李銳鵬，吳英俊，劉 鵬，邢 雅，李洪杰

(1．西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安710049;2．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 寧波供電公司，浙江 寧波315016)

0 引言

開(kāi)關(guān)柜是配電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期絕緣缺陷，避免重大事故發(fā)生［1～3，7］。

局部放電發(fā)生時(shí)會(huì)伴隨多種多樣的物理現(xiàn)象，因此局部放電檢測(cè)方法也多種多樣［4］。其中，基于電磁波檢測(cè)的暫態(tài)對(duì)地電壓(Transient Earth Voltage，TEV)法以其靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，且屬于非侵入式等諸多優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)電網(wǎng)公司廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)工作［4～6］。

當(dāng)前對(duì)電力設(shè)備局部放電檢測(cè)主要涉及放電強(qiáng)度、放電類(lèi)型和放電定位這3 個(gè)方面內(nèi)容［7］。在確定有放電發(fā)生的情況下，準(zhǔn)確定位放電源意義非凡。由于TEV 法是基于電磁波原理的方法，設(shè)置多傳感器通過(guò)檢測(cè)各傳感器接受電磁波信號(hào)時(shí)間差可以判斷放電源的位置［1，7～9］。

目前市場(chǎng)上TEV 檢測(cè)設(shè)備很多都提供了定位功能，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，這些設(shè)備還存在諸多不足，甚至有定位不準(zhǔn)確的情況。究其原因主要是對(duì)信號(hào)到達(dá)時(shí)間先后判定上存在誤判。時(shí)間差的準(zhǔn)確高效判定是決定定位效果的最主要因素。

本文在介紹TEV 檢測(cè)原理和開(kāi)關(guān)柜放電定位基本方法的前提下，介紹一種高效的放電脈沖自動(dòng)提取方法和時(shí)間差自動(dòng)確定方法，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了一套能夠自動(dòng)提取脈沖，準(zhǔn)確判斷信號(hào)時(shí)間差的TEV 檢測(cè)及定位系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證了本文方法的可靠性。

1 局部放電的TEV 檢測(cè)及定位原理

1.1 局部放電的檢測(cè)

當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，將產(chǎn)生電磁波并向各個(gè)方向傳播，并且高頻電磁波將在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等金屬屏蔽不連續(xù)處傳播出去，同時(shí)沿著柜體外表面?zhèn)鞑?，并在柜體表面產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)對(duì)地電壓(TEV)。因此通過(guò)電容傳感器耦合該TEV 信號(hào)就能獲知局部放電的相關(guān)信息［3～6，10］。

1.2 局部放電的定位

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)某處發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)以放電點(diǎn)為中心，以球面波的形式向空間發(fā)射電磁波。放電源與傳感器之間的射線(xiàn)的實(shí)際軌跡就是使光程(電磁波傳播的距離)取極小值的曲線(xiàn)［8］。通過(guò)4個(gè)傳感器同時(shí)接收放電信號(hào)從而獲得兩兩之間3組信號(hào)時(shí)間差來(lái)確定放電源的具體空間坐標(biāo)。

以圖1 為例，若記放電源P(x，y，z)到各傳感器Si(xi，yi，zi)(i=1，2，3，4)的傳播時(shí)間為ti，則有

式中:c 為光速。

圖1 開(kāi)關(guān)柜局部放電定位示意圖

以其中一個(gè)傳感器為基準(zhǔn)(不妨選信號(hào)最先到達(dá)的傳感器為1 號(hào))，則其他傳感器所得信號(hào)Si相對(duì)于參考傳感器電信號(hào)S1之間的時(shí)間差為t1i=ti-t1(i=2，3，4)。進(jìn)一步的可以得到式(2)的方程組。

其中:i=2，3，4。

將測(cè)得數(shù)據(jù)代入式(2)中，通過(guò)求解方程組即可得到放電源P 的準(zhǔn)確坐標(biāo)。

從上述定位原理可以看出，準(zhǔn)確確定信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差是準(zhǔn)確定位放電源的決定因素，是評(píng)估一個(gè)定位方法的核心問(wèn)題。

2 信號(hào)自動(dòng)提取方法與匹配

顯然要想準(zhǔn)確確定信號(hào)到達(dá)時(shí)間差首先要準(zhǔn)確提取信號(hào)脈沖。實(shí)際應(yīng)用中為避免干擾等其他因素影響，通常采取采集若干周期信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法。不可避免采集時(shí)間內(nèi)會(huì)有多個(gè)局放脈沖，對(duì)每一個(gè)放電脈沖利用定位方法進(jìn)行定位，將最后結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而得出最優(yōu)的放電源位置坐標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，對(duì)于單一的局放脈沖其持續(xù)時(shí)間大于350 ns 小于800 ns，并且相鄰的局放脈沖之間的時(shí)間間隔一般大于1 μs，而干擾脈沖一般小于50 ns，因此可以選取一個(gè)長(zhǎng)為500 ns，寬為閾值的時(shí)間窗沿時(shí)間軸滑動(dòng)，以圖2 為例，當(dāng)某一點(diǎn)(A 點(diǎn))落入時(shí)間窗后，表明該點(diǎn)為脈沖的起點(diǎn)，根據(jù)時(shí)間窗內(nèi)數(shù)據(jù)大于閾值的百分比可知脈沖的持續(xù)時(shí)間，從而判斷是否為干擾信號(hào)，若是，則繼續(xù)向右滑動(dòng)，否則，選取如圖所示的虛線(xiàn)框確定的時(shí)間范圍的數(shù)據(jù)利用定位方法進(jìn)行定位，然后將時(shí)間窗的起點(diǎn)移至虛線(xiàn)框末端，繼續(xù)沿時(shí)間軸移動(dòng)，進(jìn)行下一個(gè)脈沖的判斷［11］。

圖2 開(kāi)關(guān)柜局部放電定位示意圖

當(dāng)某一通道傳感器的脈沖提取出后，另一個(gè)問(wèn)題是如何與對(duì)應(yīng)的其他通道脈沖匹配，也就是說(shuō)如何使提取的每個(gè)通道的脈沖對(duì)應(yīng)同一次放電。仔細(xì)分析開(kāi)關(guān)柜的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)柜最大尺寸不超過(guò)2 m，也就是說(shuō)通常用于定位的傳感器相互之間距離不會(huì)超過(guò)2 m，而2 m 對(duì)應(yīng)的電磁波傳播時(shí)間約為6．7 ns，根據(jù)前文相鄰的局放脈沖之間的時(shí)間間隔一般大于1 μs，遠(yuǎn)大于6．7 ns，因此在某一通道脈沖提取出后前后各延伸大于10 ns的時(shí)間長(zhǎng)度，則與之對(duì)應(yīng)的其他通道放電脈沖也必將包含在內(nèi)，與此同時(shí)也自動(dòng)的將其他放電引起的脈沖排除在外?？梢?jiàn)前文所述的脈沖提取方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)放電脈沖的自動(dòng)提取與匹配。

3 信號(hào)到達(dá)時(shí)間差確定方法

3.1 閾值法

目前市場(chǎng)上常用的TEV 檢測(cè)系統(tǒng)所采用信號(hào)到達(dá)時(shí)間確定方法為閾值法。閾值法［9］是最簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)的一種起始點(diǎn)檢測(cè)方法，把信號(hào)中超過(guò)某個(gè)閾值水平的點(diǎn)作為信號(hào)的起始點(diǎn)。其閾值可由式(3)定義。

式中:xthres為閾值，V;Pn為噪聲功率，W;m 為用戶(hù)可選擇的參數(shù)。

顯然從式中可以看出影響閾值法精度的兩個(gè)重要因素是噪聲和m 值的選取。尤其m 為人為選取，一方面其定位自動(dòng)化程度不高，另一方面當(dāng)噪聲水平一定時(shí)，其定位準(zhǔn)確性受m 值影響很大。

以圖3 所示為例，這是實(shí)際測(cè)量所得的一組2路TEV 信號(hào)。選擇不同的m 值，使得閾值xthres分別為10 mV 和30 mV，很明顯看出二者將得出完全不同的時(shí)間差結(jié)果，其中閾值選為30 mV 其結(jié)果顯示A 波領(lǐng)先B 波50 ns 左右，這與實(shí)際情況嚴(yán)重不符，這也是很多檢測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)定位誤判的一個(gè)很重要原因。

圖3 一組2 路TEV 信號(hào)波形

可見(jiàn)，采用閾值法進(jìn)行時(shí)間差計(jì)算時(shí)存在明顯不足。

3.2 Akaike 信息準(zhǔn)則法

Akaike 信息準(zhǔn)則法［12］(Akaike Information Criterion ，AIC)表示任意一個(gè)時(shí)間序列可以分離成靜止的片段，且每一個(gè)片段皆可建模為一個(gè)自回歸過(guò)程，在脈沖到來(lái)與結(jié)束時(shí)自回歸系數(shù)(AR)的值或順序的改變以一個(gè)全局最小值的形式指明脈沖起始時(shí)間。AIC 法在地震學(xué)中應(yīng)用較為廣泛。

長(zhǎng)度為N 的一維局放信號(hào)x，其AIC 定義為式(4)。

圖4 一個(gè)典型TEV 信號(hào)的AIC 分析

另一方面從式(4)還可以看出AIC 法確定時(shí)間差的運(yùn)算過(guò)程不涉及人工選取參數(shù)的環(huán)節(jié)，也就是說(shuō)其求解過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化，因此結(jié)合自動(dòng)提取脈沖方法，可以實(shí)現(xiàn)智能的信號(hào)脈沖提取與時(shí)間差精確確定自動(dòng)化過(guò)程。

4 測(cè)量系統(tǒng)的組建

4.1 傳感器

本文使用的地電波傳感器為EA 公司生產(chǎn)的PDL1 所配帶的探頭，如圖5 所示。該探頭的主要參數(shù)如下:(1)帶寬BW(-3 dB):3～80 MHz;(2)輸入阻抗:50 Ω;(3)最大靈敏度:1 mV。

圖5 TEV 傳感器外觀(guān)

4.2 數(shù)據(jù)采集單元

本文采用的數(shù)據(jù)采集卡為英國(guó)PicoTech 公司的PicoScope 6000 系列產(chǎn)品中PicoScope 6402，如圖6 所示。這是一款優(yōu)秀的四通道數(shù)據(jù)采集卡，具備出眾的采樣與信號(hào)調(diào)理功能，四通道同時(shí)運(yùn)行時(shí)的每通道采樣率可高達(dá)1．25 GS，即可以分辨0．8 ns 精度的時(shí)間差。因此理論上可以定位30 cm以?xún)?nèi)的放電位置。其數(shù)據(jù)接口采用高速USB2．0接口，能夠很容易與計(jì)算機(jī)構(gòu)成便攜式的局放測(cè)試系統(tǒng)。

圖6 PicoScope 6402 外觀(guān)

4.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

本文采用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為L(zhǎng)enovo X210e，其CPU 主頻2 GHz，機(jī)身內(nèi)存1 GB，能夠較快處理采集的數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所使用的軟件系統(tǒng)是用Visual Basic 6．0 編寫(xiě)的可視化應(yīng)用界面。該軟件集信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理及放電源定位等功能于一體，相較于傳統(tǒng)的TEV 測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)選擇工作模式，該系統(tǒng)能夠采集并處理采集卡所獲取的雙通道或四通道TEV 波形數(shù)據(jù)，并利用前文所述的方法進(jìn)行自動(dòng)提取脈沖，利用Akaike 信息準(zhǔn)則法實(shí)現(xiàn)時(shí)間差的自動(dòng)求取，然后利用定位原理給出參考放電源位置。

其從采集到結(jié)果輸出實(shí)現(xiàn)了高度的智能化和自動(dòng)化，可為現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試工作提供很大便利。圖7 為該測(cè)試軟件在雙通道工作模式下的基本界面。

圖7 測(cè)量軟件界面

5 試驗(yàn)測(cè)試分析

本文利用所組建的測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并將測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)備的閾值法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

5.1 試驗(yàn)方案

為了更好地驗(yàn)證本文測(cè)試系統(tǒng)所用的AIC 分析求取時(shí)間差的準(zhǔn)確性。采用了如圖8 的傳感器布置策略。

圖8 試驗(yàn)布置示意圖

將4 個(gè)傳感器等間距排開(kāi)，相間約60 cm，放電源放置在A(yíng) 通通左側(cè)，因此理論上測(cè)得的信號(hào)到達(dá)順序應(yīng)為ABCD，并且相鄰信號(hào)時(shí)間差約為2 ns。即BA，CA 以及DA 的時(shí)間差理論值為2 ns，4 ns，6 ns。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在5．1 試驗(yàn)布置下，用本文組建的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到一典型實(shí)測(cè)圖，如圖9 所示。

從圖中可以看出測(cè)試結(jié)果從時(shí)域波形圖上能夠直觀(guān)地看出信號(hào)到達(dá)順序?yàn)锳-B-C-D，且相鄰?fù)ǖ罆r(shí)間差基本一致。對(duì)該試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用本文的Akaike 信息準(zhǔn)則法和傳統(tǒng)的閾值法進(jìn)行時(shí)間差分析分析，所得結(jié)果如表1 所示。

圖9 一個(gè)典型的實(shí)測(cè)信號(hào)圖

表1 3 種方法求得的信號(hào)時(shí)間差 ns

結(jié)果顯示，利用AIC 法和閾值為5 mV 的閾值法所得結(jié)果與理論值是比較接近的，這里存在誤差的原因一方面是電磁波傳播過(guò)程的復(fù)雜性造成的，但更主要的原因是所用采集卡采樣率造成的，在1．25 GS/s 的采樣率下采樣時(shí)間間隔只有0．8 ns，在這樣的精度下可以認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果與理論值是一致的。

此外無(wú)論從時(shí)域波形上還是閾值法計(jì)算結(jié)果顯示，在以10 mV 為閾值的情況下所表現(xiàn)的時(shí)間差與實(shí)際均存在嚴(yán)重的偏差。可見(jiàn)閾值法的測(cè)試結(jié)果在不合適的閾值下存在誤判情況。

綜上，利用AIC 法能夠智能的實(shí)現(xiàn)信號(hào)時(shí)間差的自動(dòng)計(jì)算，提高了測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，具有優(yōu)良的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)論

本文基于TEV 法的開(kāi)關(guān)柜局部放電定位方法為主要內(nèi)容，介紹了一種自動(dòng)提取脈沖的方法。對(duì)比分析了傳統(tǒng)測(cè)試儀器局放定位所用的閾值法與本文提出的Akaike 信息準(zhǔn)則法。結(jié)果表明后者具有更佳的時(shí)間差確定精度同時(shí)兼?zhèn)淞烁叨鹊闹悄芑^(guò)程?；诖私M建了包括傳感器、高速采集卡以及可視化信號(hào)處理軟件的10 kV 高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地電波信號(hào)的采集、顯示、信號(hào)時(shí)間差準(zhǔn)確求取，完成了局部放電源的快速可靠定位，克服了目前傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備存在不能可靠定位的問(wèn)題，并且從采集到定位相較傳統(tǒng)方法具有高度的智能化、自動(dòng)化。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的局放自動(dòng)定位方法和基于此的測(cè)試系統(tǒng)具有較高的智能度與準(zhǔn)確度，值得推廣應(yīng)用。

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