中在30～50 kHz，因此，本系統(tǒng)中采用的超聲波傳感器中心頻率為40 kHz。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，該種超聲波傳感器對(duì)局部放電信號(hào)的采集效果顯著。如圖3所示為超聲波傳感器實(shí)物，同樣的，其帶有自吸附設(shè)計(jì)及屏蔽電纜線，極大程度上避免了超聲信號(hào)傳輸過程中的干擾。該傳感器安裝在智能開關(guān)柜高壓進(jìn)線柜柜體上，對(duì)高壓室的電氣運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。類似于TEV檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中信號(hào)調(diào)理流程，超聲波信號(hào)的處理同樣需要進(jìn)過濾波、放大和轉(zhuǎn)換，才能最終傳入處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和放電評(píng)估。超聲波傳感器與系統(tǒng)的交互采用雙芯屏蔽電纜連接，處理電路整體封裝在具有高保護(hù)強(qiáng)度的密封盒內(nèi)，經(jīng)過zigbee485傳輸?shù)酵ㄐ胖欣^中，由中繼進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及打包，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至后臺(tái)服務(wù)器。

圖3 超聲波傳感器

3.2 無線中繼傳輸設(shè)備

無線中繼傳輸設(shè)備（見圖4）用于接收站內(nèi)所有監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)，設(shè)備內(nèi)設(shè)有物聯(lián)卡卡槽，可安裝任意運(yùn)營(yíng)商的物聯(lián)卡，目前天津公司采用的是聯(lián)通的4 G全網(wǎng)通物聯(lián)卡。

無線中繼傳輸設(shè)備用于接收站內(nèi)所有監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)，同時(shí)內(nèi)部設(shè)有模電轉(zhuǎn)換器，可以將收集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳至后臺(tái)服務(wù)器。無線中繼傳輸設(shè)備與后臺(tái)服務(wù)器的通信方式可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇。無線接收中繼可懸掛或吸附于變電站內(nèi)的墻壁，安裝時(shí)將接收天線至開闊處。

圖4 無線中繼傳輸設(shè)備

3.3 后臺(tái)接收設(shè)備

后臺(tái)接收設(shè)備內(nèi)置運(yùn)營(yíng)商4 G全網(wǎng)通物聯(lián)卡，用于實(shí)時(shí)接收由現(xiàn)場(chǎng)中繼發(fā)出的信號(hào)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，接收設(shè)備可安裝在無線接收中繼附近或者經(jīng)過無線4 G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸安裝于監(jiān)控平臺(tái)主機(jī)上。

3.4 后臺(tái)監(jiān)控軟件

后臺(tái)服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)處理后，在前端進(jìn)行顯示，方便運(yùn)維人員實(shí)時(shí)觀測(cè)監(jiān)督，并對(duì)響應(yīng)的警告、報(bào)警進(jìn)行及時(shí)處理。服務(wù)器界面如圖5所示。監(jiān)控平臺(tái)上單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)監(jiān)控器用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的放電監(jiān)測(cè)，軟件端設(shè)有安全穩(wěn)定的有效閾值，對(duì)于軟件監(jiān)測(cè)到的TEV和超聲數(shù)值臨近于閾值的，數(shù)值會(huì)變成橙色；對(duì)于軟件監(jiān)測(cè)到的TEV和超聲數(shù)值高于閾值的，數(shù)值會(huì)變成醒目的紅色；以此來提醒平臺(tái)監(jiān)控人員進(jìn)行報(bào)警，并且進(jìn)行重點(diǎn)記錄，提示維護(hù)人員作出相應(yīng)的措施。

圖5 上位機(jī)服務(wù)界面

4 結(jié)語

局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)多次調(diào)試和測(cè)試后，能最大限度的預(yù)防事故的發(fā)生，為變電室安全用電提供可靠保證，為南水北調(diào)工程電力設(shè)施的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還具備分析和管理用戶數(shù)據(jù)，為電力平衡、線路損耗分析和負(fù)荷預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)。考慮到未來5 G網(wǎng)絡(luò)終端、攝像頭和圖像處理芯片以及圖像編碼、解碼算法和視頻傳輸協(xié)議的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控功能指日可待。