基于環(huán)形拓?fù)涞淖冸娬揪植糠烹姳O(jiān)測定位技術(shù)

聶龍杰

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

1 局部放電問題與研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來，變電站局部放電（Partial Discharge，PD）檢測所面臨的信號環(huán)境愈發(fā)惡劣，針對這種情況，研究人員在局部放電檢測干擾防范方面引進(jìn)了多種新型的技術(shù)手段，主要包括小波分析、自適應(yīng)濾波以及噪聲傳感器同步降噪等。實(shí)踐中，這些手段都在一定程度上提升了局部放電檢測干擾防范的途徑豐富性以及局部放電檢測干擾抑制的質(zhì)量，但卻無法從根本上屏蔽電磁干擾對于局部放電檢測裝置造成的影響[1,2]。

基于這一研究現(xiàn)狀，筆者從全新的研究視角出發(fā)，基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出一種全新的變電站局部放電監(jiān)測及定位方法，希望能夠?yàn)樽冸娬揪植糠烹妴栴}提出全新的解決思路。

2 研究理論

2.1 研究預(yù)期

本文希望提出一個(gè)基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站局放監(jiān)測以及定位方法。具體思路為在變電站不同設(shè)備的位置安裝特高頻（Ultra High Frequency，UHF）監(jiān)測終端，并采用無損線對這些終端進(jìn)行連接，形成獨(dú)特的局放監(jiān)測系統(tǒng)。在這種硬件基礎(chǔ)上，技術(shù)人員僅僅使用一個(gè)雙通道的數(shù)據(jù)采集卡就可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)變電站系統(tǒng)不同設(shè)備局放現(xiàn)象的初步定位。

2.2 局部放電信號檢測的主要影響因素

局部放電信號檢測的影響因素主要包括以下幾點(diǎn)。（1）變電站自身信號對局部放電信號檢測所產(chǎn)生的干擾，具體內(nèi)容包括手機(jī)通信基站通信信號、碎鐵塊等雜質(zhì)附著在高壓導(dǎo)體設(shè)備外部所產(chǎn)生的沿面類放電干擾信號、由于設(shè)備自身接觸不良等原因?qū)е碌姆烹姼蓴_信號、電暈信號以及整流脈沖信號等。（2）地理因素對信號檢測造成的影響，具體內(nèi)容包括以下4點(diǎn)。一是在環(huán)境溫度上升的背景下，包括信號幅值、信號能量在內(nèi)的信號強(qiáng)度因素均會發(fā)生比較明顯的增強(qiáng)；二是信號脈沖間隔會隨著溫度的升高而減?。蝗窃谒幁h(huán)境空氣濕度增大的背景下，信號強(qiáng)度會隨之減小，而脈沖間隔會隨之增大[3]；四是在電壓等級升高時(shí)，各種干擾性信號出現(xiàn)的概率與頻率均會明顯上升。

2.3 局部放電信號在同軸電纜上的衰減特性

基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站局放監(jiān)測系統(tǒng)在產(chǎn)生局部放電信號之后，信號本身是雙向傳輸?shù)模到y(tǒng)通過信號兩邊設(shè)置的監(jiān)測設(shè)備對信號進(jìn)行收集，再由計(jì)算機(jī)設(shè)備對信號收集的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，就可以進(jìn)一步得出局部放電信號的大概位置?；谏鲜鲈砜芍?，對局部放電信號在同軸線上的衰減特性進(jìn)行研究是非常必要的[4]。

在實(shí)踐中，電纜在傳輸信號時(shí)會不斷產(chǎn)生損耗，當(dāng)信號到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，其信號強(qiáng)度必然會相對減小，甚至在一定情況下，該信號的強(qiáng)度會降低到檢測設(shè)備信號識別的最小標(biāo)準(zhǔn)以下。

在電纜運(yùn)行時(shí)，局部放電信號產(chǎn)生的高頻信號在其中具備一定的特性，筆者采用PSCAD/EMTDC軟件對局部放電信號在同軸電纜中的特性進(jìn)行仿真分析，并完成了相關(guān)模型的建立，具體如圖1所示。

圖1 同軸電纜試驗(yàn)系統(tǒng)仿真模型

筆者以圖1中的仿真模型為研究基礎(chǔ)，假設(shè)一個(gè)局部脈沖電流在零時(shí)刻進(jìn)入到同軸電纜中，通過軟件計(jì)算就能夠進(jìn)一步得出同軸電纜仿真脈沖波形，具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 同軸電纜仿真脈沖波形

在圖2中，筆者充分考量了局部放電信號本身在線路運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的損耗以及脈沖折返的情況。在這一模型的基礎(chǔ)上，筆者對線纜的具體長度進(jìn)行改變，就可以得出不同的衰減幅度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)電纜長度增加時(shí)，局部放電信號的衰減幅度也會隨之增強(qiáng)，當(dāng)電纜長度超過了2 km時(shí)，局部放電信號的強(qiáng)度將會達(dá)到原有信號強(qiáng)度的10%以下，對這一強(qiáng)度范圍的信號進(jìn)行檢測將會受到放電站設(shè)備的嚴(yán)重干擾，識別放電信號的難度明顯增加。因此，為了提升放電站局部放電信號監(jiān)測的有效性，筆者所提出基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局放監(jiān)測系統(tǒng)的同軸電纜長度應(yīng)該控制在 2 km 以下[5]。

3 基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局放監(jiān)測系統(tǒng)

變電站中往往存在數(shù)量較多的電氣設(shè)備，使用傳統(tǒng)方式需要對單個(gè)設(shè)備進(jìn)行局部放電監(jiān)測，這種方式不僅會消耗相當(dāng)多的經(jīng)濟(jì)成本，而且在測量過程中也很容易受到外部環(huán)境信號的干擾，效率相對比較低下[6]。

基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局放監(jiān)測系統(tǒng)不需要在整個(gè)變電站所有設(shè)備附近安裝大量的監(jiān)測終端，只在需要檢測的設(shè)備附近進(jìn)行安裝即可，而且對于數(shù)量的要求也比較低。局放檢測終端的組成部分一般可以由傳感器、放大器以及隔離器3個(gè)構(gòu)件組成。其中，傳感器連接電氣設(shè)備自身，可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的實(shí)際需求選擇內(nèi)置式或者外置式，用于對局部放電信號進(jìn)行接收。放大器在系統(tǒng)中主要起到放大信號的作用，降低系統(tǒng)對于信號識別的難度。隔離器連接環(huán)形信號線，其目的是將監(jiān)測終端與同軸電纜之間進(jìn)行隔離，保證信號只能從傳感器這一途徑傳導(dǎo)到信號總線處[7]。

在環(huán)形信號線也就是同軸電纜中，電纜兩端共同接入到同一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡中，并通過計(jì)算機(jī)設(shè)備對整個(gè)系統(tǒng)不同設(shè)備監(jiān)測終端處所產(chǎn)生的信號進(jìn)行收集、整理以及分析。數(shù)據(jù)采集卡能夠?qū)⑼S電纜所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行收集與傳遞，再由計(jì)算機(jī)中的Labview軟件完成最終的數(shù)據(jù)處理和分析以及結(jié)果顯示工作，最終完成局部放電位置的初步測定。

4 實(shí)驗(yàn)分析及驗(yàn)證

在基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局放監(jiān)測系統(tǒng)在理論上設(shè)計(jì)完成之后，如果想要保證其預(yù)期功能能夠順利實(shí)現(xiàn)，就必須在模擬平臺上對筆者所論述的系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 局部放電實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)示意

在圖3中，筆者在局部放電位置產(chǎn)生局部放電信號，該信號在經(jīng)過UHF傳感器之后，強(qiáng)度和頻率等信息就會被傳感器所收集，經(jīng)由放大器與隔離器等部件接入環(huán)形同軸線，再經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡傳遞到上位機(jī)上，采用雙通道顯示，最終提升整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在具體的線路運(yùn)行過程中，可以首先選擇單個(gè)傳感器進(jìn)行局部放電信號采集實(shí)驗(yàn)，具體而言，技術(shù)人員可以選擇一個(gè)監(jiān)測終端（包括傳感器、放大器以及隔離器等部件），將其放置在一個(gè)30 m長同軸電纜的中間部位。在實(shí)際操作過程中，技術(shù)人員一定要對兩者之間的距離進(jìn)行準(zhǔn)確把控，保證兩端電纜長度完全相等，全部都為15 m，只有這樣才能確定傳感器的監(jiān)測質(zhì)量，防止產(chǎn)生由于傳感器質(zhì)量問題而引發(fā)的信號檢測失常現(xiàn)象[8]。

在實(shí)際操作過程中，技術(shù)人員可以采用局部放電模擬裝置模擬產(chǎn)生局部放電信號，并在單傳感器局部放電采集試驗(yàn)裝置中進(jìn)行傳導(dǎo)，同時(shí)向30 m長同軸電纜的兩端進(jìn)行信號傳輸，使用示波器對信號進(jìn)行采集，最終得出相應(yīng)的波形。在這一流程結(jié)束后，技術(shù)人員應(yīng)該對最終檢測到的單傳感器實(shí)驗(yàn)局部放電波形的狀態(tài)進(jìn)行收集與分析。從理論角度講，由于模擬局部放電信號處于整個(gè)同軸電纜的中心部位，因此當(dāng)兩個(gè)端口接收到局部放電信號的強(qiáng)度與幅度大小相近時(shí)，則表明同軸電纜兩端傳遞局放信號具備較強(qiáng)的一致性。在這一基礎(chǔ)上，基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局放監(jiān)測系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)較好的效果與功能。

5 綜合分析

在單個(gè)傳感器局部放電信號采集試驗(yàn)以及多個(gè)傳感器局部放電信號采集試驗(yàn)結(jié)束后，筆者對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了全面分析。首先，局部放電信號在同軸電纜中傳播時(shí)，其內(nèi)部的波形畸變相對較小，能夠避免系統(tǒng)受到整個(gè)變電站在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諸多干擾信號的影響[9]。其次，局部放電信號在同軸電纜中的傳播速度相當(dāng)穩(wěn)定，滿足通過信號傳遞時(shí)間差數(shù)據(jù)進(jìn)行局部放電位置測算的基礎(chǔ)條件。由此可知，使用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站局部放電檢測方法能夠完成信號的初步定位，且與傳統(tǒng)位置檢測技術(shù)相比，其在經(jīng)濟(jì)性和靈敏度等方面均具備更加明顯的優(yōu)勢[10]。

6 結(jié) 論

縱觀全文，筆者基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出了一種全新的變電站設(shè)備局部放電動態(tài)監(jiān)測以及初步定位的方法。與傳統(tǒng)技術(shù)背景下在整個(gè)變電站電力設(shè)備上安裝監(jiān)測裝置的方式相比，基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局放監(jiān)測系統(tǒng)具備更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和可操作性。在實(shí)際操作過程中，技術(shù)人員只需要在具備監(jiān)測需求的電力設(shè)備上進(jìn)行監(jiān)測終端的安裝，并采用長度在2 km以下的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同軸電纜進(jìn)行連接即可。通過這種手段，技術(shù)人員就可以在上位機(jī)上獲取所有傳感器所傳遞來的相關(guān)數(shù)據(jù)，并且產(chǎn)生局部放電情況時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能夠非常快速地實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備局部放電現(xiàn)象的初步定位。從效率角度講，這種方式也比傳統(tǒng)測量方式更加優(yōu)越。由此可見，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局放監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)踐中具備更強(qiáng)的操作性，值得相關(guān)領(lǐng)域的專家、學(xué)者以及企業(yè)將其進(jìn)行進(jìn)一步的改善與推廣，進(jìn)而改善當(dāng)前變電站局部放電信號監(jiān)測效果較差的現(xiàn)狀。