高壓開關柜局部放電在線監測系統研究

雷釗洪

[摘? ? 要]電力系統中高壓開關柜的應用， 可在輸配電、 電能轉換等環節中發揮通斷、 控制及保護作用。高壓開柜的絕緣介質之所以會有老化的現象出現，往往都是局部放電引起的。通過在線監測高壓開關柜局部放電狀況，能將柜體在設計、制造及安裝等方面存在的缺陷及時檢測并發現，通過對絕緣老化情況的評價，能為設備運行提供安全保障。文章從高壓開關柜局部放電在線監測硬件系統總體方案入手，闡述了系統構建內容及軟件方案，以供參考與借鑒。

[關鍵詞]高壓開關柜;局部放電;在線監測;監測系統

[中圖分類號]TM591;TM855 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–02

Research on Partial Discharge Online Monitoring System for High Voltage Switchgear

Lei Zhao-hong

[Abstract]The application of high voltage switchgear in power system can play the role of on-off， control and protection in transmission and distribution， power conversion and other links. The reason for the aging of insulating medium is often caused by partial discharge. Through on-line monitoring of partial discharge of high-voltage switchgear， the defects in design， manufacture and installation of the cabinet can be detected and found in time. Through the evaluation of insulation aging， the safety guarantee for equipment operation can be provided. Based on this， this paper starts with the overall scheme of partial discharge on-line monitoring hardware system of high voltage switchgear， and expounds the system construction content and software scheme for reference.

[Keywords]high voltage switchgear; Partial discharge; online monitoring; monitoring system

高壓開關柜結構復雜，長時間運行時因自身電、熱、化學等作用或環境的影響，會導致絕緣材料面臨物理性損壞，影響設備正常運行，最后造成設備損壞或停電事故。局部放電表示因有水分、毛刺、氣泡等雜質存在于氣體、液體、固體電介質中，電場會產生畸變，局部介質中會出現并電離場強更大的電場強度，此時會有電離放電現象發生。為了將潛在故障因素盡快發現并找出，將重要的參考供于狀態檢修使用，有必要圍繞高壓開關柜局部放電現象研究在線監測，穩定高壓開關柜的運行狀態，從而為電網供電提供可靠性保障。

1 在線監測系統硬件系統總體方案

圖1展示了高壓開關柜局部放電在線監測系統的框架圖。

高壓開關柜內配備了負責超高頻電磁信號接收的超高頻天線，信號接收進來后在高頻同軸電纜的作用下傳輸至信號調理單元，后續歷經帶通濾波電路和濾波、檢波及放大器的一系列處理，并再次傳輸至高速數據采集模塊進行采集，此時能成功將采集的模擬信號向數字信號轉換，在計算機內輸入數字信號后，計算、分析及顯示等工作就此完成。

該系統功能包括： ①檢測局放信號，完成信號放電特征的提取。以統計計算數據為根據，繪制工頻周期放電分布圖、放電頻率（放電量）—相位譜圖等;②兼具自動與手動采集模式，通過自動采集模式的運用，能在線監測局部放電信號;③面向采集的信號展開抗干擾處理，如放大、濾波等，帶動信號信噪比的提高;④能夠判斷、輔助識別內部局部放電模式，可實現放電嚴重程度的準確判斷;⑤能聯系上級調度控制中心，具備數據查詢、閾值報警及導出功能。

2 在線監測系統構建

2.1 超高頻天線

超高頻天線包含內置式與柜體外探頭式兩種天線，兩者區別在于安裝位置。前者多為能屏蔽柜體外部干擾的電容式探頭天線，但開關柜柜體可能出現電場分布變化的情況，引起放電現象。后者雖然靈敏度和抗干擾能力偏弱，但能維持開關柜內部電場分布。本系統設計中，超高頻天線選擇內置式微帶天線類型。該天線有價格低廉、質量輕、體積小等特點，且在與電路集成、載體共形方面獨具優勢。微帶天線饋電包含兩種，分別為微帶線與同軸探針饋電。以實際需求為根據，制作為形狀不一的輻射貼片，其性能各有差異。微帶天線呈現出平面結構的外形，在高壓開關柜內安置時，基本不會影響內部絕緣。

2.2 帶通濾波電路

面向超高頻天線采集信號提取放電特征信號時，濾波處理原始信號是至關重要的環節。理想的帶通濾波器通帶內為一個常數，阻帶內信號為零，信號不衰減， 通帶與阻帶間省去了過渡帶。但是，此類理想特性通過集總線性網絡實際上不能實現，往往采取適宜種類的濾波器盡量獲取與理想目標更貼近的情況。常用的帶通濾波器包含巴特沃斯型、橢圓函數、貝塞爾型和切比雪夫Ⅰ型與Ⅱ型等多種類型，其中巴特沃斯型濾波器雖然不會對通過信號造成太大的影響，但是陡峭的滾降不會出現在截止頻率處;貝塞爾型濾波器中，會有幅值影響通過信號的情況出現，且不具備理想的濾除特性;切比雪夫Ⅰ型濾波器能獲取更貼近理想情況的截止頻率幅頻特性，但信號通過時會產生等幅紋波;切比雪夫Ⅱ型濾波器中，能最大限度減少對信號的影響，然而同樣有等幅紋波存在阻帶中。為了將噪聲信號干擾有效濾除，本設計在對上述濾波器工作性質展開衡量考慮之后，確定了切比雪夫Ⅰ型濾波器。

2.3 低噪聲放大電路

超高頻電磁波信號隨著折射反射次數的增加，會出現衰減的情況，同時電磁波信號會因無源濾波方式而適當衰減。基于此，為了補償信號衰減，需要安置放大器。低噪聲放大器可在維持低噪聲系數的基礎上，實現增益較高的工作性能，應用于無線電裝置中頻或高頻前置放大電路或較高靈敏度電子探測設備放大電路，能取得良好的成效。低噪聲放大器設計中，需要將噪聲系數、穩定性和增益等參數滿足。由于在設計本系統時，考慮到放大信號處于500 MHz～1.5 Ghz頻帶，增益不得低于20 dB，噪聲系數不得高于1.5 dB。

2.4 檢波電路

由于是參照信號峰值與相位信息確定超高頻放電信號特征信息，故而需關注的對象僅包含信號峰值與相位信息。為將超高頻放電信號特征信息獲取，采樣裝置需要相對較高的采樣頻率，同時能支持大量數據的記錄、存儲和處理。參照奈圭斯特采樣定律得知，控制數據最小采樣率為兩倍采樣信號以上，此時即可將頻率混疊的情況規避。而達到GHz/s采樣頻率的高速采集卡，其本身具備較高的價格，同時處于工作狀態時會有較大發熱量，此類問題也存在與高速大容量存儲器內。鑒于系統實用性、工作環境及成本價格等因素，盡量排除硬采高頻信號的方式。包絡檢波技術支持獲取高頻信號包絡線，結合普通采樣裝置或電路就能獲取經處理后的信號峰值與相位信息，此時能更好地滿足數據采集系統設計要求。同時，檢波電路設計中，通過包絡檢波技術的應用，能將信號頻率大幅降低，且能將有用的信息完整保留。

2.5 數據采集模塊

濾波、放大及檢波等環節后的局部放電信號，通過數據采集單元待信號模擬完成后， 再轉化為數字信號。整個在線監測系統中，數據采集單元發揮聯系前后的作用，其性能會對整個監測系統準確性構成直接影響。

局部放電信號經檢波放大電路處理后，輸出信號頻率最高能達到15 MHz。參照奈圭斯特采樣定律得知，有限帶寬信號中，控制數據最小采樣率為兩倍采樣信號以上，此時即可將頻率混疊的情況規避。具體應用中，為了能更準確地采集數據，每個輸入信號周期需要維持不低于5～10次的采樣次數，也就是頻率需要比信號最高頻率高出5～10倍。數據采集模塊在向上位機傳輸信息時，需要保障高速、連續且不間斷。

3 系統監測軟件方案

系統監測軟件中，配備了支持用戶使用和控制系統運行的友好對話界面。系統監測軟件控制硬件完成信息采集后，能將初始及處理后的數據保存，且能將歷史數據保留，并評估放電趨勢、放電診斷。本系統監測軟件方案面向模塊化設計思想展開設計，結合分層分級設計思路，最終可獲取高效率的系統軟件編程，能為后續軟件設計、維護及拓展功能提供便利。從功能上來看，系統監測軟件主要由用戶登錄與管理、數據庫、網絡通信及智能診斷等多個模塊組成。

（1）用戶登錄與管理模塊。該模塊是軟件系統中必不可缺的一部分，是為系統和數據安全性提供保障的關鍵。內部設計了密碼登錄，要求注冊人員登錄時需要輸入個人權限信息，且根據人員權限限制了可供操作的范圍。

（2）數據庫模塊。該模塊旨在進行不同類數據的采集、存儲等，是系統各應用程序的基礎，在設計時必須能夠實現數據的高效管理。

（3）網絡通信模塊。該模塊主要包含了數據采集與調度通信。數據采集通過關聯FPGA，在RS485通信總線協議的運用下，能夠及時、不斷地將采樣數字信號向上位機存儲器存入，上位機發出的控制信號可向FPGA及時傳輸。

（4）智能診斷模塊。該模塊包含了數據處理、放電模式識別及局部放電發展趨勢分析等，是系統檢測軟件的關鍵所在。該模塊在數據處理功能的運用下，能夠完成放電特征信息的提取，同時以統計特征為根據，識別局部放電模式并診斷故障。所以，智能診斷模塊中，數據處理部分屬于核心內容，是智能診斷其他功能賴以實現的基礎。

4 結語

綜上所述，本文圍繞高壓開關柜局部放電，從硬件和軟件等兩方面設計了在線監測系統，該系統能夠將高壓開關柜局部放電及時發現、預警并盡快實施對應的處理措施，有利于高壓開關柜運行狀態感知能力的提高，能夠輔助制定科學合理的檢修策略。同時，通過該系統的應用，能將盲目檢測的情況規避，且能使停電次數與時長減少，最終能為電網運行提供安全可靠的保障。

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