基于TEV和AE的開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)

徐為立，馬 華，俞賢文，王 睿，劉 超

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000)

0 引 言

高壓開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)使用極廣、數(shù)量眾多的電氣設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)對供電可靠性具有重要意義[1-3]。高壓開關(guān)柜在運(yùn)行過程中受雷擊、諧波畸變、潮濕、灰塵等因素影響，同時由于開關(guān)柜本身材料含有雜質(zhì)、絕緣體內(nèi)有氣泡等材料和制作工藝不良會產(chǎn)生各種形式的局部放電現(xiàn)象。局部放電會對絕緣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生侵蝕作用，其持續(xù)發(fā)展會使絕緣的劣化損傷逐步擴(kuò)大，最終使絕緣正常壽命縮短、短時絕緣強(qiáng)度降低，甚至可能使整個絕緣擊穿[4]，因此對設(shè)備的局部放電信號進(jìn)行精確的檢測以提前定位缺陷的位置和類型，可有效維護(hù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

局部放電會在電力設(shè)備內(nèi)部和周圍以電磁、聲波和氣體形式釋放能量。通過檢測這些信號特征量來判定局部放電強(qiáng)度、頻次和位置，主流方法有脈沖電流法、暫態(tài)地電壓法(transient earth voltage，TEV法)、超聲波法(acoustic emission ，AE)和超高頻法[5-7]。脈沖電流法對于突變信號反應(yīng)靈敏，但抗電磁干擾能力差，測量的頻率低，頻帶窄。TEV檢測靈敏度高，對介質(zhì)內(nèi)部放電敏感，但對介質(zhì)外部放電不敏感。AE不受電磁干擾，對介質(zhì)外部放電敏感而對介質(zhì)內(nèi)部放電不敏感。超高頻法抗干擾能力強(qiáng)、檢測靈敏度高，但安裝復(fù)雜、成本高。不同方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢和適用場景，在實際檢測過程中，單一檢測方法無法全面反應(yīng)故障缺陷和類型，應(yīng)盡可能使用多種方法進(jìn)行檢測，然后給出綜合評判結(jié)果[8-9]。本研究將TEV和AE相結(jié)合，開發(fā)了一套基于TEV和AE的開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確、靈活地實現(xiàn)局部放電信號的檢測，較好地克服了單一檢測方法在開關(guān)柜局部放電巡檢中存在的漏檢、誤報或疑似放電信號微弱難以準(zhǔn)確判斷等問題。

1 TEV和AE局部放電檢測技術(shù)

1.1 TEV局部放電檢測技術(shù)原理及特點(diǎn)

當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電時，放電點(diǎn)會產(chǎn)生高頻電流波，并且以光速向各個方向迅速傳播。由于集膚效應(yīng)，電流波不會直接穿透金屬柜，而是在開關(guān)柜內(nèi)表面進(jìn)行傳播。在金屬斷開或絕緣連接處，電流波會轉(zhuǎn)化為電磁波進(jìn)入自由空間，電磁波傳出金屬柜時，就會在金屬箱體上產(chǎn)生1個電壓[10]，即TEV。基于TEV的局部放電檢測技術(shù)通過在開關(guān)柜外殼上測量暫態(tài)地電壓，可以有效測量設(shè)備內(nèi)部的局部放電信號，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，且具備不停電檢測、定位準(zhǔn)確和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 AE局部放電檢測技術(shù)原理及特點(diǎn)

當(dāng)局部放電發(fā)生時，放電部位的氣體膨脹和收縮，機(jī)械應(yīng)力與粒子力快速振蕩，導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍介質(zhì)的振動從而產(chǎn)生聲波信號[11-12]。這種信號的中心頻率在40 kHz附近，超出了人耳可辨的聲音頻率上限(20 kHz)，故稱為超聲波，需要超聲波傳感器才能檢測。基于AE的局部放電檢測方法不需要改變電氣設(shè)備運(yùn)行方式，可以使用多個傳感器通過接收時差定位缺陷且不易受電磁方面的干擾。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與實現(xiàn)

針對開關(guān)柜運(yùn)行的絕緣劣化和現(xiàn)場局部放電檢測相關(guān)問題，本文開發(fā)出既滿足常規(guī)快速巡檢便攜性需求，又可實現(xiàn)開關(guān)柜局部放電嚴(yán)重程度全天候監(jiān)測，還能兼顧多柜體絕緣介質(zhì)劣化程度跟蹤的開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由傳感器、局部放電監(jiān)測終端和局部放電信號綜合分析和診斷軟件組成。

系統(tǒng)靈活配置TEV及AE傳感器，對局部放電信號四通道同步高速采集，具備實時記錄及多圖譜分析功能，通過人工智能分析系統(tǒng)進(jìn)行模式準(zhǔn)確識別。采用非侵入方式，選用TEV和AE傳感器聯(lián)合檢測，能有效過濾干擾信號，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

傳感器采集信號經(jīng)過阻抗匹配、抗混疊濾波器和信號放大預(yù)處理電路，輸入到80 M/s、四通道同步數(shù)據(jù)采集模塊，獲取開關(guān)柜局部放電實時數(shù)據(jù)。傳感器包含傳感器本體與同軸電纜兩部分，同軸電纜BNC接口與傳感器本體連接，SMB接口與采集系統(tǒng)連接。TEV傳感器接收發(fā)生局部放電時開關(guān)柜柜體外殼上感應(yīng)出的暫態(tài)對地脈沖電壓信號，AE傳感器接收發(fā)生局部放電時向外輻射的超聲波信號。傳感器安裝在開關(guān)柜低壓室內(nèi)壁上接近連接縫隙處，采用磁吸式固定安裝。

局部放電監(jiān)測終端由高性能工控機(jī)、高速采集卡和顯示器組成，負(fù)責(zé)采集傳感器信號，進(jìn)行初步分析和處理，然后通過網(wǎng)絡(luò)上傳至局部放電信號綜合分析和診斷軟件。

圖1給出了開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由信息感知層、網(wǎng)絡(luò)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層組成。首先由工作在信息感知層的監(jiān)測終端上的傳感器采集局部放電信號，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或無線網(wǎng)傳輸給網(wǎng)絡(luò)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層上的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最后將分析結(jié)果返回給數(shù)據(jù)應(yīng)用層上的應(yīng)用軟件，本系統(tǒng)支持手機(jī)APP和web瀏覽器同時訪問。

圖1 開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 綜合分析和診斷軟件結(jié)構(gòu)

開關(guān)柜局部放電綜合分析和診斷軟件由操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫平臺和軟件部分組成。軟件主要包含開關(guān)柜局部放電快速巡檢和重癥監(jiān)護(hù)兩部分功能。一般先采用快速巡檢系統(tǒng)檢測，若快速巡檢發(fā)現(xiàn)異常，再采用重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)一步監(jiān)測排查。圖2給出了開關(guān)柜快速巡檢和重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的流程。從圖2中可以看出，兩個流程都需要連接傳感器、檢測背景噪聲、掃描開關(guān)柜信息、布置傳感器以及進(jìn)行局部放電檢測等步驟。不同之處在于，快速巡檢需要對多個開關(guān)柜進(jìn)行檢查，需要重復(fù)操作；重癥監(jiān)護(hù)針對可能存在故障的開關(guān)柜，需要對其進(jìn)行長時間持續(xù)監(jiān)測。

圖2 開關(guān)柜局部放電綜合分析和診斷軟件流程

值得注意的是，在背景噪聲檢測結(jié)束后，需要根據(jù)噪聲的測量情況確定局部放電的閾值，此閾值是隨環(huán)境噪聲的不同而動態(tài)設(shè)定的，局部放電檢測的時長一般不低于1 min。

2.3 綜合分析和診斷軟件技術(shù)特點(diǎn)

本系統(tǒng)可覆蓋20 kHz～1.5 GHz超寬頻段的信號，具有同步四通道局部放電數(shù)據(jù)高速采集能力。針對現(xiàn)場可疑放電開關(guān)柜，將該系統(tǒng)AE及TEV傳感器貼合到該開關(guān)柜上對其進(jìn)行重癥監(jiān)護(hù)。通過對采集到的AE及TEV數(shù)據(jù)進(jìn)行波形、圖譜及放電趨勢分析，確定放電級別并進(jìn)行分級預(yù)警。通過對可疑開關(guān)柜的重癥監(jiān)護(hù)可有效避免手持式局放檢測儀存在的漏檢情況。

3 案例分析及應(yīng)用效果

某變電所配電車間2323開關(guān)柜(27.5 kV高壓開關(guān)柜)在某次巡檢過程中發(fā)現(xiàn)存在輕微的放電聲音，該車間工作人員利用基于TEV和AE的開關(guān)柜局部放電綜合分析系統(tǒng)對2323開關(guān)柜進(jìn)行了重癥監(jiān)護(hù)檢測。其具體分析過程包括：

1)系統(tǒng)使用高采樣頻率采集卡(80 M/s)對開關(guān)柜進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，確保局部放電信息均被捕獲，保證系統(tǒng)對局放信息不漏檢；

2)系統(tǒng)實時檢測采集信號幅值，當(dāng)采集信號的幅值連續(xù)多次超過給定閾值后認(rèn)定為該開關(guān)柜存在放電，該方法可避免系統(tǒng)受外界信號干擾產(chǎn)生的局放誤報。

通過上述兩個步驟對該開關(guān)柜TEV和AE檢測波形和圖譜進(jìn)行分析。圖3為局放波形，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，可以直觀地查看開關(guān)柜的放電幅度及頻次，發(fā)現(xiàn)在TEV和AE波形中均有多次異常值存在。

(a)TEV波形查看

圖4為局放圖譜分析，圖4(a)和圖4(b)顯示出在不同相位處的放電次數(shù)和放電量信息，該信息是圖3波形的統(tǒng)計信息，圖4(c)和圖4(d)則將相位、放電量和放電次數(shù)以三維圖的形式展示，通過該統(tǒng)計信息工作人員可以更清晰地確定放電相位及放電次數(shù)信息。通過對放電相位、放電量及次數(shù)的可視化分析，可以直觀查看三者之間的聯(lián)系，進(jìn)一步確定局部放電情況，為開關(guān)柜放電判斷提供可靠依據(jù)。

(a)相位-放電次數(shù)圖譜

經(jīng)過圖3和圖4的分析，初步確定該開關(guān)柜存在局部放電情況。工作人員對2323開關(guān)柜進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)絕緣支柱確實存在表面放電，部分絕緣材料已發(fā)生碳化的情況，絕緣體放電缺陷如圖5所示。通過對開關(guān)柜周圍環(huán)境進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場濕度較大，從拆解下來的絕緣支柱看，其表面潮濕存在水珠，是由表面潮濕引起的局部放電。

圖5 絕緣材料放電缺陷

案例分析結(jié)果表明，本系統(tǒng)可及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜局部放電并提前預(yù)警。運(yùn)維人員根據(jù)預(yù)警信息對開關(guān)柜設(shè)備進(jìn)行了檢查、維護(hù)，避免了絕緣事故的發(fā)生，保障了供電系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本文所設(shè)計系統(tǒng)主要用于開關(guān)柜局部放電檢測及分析，以便及早發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜因各類原因引起的絕緣故障。通過對多種放電檢測技術(shù)的深入分析，確定使用TEV和AE聯(lián)合檢測的方式對開關(guān)柜進(jìn)行局放檢測，相比其他單一檢測方法，本文所給方法檢測效果更佳，有效地避免誤檢、漏檢現(xiàn)象，且系統(tǒng)適用性強(qiáng)，可用于多種電壓等級開關(guān)柜的局放檢測和及時預(yù)警。