基于射頻信號特征的高壓開關特性非接觸式檢測研究

劉宏，王偉 ，俞華，李國棟 ，白艷偉 ，閆艷春

(1.國網山西省電力公司電力科學研究院, 太原 030001； 2.華北電力大學 電子與電氣工程學院, 北京 102206； 3.國網山西省電力公司呂梁供電公司, 山西 呂梁 033000)

0 引 言

高壓開關一直是電力系統中最為重要的保護設備，高壓開關可以在設備發生故障時迅速切斷或閉合高壓電路中的空載電流和負荷電流[1-4]。如何準確地檢測高壓開關的運行狀態，通過早期發現故障，提前處理故障部位，避免開關爆炸等惡性事故的發生，是保證電網穩定安全運行的關鍵。[5-7]。

當前高壓開關特性檢測主要針對機械性能進行檢測[8-11]，其中文獻[11]詳細介紹了KJTC系列開關機械特性測試儀的功能、測試技術原理及檢測方法。現有的檢測方法一般都須停電，無法進行在線監測。高壓開關實際運行中，負載電流產生的電動力有助于閥門的開啟和關閉。如果高壓滅弧室有某種缺陷，然而，離線測試的結果仍然可以覆蓋缺陷，它可以滿足相關標準。

由于現有高壓開關檢測的缺陷性，文獻[12-15]考慮了射頻系統在電氣檢測的實施，并檢查了射頻方法的可行性。文中進一步基于射頻信號特征對高壓開關特性進行非接觸式測試及性能評估。首先測量高壓開關開斷與閉合的射頻信號特征，為高壓開關特性射頻法檢測系統樣機開發提供參考依據。最后開發高壓開關特性射頻法檢測系統樣機，包括選擇射頻天線的形式與頻帶、數據采集解決方案，編制檢測與評估軟件。達到了滿意效果。

1 試驗采集點與采集設備

文中為研究高壓開關開斷與閉合的射頻信號特征，在呂梁220 kV前臺變電站對多臺高壓開關與隔離刀閘開斷過程中產生的射頻信號進行了測試。經示波器采集可得高壓開關開斷與閉合的信號幅值特征，頻譜特征以及隔離刀閘的信號特征。

2 高壓開關開斷與閉合的射頻信號特征

2.1 幅值特征

2.1.1 閉合信號幅值特征

試驗中測量了前尤線220 kV開關帶負荷合閘及前紀線220 kV開關合空線(不帶負荷合閘)過程中輻射出的射頻信號，射頻信號波形如圖1所示。

在圖1中，無論有無負荷合閘，射頻信號的振幅幾乎相等，均大于1V(有載關閉信號的正信號超出范圍，負信號振幅約為1.3V)。然而，當負載打開時，信號延遲更長-接近1μs，而空載時，信號時間約為600 ns。

圖1 高壓開關閉合過程中產生射頻信號的幅值

2.1.2 開斷信號幅值特征

在測試中，射頻信號由前米1號開關上的負載分閘和汴前1號線路開關上的無負載分閘決定。圖2顯示了射頻信號的波形。

圖2 高壓開關開斷過程中產生射頻信號的幅值

從圖2中可以看出，當斷路器有負載和無負載斷開時，RF信號的振幅有些不同。如果負載閉合斷路器類似于0.8 V，而當無負載斷路器斷開時，信號僅約為80 mV，這僅為觸發負載中斷時信號的10%。兩者之間的長度約為300 ns，沒有實質性差異。

2.1.3 開斷與閉合信號幅值對比

動觸頭與靜觸頭之間的電壓在合閘和分閘過程中均為線電壓，但動觸頭與靜觸頭之間的擊穿在合閘過程中比分閘過程中距離更大。這會提高合閘射頻信號的振幅。

在負載斷開和閉合過程中產生的射頻信號比無負載信號強，并且在分閘時候更加突出。基于負載的分閘信號幅度是無負載分閘信號幅度的10倍。

2.2 頻譜特征

2.2.1 閉合信號頻譜特征

試驗中測量了前尤線220 kV開關帶負荷合閘及前紀線220 kV開關合空線(不帶負荷合閘)過程中輻射出的射頻信號。

由于示波器的采樣頻率為1 GHz，為了在更寬的頻率范圍內分析信號，需要對初始數據進行插值。插值后，采樣范圍為4 GHz，上限為2 GHz(下同)。圖3顯示了頻率分布。

圖3 高壓開關閉合過程中產生射頻信號的頻譜

圖中3顯示，當斷路器負載或空載時，射頻信號在2 GHz以下均有傳輸，并且大多處于低頻范圍。此外，通常負載時的信號能量大于空載時的信號能量。

2.2.2 開斷信號頻譜特征

測試計算了前米1號無負荷開關分閘和汴前1號線路無負荷分閘的射頻信號，如圖4所示。

圖4 高壓開關開斷過程中產生射頻信號的頻譜

從圖4中可以看出，斷路器負載時射頻信號小于2 GHz，低頻段能量較高。在任何頻率范圍內，該信號的功率都遠大于無負載開啟時的功率。

與圖3相似，當斷路器負載或空載時，射頻信號在2 GHz以下均有傳輸，并且大多處于低頻范圍，低頻能量也較高。此外，通常負載時的信號能量大于空載時的信號能量。

2.2.3 開斷與閉合信號頻譜特征對比分析

射頻信號頻率一般分布在0～2 GHz，低頻信號能量較高，無明顯差異。帶負載能量大于無負載能量。因此，在原型檢測設備的創建中，可以利用寬帶來耦合更多的能量。下線寬帶將為300 MHz，以消除變電站現場的電磁干擾。

2.3 隔離刀閘的信號特征

與高壓開關開斷與閉合過程中發出射頻信號顯著不同，隔離刀閘在開斷過程中有持續性的多個脈沖連續出現，并且幅值較高。其原因在于隔離刀閘沒有滅弧結構，開關開斷過程中電弧反復出現，從而激發了多次的射頻信號。前米1上刀閘開斷過程中產生的射頻信號及其頻譜如圖5所示。

圖5 隔離刀閘開斷過程中產生射頻信號的特征

從圖5中可以看出，其單個脈沖的幅值較高，可達2 V(檢測時超出量程)，高于斷路器合閘時的幅值，持續時間約為600 ns。其頻譜的能量很強，也強于斷路器合閘時，但主要分布在300 MHz以下，且較為集中。

3 高壓開關特性射頻法檢測系統研究

3.1 系統構成

(1)系統硬件

高壓開關特性射頻法檢測系統硬件包含主機1臺，天線2臺(含支架)，平板電腦1臺。硬件系統的主要技術指標如表1所示。

表1 硬件系統主要技術指標

高壓開關開斷與閉合的射頻信號特征研究結果表明，其輻射的射頻信號頻域很廣，因此檢測系統樣機的檢測頻率設定為300 MHz～2 GHz，以便最大程度的耦合信號能量并避開變電站的固有干擾。傳感器為等角螺旋天線，是局部放電檢測中普遍采用的成熟傳感器形式。

(2)系統軟件

系統軟件采用Labview軟件編制。

軟件啟動后為新建項目窗口，用于錄入高壓開關性能測試相關信息，如圖6所示。該界面下“線路名稱”為必填信息，“變電站名稱”與“測試人員”為選填信息。填寫信息后，系統軟件將自動在電腦啟動盤符下“Data”文件夾下以線路名稱命名數據保存目錄。

圖6 高壓開關射頻法檢測系統軟件啟動界面

點擊保存后，系統將進入測試主界面，如圖7所示。

圖7 高壓開關射頻法檢測系統軟件主界面

該界面下可進行測試時參數的設置以及數據的顯示。分為6個區域，各區域功能如下：

(1)項目名稱區;(2)計算結果;(3)開始測量區;(4)顯示區，該部分為采集數據后分析所得三相不同期時間；(5)功能區，保存數據：開始采集后選擇是否保存數據，單擊為激活，激活狀態下呈閃爍； (6)參數設置區：觸發值：采集時觸發值，觸發機制采用觸發式采集，非觸發狀態不采集正式采集過程中為避免誤觸發，觸發值應當高于噪聲水平；觸發通道：選擇觸發的通道；閾值：設置分析計算時的閾值，分析時幅值在“閾值”之下信號將不計入分析結果中。測試背景時閾值會顯示此時所采集噪聲的正態分布值。

3.2 性能測試

使用納秒級陡脈沖發生器配合單極探針天線對所研制檢測系統樣機進行了性能測試，外觀如圖8所示。

圖8 脈沖發生源

3.2.1 脈沖間隔準確度測試

測試方法如下：

將單極探針天線與納秒級陡脈沖發生器連接；在0.5 m外接收信號；讀取5次連續的脈沖間隔時間記入表2，然后根據式(1)計算脈沖間隔準確度偏差。

(1)

根據表2數據計算得到實測脈沖間隔時間平均值：

表2 實測脈沖間隔時間

5.02673ms

(2)

標準脈沖間隔時間：

T=5 ms

準確度偏差：

(3)

可見所研制檢測系統樣機的脈沖間隔時間測量不確定度小于1%。

3.2.2 幅值一致性測試

讀取連續5次脈沖的幅值，作為實測脈沖幅值記入表3，計算5次脈沖幅值的最大值、最小值及平均值，根據式(4)計算幅值一致性偏差。

表3 實測脈沖幅值

(4)

根據表3數據計算得到實測平均幅值、最大值、最小值：

(5)

一致性偏差為：

(6)

可見所研制檢測系統樣機的脈沖幅值測量一致性偏差小于5%。

4 研究展望

針對當前高壓開關特性檢測中的不足，開發高壓開關特性射頻法檢測系統樣機，包括選擇射頻天線的形式與頻帶、數據采集解決方案，編制檢測與評估軟件。

文中研究結果將為克服傳統高壓開關特性檢測方法的不足提供解決方案，但該研究距離實際應用仍有一定差距，基于射頻信號特征的高壓開關特性非接觸式檢測的參量指標有待進一步研究，同時，射頻法作為一種新型的檢測手段，其與傳統機械特性測試結果的等效性有待驗證。

5 結束語

文章測量了高壓開關開斷與閉合的過程中射頻信號特征，開發出了高壓開關特性射頻法檢測系統，通過研究，得到如下主要結論：

(1)高壓開關閉合過程輻射出的射頻信號幅值大于開斷過程中輻射出的信號幅值。開斷與閉合過程中，射頻信號的能量均在0～2 GHz內廣泛分布，低頻信號能量部分較強，帶負荷動作時的能量高于不帶負荷時；

(2)隔離刀閘的信號其單個脈沖的幅值較高，可達2 V，高于斷路器合閘時的幅值，持續時間約為600 ns。其頻譜的能量很強，也強于斷路器合閘時，但主要分布在300 MHz以下，且較為集中；

(3)開發了高壓開關性能射頻法測試系統樣機，實現了高壓開關性能的非接觸測試與評估。性能測試結果表明：文中研制的樣品機器，脈沖間隔時間測量不確定性，幅值一致性均得到工程的實際要求。