線陣UHF 傳感器開關柜局部放電定位方法研究

張紅兵，索春光

（昆明理工大學 理學院，云南 昆明 650500）

0 引言

開關柜作為電力系統中的關鍵組件已廣泛應用于輸電配電網絡，承擔著開合、控制和保護用電設備的作用，其運行可靠性直接影響著電力系統供電質量及安全性能。局部放電作為一種潛在威脅，直接影響著開關設備和電力系統的穩定和絕緣安全［1］。因此，對開關柜局部放電進行檢測和定位是發現其內部早期絕緣缺陷的基礎［2-4］，可用于指導巡檢人員對開關柜進行下一步操作、維護及檢修［5-9］。

局部放電信號包含了豐富的絕緣狀態信息［10］，特高頻（Ultra High Frequency，UHF）法作為最重要的檢測方法之一，廣泛應用于電氣設備絕緣缺陷的檢測和故障診斷。UHF 法是針對傳統方法的不足而提出的檢測方法，20 世紀80 年代英國人Boggs 和Stone 將其應用于氣體絕緣開關設備的局部放電檢測中。該檢測方法由于抗干擾能力強、靈敏度高，近幾年得到迅速發展［11］。

文獻［12-14］采用高壓開關柜局部放電特高頻在線監測系統對開關柜進行在線監測，結果表明UHF 法可以很好地滿足開關柜局部放電在線監測要求；文獻［15］提出了一種基于Android 平臺的開關柜局部放電UHF 檢測系統設計方案，在實驗室進行實驗獲得了較好效果。

上述檢測、識別方法雖然能滿足開關柜局部放電檢測與定位要求，但仍存在一些不足之處，如UHF 信號頻率較高，對數據采集系統采樣精度、采樣帶寬要求較高；采集設備通道數量受限，對多面開關柜同時監測較為困難。基于此，本文提出一種新型的基于線性陣列式UHF 傳感器的開關柜局部放電在線監測方法。該方法通過同軸電纜將多個特高頻傳感器串聯組成線性陣列傳感器系統，并與數據采集設備組成一套完整的開關柜局部放電在線監測系統。通過本套系統可以實現同時對多個開關柜進行局部放電的在線監測與定位，解決了采集設備數量通道受限問題，并具有靈活的可擴展性。該方法降低了采集設備的采樣帶寬，提高了開關柜局部放電檢測與定位系統的經濟性。

1 系統結構設計

開關柜對于電力系統提供高可靠、高穩定的電能起著十分重要的作用，然而開關柜數量眾多、分布廣泛的特點給開關柜的局部放電在線監測帶來很大困難。基于此，本文提出一種新型的開關柜局部放電在線監測與定位方法，其裝置示意圖如圖1 所示。

本套開關柜局部放電在線監測與定位系統采用多個UHF 傳感器組成線性陣列來實現對多面開關柜進行監測，其中一個傳感器陣元可監測一面開關柜，與此同時，運用包絡檢波電路對UHF 傳感器陣列采集到的局部放電信號進行降頻處理。通過頻譜搬移方式降低了數據采樣率要求，同時降頻處理更利于信號在同軸電纜中傳輸。

Fig.1 Positioning system device圖1 定位系統裝置

當開關柜產生局部放電時，信號由UHF 傳感器陣元檢測并沿兩條固定的通道傳回至數據采集分析系統，系統根據信號的波程差以及相關性分析便可確定信號源的位置，從而實現信號源定位功能。

系統依賴UHF 檢測法及同軸電纜傳輸電磁波信號的優點，具有較強的抗干擾能力以及較高的檢測靈敏度。相比于傳統的并聯式開關柜局部放電檢測與定位方法，本方法解除了采集通道數量的限制，利用雙通道實現同時對多面開關柜的局部放電檢測與定位，具有靈活的可擴展性與較高的經濟性。

2 系統原理分析

2.1 定位原理

當開關柜內發生局部放電時，便會由UHF 傳感器陣元進行感知與信號采集，最終在數據采集分析系統中得到兩列具有時間延遲的信號，如圖2 所示。

Fig.2 Delayed signal圖2 時延信號

同軸電纜屬于分布參量網絡，在理想情況下可視為均勻傳輸線，其特性阻抗如下：

其中，R、L、G、C 分別表示同軸電纜單位長度的電阻、電感、電導、電容。對于同軸電纜，由于ωL＞＞R，ωC＞＞G，即R 和G 可忽略不計，因而：

本文實驗采用同一型號同軸電纜，以保證特性阻抗的一致性，使采集到的兩列信號具有較高的相似性，利用自相關分析便可得到其之間的時延。其局部放電位置x可表示為：

式中，L 為系統所使用的同軸電纜總長度，t1、t2分別為信號到達數據采集端口兩個通道的時間，vp為局部放電信號在本實驗所使用的同軸電纜中的傳播速度。

2.2 同軸電纜行波特性分析

同軸波導是一種由內、外導體構成的雙導體導波系統，也稱為同軸線。局部放電信號在同軸電纜中傳輸時的損耗與同軸電纜的尺寸、介電常數、工作頻率有關，根據文獻［16］，電纜的衰減分為3 個部分，分別為導體（銅）損耗、介質損耗和附加損耗，其公式如下：

總衰減：

導體損耗：

介質損耗：

附加損耗：

式中：d 為內導體有效外徑（mm）；D 為外導體有效內徑（mm）；K1為內導體結構系數；K2為外導體結構系數；Zc為特性阻抗（Ω）；εr為等效介電常數；tanδe為等效介質損耗角正切；s為駐波；f為頻率（MHz）。

開關柜局部放電在線定位系統采用RG316 同軸電纜，其阻抗為50Ω，最大工作頻率為3 000MHz，最大工作電壓為1.2KVrms，傳輸速率為70%。結合式（5）和式（6）可計算出在100MHz 時衰減為0.262dB/m。

除了同軸電纜的衰減特性外，影響本系統定位精度的因素還有射頻信號在同軸電纜中的傳播速度，這也是系統定位誤差的來源之一。

信號向前傳播的速度取決于電場和磁場建立的速度，對于空氣中的無損耗線，行波沿線傳播的相速（即電磁波沿線傳播的速度）為：

即等于空氣（或真空）中的光速。式（8）中μ0、ε0分別為真空中的磁導率、介電常數。若無損耗線絕緣介質的相對介電常數為εr，則行波沿線傳播的相速為：

對本系統使用的同軸電纜掃頻速度進行測試，測試10～160MHz 的電磁波信號在同軸電纜中的傳輸速度，結果如圖3 所示。

由圖3 可以看出速度隨頻率的增加基本保持不變。由于同軸電纜的折反射以及趨膚效應存在，電磁波在同軸電纜中的速度會有一定波動，在后續實驗及計算中，速度取其平均值2.2×108m/s。

2.3 包絡檢波電路設計

開關柜內發生的局部放電是一個伴隨著正負電荷的中和過程。在發生絕緣擊穿過程中會產生一個陡度很大的脈沖電流，其脈沖電流上升時間通常小于1ns，因此會向周圍輻射出0.3～3GHz 的電磁波，UHF 局放監測法就是檢測該電磁波信號。但根據奈奎斯特采樣定理，要求采集設備具有很高的采樣頻率，另外高頻信號也不利于在同軸電纜中傳輸。因此，本系統在UHF 采集天線后端增加包絡檢波電路，對采集到的高頻信號進行頻譜搬移，以降低設備采樣率和克服局部放電傳感器互易性帶來的輻射問題。

Fig.3 Coaxial cable propagation speed at different frequencies圖3 不同頻率下的同軸電纜傳播速度

在工程實際中有一類信號叫做調幅波信號。調幅波信號是一種用低頻信號控制高頻信號幅度的特殊信號。檢波電路是一類專門把低頻信號提取出來的電路，使用二極管可以組成最簡單的檢波電路。包絡檢波電路原理如圖4 所示。

Fig.4 Schematic diagram of envelope detection圖4 包絡檢波原理

根據文獻［17］可知衰減震蕩函數能夠很好地表征其局部放電特性。結合ADS（Advanced Design System，ADS）仿真軟件對包絡檢波電路進行仿真，采用射頻二極管HSMS-2822，其信號源數學模型如下：

式中，A 為信號幅值1V，fΩ為包絡信號頻率100MHz，fc為載波信號頻率1GHz。仿真時包絡檢波電路電容為100pF，負載電阻為50Ω。仿真輸出結果如圖5 和圖6 所示。其中，圖6 為包絡檢波電路的輸出波形，其最大幅值約為0.2V，且該包絡檢波電路可以較好地提取出載波信號中的包絡，實現UHF 信號的頻譜搬移。

圖7 為包絡檢波電路實物，其長約40mm，寬約12mm，利用SMA 接頭使其方便與同軸電纜進行連接，便攜性好。前端加入高通濾波器，濾除300MHz 以下的低頻信號，使其抗干擾能力加強。輸出阻抗為50Ω，與同軸電纜的阻抗匹配可最大程度減小信號傳輸時的折反射。

Fig.5 Local discharge signal source simulation圖5 局部放電信號源仿真

Fig.6 Envelope detection simulation results圖6 包絡檢波仿真結果

Fig.7 Envelope detection circuit圖7 包絡檢波電路實物

3 系統定位試驗

為了驗證該方案的可行性，在實驗室環境下搭建實驗平臺對該系統進行測試，如圖8 所示。

實驗使用ns 陡脈沖信號發生器輸出脈沖信號模擬開關柜局部放電信號。實驗時脈沖信號的幅值為20V。UHF傳感器采用北京領翼中翔科技有限公司的UHF 特高頻耦合器，頻率帶寬為100～2 000MHz，其在示波器通道內采集到的波形如圖9 所示。

由圖8 可以看出，示波器兩個通道內采集到的波形之間具有明顯的延時，對采集到的數據進行函數自相關分析，結合MATLAB 軟件計算出兩列信號之間的延時，再結合式（3）計算出信號源的位置。利用信號發生器在不同位置進行信號耦合，并通過分析計算出信號源位置，再與實際的源位置進行比較，以此確定本套系統的定位精度以及定位誤差。多次實驗結果如表1 所示。

Fig.8 Experimental principle圖8 實驗原理

Fig.9 Pulse waveform graph圖9 脈沖波形

Table 1 Local discharge positioning experiment data表1 局部放電定位實驗數據 （m）

表1 是在實驗室條件下對本套開關柜局部放電在線監測系統進行多次定位實驗的數據。結果表明，本套系統在多次實驗中均能成功檢測到信號，定位成功率為100%。最大定位誤差為13.4cm，平均誤差為8.1cm，證明本套系統對多面開關柜進行局部放電監測與定位效果很好。

4 結語

本文對開關柜局部放電信號特性進行了研究，針對UHF 檢測法提出一種全新的串聯式局部放電監測與定位系統。該系統能同時對多面開關柜進行在線監測，并對發生局部放電的開關柜進行精確定位。在實驗室條件下對該套系統進行了局部放電模擬定位實驗，驗證了該方案的可行性。

針對陣列傳感器的互易性問題，本文對包絡檢波特性進行了研究。運用包絡檢波電路克服了陣列傳感器的互易性問題，降低了局放信號傳輸頻率及對設備采樣率的要求，使本套系統具有更好的經濟性。