變電設備局部放電故障非接觸式帶電檢測方法研究

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(國網大連供電公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

變電設備是能夠改變電路電流與電壓的設備，利用電磁感應原理實現電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩壓等功能。然而在變電設備發生故障時，由于無法控制電路，從而導致電路發生短路、斷路等現象。在絕緣體中只有局部區域產生放電現象，而沒有發生在施加電壓的導體之間，產生于導體附近或其他位置的現象被稱為變電設備局部放電故障[1]。根據近年來國內外變電設備局部放電檢測技術的大量現場測試結果來看，非接觸式的帶電檢測方式已經成為該領域的重要研究方向，這種檢測方法就是在電路正常運行的狀態下，檢測變電設備的故障情況，可以最大程度地保證故障檢測工作的安全性。然而目前采用的檢測方法在實際工作中，由于抗環境干擾能力低，導致檢測到的幅值大小與嚴重程度的不準確等問題，因此結合超聲波和光檢測2種技術手段，進行變電設備局部放電故障非接觸帶電檢測方法設計。

1 非接觸式帶電檢測方法設計

在此次變電設備局部放電故障非接觸式帶電檢測方法設計過程中，綜合了超聲波和光學2個方面的檢測原理，以最大程度降低變電設備運行環境對檢測結果的不利影響，提升該方法的抗干擾能力[2]。當變電設備內部具有局部放電信號時，會產生振動及聲波，周圍的電場應力、介質應力都會失去平衡，因而產生聲波振動。利用超聲波的抗干擾性能，通過檢測變電設備聲音信號的幅度、相位、頻率，從而判斷變電設備的運行狀況。超聲波技術下的變電設備局部放電故障檢測原理如圖1所示。

圖1 變電設備局部放電檢測原理

變電設備發生局部放電故障后，除了聲音變化之外，還可以通過放電光譜分析放電的具體形態、放電產生的物質等，因此本文利用光測法獲取光信號，利用其來判斷變電設備是否存在局部放電故障[3]。由于超聲波檢測技術具有較強抗干擾能力，因此將其應用至非接觸式帶電檢測方法中，但當放電量低時利用該方式得出的檢測結果與實際存在較大偏差，而光測法可以有效解決該問題，但會受到變電設備運行環境光線的影響。因此本文綜合2種非接觸帶電檢測技術的特性，從2個方面判斷變電設備的運行狀態，最大程度地提升變電設備局部放電故障非接觸式帶電檢測的準確度。

1.1 劃分變電設備局部放電類型

變電設備發生的局部放電故障并不是只有一種形式，不同類型的局部放電原理、特征、放電圖譜都不相同，一般來說變電設備的局部放電故障類型可以分為氣隙放電、沿面放電、懸浮電位放電和電暈放電[4]。而根據放電位置的不同，可以分為絕緣材料內部放電、沿面放電和尖端放電3種類型。以氣隙放電類型為例，對應的氣隙局部放電等效電路如圖2所示。

圖2 局部放電的等效電路

假設在固體或液體介質中存在一個氣隙，圖2中Cg表示的是氣隙位置上的電容；而Ca和Cb分別代表其余完好的絕緣部分和與該氣隙串聯的電容；Z為氣隙放電脈沖頻率的電源阻抗[5]。那么整個變電設備的電容可以表示為

(1)

Cg上分配到的電壓為

(2)

UMsinωt表示與變電設備連通的電源電壓[6]。當變電設備發生氣隙局部放電故障時，Cg兩端的電壓會達到氣隙放電的起始電壓，經過火花放電和火花放電熄滅2個步驟完成一次局部放電，任意一次氣隙放電釋放的電荷量為

(3)

Us的值與放電起始電壓相等；而Ur表示火花放電熄滅時Cg的電壓，即熄滅電壓。由于電容中的電荷數量發生變化，變電設備中的電壓也會隨之發生變化，所以可以通過判斷變電設備中是否存在氣隙點來確定局部放電故障是否為氣隙放電[7]。另外沿面放電是指附近電場為垂直和平行于介質沿面方向上的2個電場；懸浮電位放電是變電設備中的部件與接地極失去連接，同時不與高壓極相連；電暈放電是導體周期啟動所承受的場強達到擊穿場強。根據不同局部放電故障類型的特點，可以判斷當前變電設備的局部放電類型。

1.2 設置變電設備局部放電故障檢測標準

設置故障檢測判斷標準的目的是為了提供量化的可對比數據，變電設備局部放電故障標準數據如表1所示。

表1 變電設備局部放電故障標準數據

另外可以通過音量幅值參數判斷局部放電的故障情況，當音量小于6 dB表示變電設備無放電現象，音量在區間[6 dB,15 dB)時，存在輕微放電現象，在區間[15 dB,25 dB]時放電現象明顯，音量值大于25 dB時說明放電故障較為嚴重[8]。將其與光測得出的直觀結果相結合得出更加精準的檢測結果。

1.3 安裝非接觸帶電檢測裝置

非接觸帶電檢測裝置需要能夠同時接收超聲波信號和光感信號，因此將聚焦性傳感器和光感傳感器上的傳感芯片連接到非接觸帶電檢測裝置中，按照圖3所示的結構進行連接，形成局部放電故障非接觸帶電檢測的傳感器裝置。

圖3 傳感器裝置結構

從局部放電的脈沖時域來看，脈沖脈寬越窄，頻段分布越趨于高頻，脈沖上升時間越快，脈沖的高頻含量越多[9]。然而在非接觸帶電檢測傳感器中頻帶加寬的同時也會產生更多的噪聲因素，為了使傳感器達到靈敏度和方向性的要求，最終選定非接觸帶電檢測傳感器裝置的檢測頻帶為0.1～30 MHz。

1.4 提取局部放電特征量

利用非接觸帶電檢測裝置分別采集變電設備附近的超聲波信號、光譜信號和電力信號，分別從聲學和光學角度提取變電設備局部放電的特征量。其中超聲波的特征量包括幅值、能量、持續時間、次數、頻率等，當變電設備發生局部放電故障時，超聲波信號中的信號幅值、頻率和信號持續時間會發生明顯的變化，因此以上述3個參量作為聲學特征量[10]。在變電設備和檢測裝置之間添加介質，結合加入介質的衰減系數，得出實際的超聲波信號幅值，同理可以得出頻率以及持續時間等參數與變電設備局部放電量之間的關系，其中局部放電情況下得出的特征量與放電量之間的關系可以表示為

(4)

Az、Fz和Tz分別為在變電設備運行狀態下超聲波信號的幅值、頻率和持續時間。同理可以得出其他局部放電類型下對應的超聲波信號特征量[11]。

從光學的角度來看，變電設備局部放電的過程中由于設備內部能量的轉移和釋放，而產生光信號，光信號產生的輻射強度和波長范圍與局部放電的強弱程度以及放電類型有關[12]。因此設置光信號的輻射強度和波長范圍作為分辨變電設備是否存在局部放電故障的特征量，該特征量能夠直接反映局部放電的強度和類型。以電暈局部放電類型為例，對應的光譜采集信號如圖4所示。

圖4 電暈局部放電光譜

由圖4可以看出，在變電設備電暈局部放電過程中，連續光信號的波長主要分布在280～400 nm之間，而小部分波長分布在230～280 nm之間[13]。光譜的分布情況可以證明在電暈局部放電過程中，光信號光譜主要位于紫外波段。通過相同的方式可以得出不同放電類型和放電強度對應的光輻射信號的特征量。

除了聲學特征量和光學特征量之外，變電設備自身的電力數據也可以作為檢測故障的特征量。電力特征量參數為時域和頻域特征參數，分別確定信號峰值上升、下降的時間段和時間比值、不同階段譜峰的頻率和幅值，得出的計算結果即為局部放電故障的電力特征量。

1.5 實現局部放電故障非接觸式帶電檢測

同步相位計算的目的是保證帶電檢測信號的匹配位置與局放信號采集的起始位置相近脈沖相位和標準脈沖出現的時間密切相關，并與檢測信號頻率相關，具體的計算過程可以表示為

φi=2πf(Δt)+φ0

(5)

φi和φ0分別為第i個脈沖信號的相位角以及首個脈沖信號的相位角；f為實時檢測信號的頻率；Δt為出現首個脈沖到出現第i個局部脈沖的時間[14]。則變電設備局部放電電壓基波的初相位情況可以表示為

(6)

Muφ1和Muφ0分別辨識檢測周期對應的電壓數據與檢測基波對應的三角函數正交處理結果。以計算得出的基波初相位為起點，實現標準信號特征量與檢測信號特征量之間的匹配[15]，綜合變電設備局部放電故障非接觸式帶電檢測的判斷結果、放電類型診斷結果，獲取最終的故障檢測結果，表示為

(7)

2 測試實驗分析

2.1 在線測試準備

變電設備局部放電用PC來表示，放電檢測使用的電壓為3～35 kV，由于使用普通的儀表設備無法顯示dB讀數和PC轉換，因此用相對電壓讀數作為故障檢測的測試結果。檢測設備包括變電設備、局部放電幅值檢測設備、脈沖計數設備以及實現環境設備等。

2.2 選擇測試干擾信號

此次變電設備局部放電故障檢測實驗是在無局放實驗室中進行的，能夠最大程度抑制實驗過程中的干擾因素。為了檢測本文所設計的檢測方法在變壓設備局部放電故障檢測中的抗干擾能力，在測試過程中增加現場測試干擾信號。此次選擇的測試干擾源為電火花發生器，利用該設備用來制造懸浮放電干擾因素。

2.3 設定變電設備運行狀態

變電設備樣本數據在很大程度上決定了實驗結果的可信度。通過查閱相關文獻以及數據資料，統計并分析大量變電設備故障數據，從中選擇400組放電故障數據作為實驗樣本數據。上述樣本的設置與分布情況如表2所示。

表2 變電設備局部放電故障樣本分布

以實驗樣本為基礎，針對不同的故障類型，按照圖5設置不同的變電設備局部放電故障參數。

圖5 變電設備參數設定界面

2.4 確定故障檢測測點

實驗中各局部放電檢測裝置的位置會直接影響實驗測試效果，因此需要選擇合適的測點安裝檢測裝置。實驗中故障測點分布情況如圖6所示。

圖6 變電設備檢測測點布置示意

圖6中沿著變電設備軸線方向布置6個測點，在信號最大點，即測點3位置上另外布置3個測點。

2.5 測試實驗過程

變電設備的局部放電可以分為初始放電、發展和放電末期3個階段，因此針對不同階段的放電信號特征，采用階梯聲壓加速放電的方式對變電設備氣隙放電、電暈放電、懸浮電位放電和沿面放電4種局部放電故障進行實驗研究。首先利用測試樣本進行測試，看是否能夠輸出檢測結果。在認定測試流程正常的情況下，啟動實驗環境內的干擾裝置，并設置干擾強度。確定變電設備通入的起始電壓，并以2 kV/次的幅值緩慢升高電壓，每次升壓操作成功后，停留5 min，利用圖7所示的信號采集程序，觀察是否出現放電脈沖。

圖7 局部放電信號采集程序主界面

當信號采集程序界面出現放電脈沖時，降低變電設備的通電電壓，再次觀察放電信號的變化情況。在確定放電脈沖的電壓值后，將變電設備的電壓降為0 V。重新添加確定的放電脈沖電壓值，若再次出現相同的放電脈沖，則可以證明該值即為變電設備的放電電壓。針對不同類型的局部放電故障可以得出不同的放電電壓值。綜合檢測裝置輸出的超聲波信號和光譜信號，輸出包括局部放電故障判斷結果、局部放電類型和放電量的最終檢測結果。

2.6 實驗檢測結果

按照上述實驗流程，得出不同類型變電設備局部放電故障的檢測結果。通過非接觸式帶電檢測方法的運行，不同放電類型的放電信號輸出結果，如圖8所示。

分析圖8a可知，當工作頻率相位提前半周時，產生的電信號通常為電暈放電產生的。一般來說，電暈放電出現頻率高超聲波幅度較小。從圖8a中可以看出工作頻率相位無論出于超前還是落后半周都會出現懸浮電位放電現象，且得出的放電信號較為對稱。

分析圖8b可知，變電設備的放電幅值呈現出一種周期性，這符合變電設備的氣隙局部放電的特征，且該信號的放電幅值變化較為均勻，放電幅值在180～660 mV之間變化。

分析圖8c可知，利用本文方法能夠準確捕捉到懸浮電位放電信號，該信號幅值在110～970 mV之間變化，且信號幅值變化具有一般規律性。

分析圖8d可知，用本文方法能夠準確捕捉到面放電信號，該信號波動較大，變化均一性程度低。

圖8 放電信號輸出結果

綜合電暈放電、氣隙放電和懸浮電位放電、沿面放電4種類型在干擾環境下的檢測結果，并與設置的變電設備故障類型作對比，得出檢測綜合分析結果如表3所示。

表3 局部放電檢測結果

從表3中可以看出，在干擾環境下，使用變電設備局部放電故障非接觸式帶電檢測方法的檢測準確率較高。

3 結束語

為提升變電設備安全性，本文提出了一種變電設備局部放電故障非接觸式帶電檢測方法。實驗結果表明，該方法可以在保證檢測精度的同時，最大程度上保證檢測工作的安全性，驗證了該方法的有效性。原因在于該方法將超聲波技術與光譜技術融合在一起，并將其應用到帶電檢測方法中,可以有效降低周圍環境對檢測結果的干擾，從而為變電設備檢修提供準確的參考數據，能夠保證變電設備的運行安全。